材料行業(yè)的發(fā)展歷經(jīng)上百年的發(fā)展歷史，如今輕量化、高強(qiáng)度和剛度等方面的新型材料相繼問世，在眾多領(lǐng)域和行業(yè)得到青睞，如早先的玻璃纖維，如今的碳纖維和芳綸纖維等。這些高性能纖維可以與不同基體材料復(fù)合，形成外形更穩(wěn)定、性能更完善、加工更高效的復(fù)合材料。本文討論的就是當(dāng)下比較火熱的熱塑性碳纖維復(fù)合材料，不過截止到現(xiàn)在，該型復(fù)合材料的全球產(chǎn)能依然稀少，想要多樣化的應(yīng)用切實(shí)落地，提升技術(shù)水平和產(chǎn)能上限是亟需解決的問題。假設(shè)未來技術(shù)瓶頸突破，那熱塑性碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)能井噴，會(huì)有哪些行業(yè)受益呢？
　　
 
　　熱塑性碳纖維復(fù)合材料存在的意義和局限
　　
　　熱塑性碳纖維復(fù)材更多的會(huì)拿來與熱固性碳纖維復(fù)材、玻璃纖維復(fù)材和芳綸纖維復(fù)材等作比較，有研究認(rèn)為熱固性碳纖維復(fù)合材料的剛度更高，而芳綸纖維復(fù)合材料的韌性更好。部分熱塑性碳纖維復(fù)合材料的性能較熱固性碳纖維復(fù)合材料更好，如連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料（CF/PEEK）等。其實(shí)不僅僅是力學(xué)性能方面，熱塑性碳纖維在制備、加工、回收等環(huán)節(jié)同樣具備優(yōu)勢(shì)。
　　
 
　　由于熱塑性塑料的快速加工和可回收性，纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料越來越多地用于航空航天、汽車、建筑和化工行業(yè)。通過熔化熱塑性材料及其纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可以將制造的部件改造成新產(chǎn)品，與熱固性聚合物及其纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比，這是一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。由于碳纖維和熱塑性基體之間的界面粘附性較差，已經(jīng)應(yīng)用了不同的表面處理，如化學(xué)、等離子體、電化學(xué)方法來引入表面官能團(tuán)并改善界面結(jié)合。通過注射成型、壓縮成型、擠出制造工藝等，碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料已被制成各種具有高抗沖擊性、可修復(fù)性和可回收性的輕質(zhì)部件。
 
　　熱塑性碳纖維復(fù)合材料及對(duì)應(yīng)的零部件先天具有優(yōu)勢(shì)，但也存在一定的局限性，例如熱塑性碳纖維復(fù)合材料單向帶的低拉伸應(yīng)變和殘余溶劑對(duì)最終性能的負(fù)面影響；混合薄層、角層和波紋層夾層結(jié)構(gòu)已被用于擴(kuò)展拉伸失效應(yīng)變等。在技術(shù)尚未成熟之前，熱塑性碳纖維復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用還需要大量的研究和實(shí)驗(yàn)。
　　
 
　　熱塑性碳纖維當(dāng)下有哪些前景較好的應(yīng)用方向？
　　
　　對(duì)熱塑性碳纖維復(fù)合材料的研究一直都在進(jìn)行，只是現(xiàn)階段碰到了瓶頸，熱塑性樹脂高溫熔融狀態(tài)無法高效浸潤(rùn)碳纖維絲束，導(dǎo)致制備的熱塑性碳纖維預(yù)浸料內(nèi)部分布不均，嚴(yán)重拉低性能水平，另外熱塑性碳纖維預(yù)浸料的后續(xù)加工同樣面臨諸多難題。只有解決了這些問題，才能讓更多的行業(yè)因此收益。
　　
 
　　1、航空航天：碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)上的使用是從副翼、配平片和方向舵等輔助結(jié)構(gòu)開始的。CFRP 表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，例如高強(qiáng)度重量比和高剛度重量比。隨著技術(shù)的進(jìn)步，纖維和基體性能得到了顯著改善，從而增強(qiáng)了層壓板的性能，使該材料能夠應(yīng)用于機(jī)身、垂直尾翼、尾翼箱和機(jī)翼等飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)，并取代傳統(tǒng)的輕質(zhì)金屬合金。熱塑性碳纖維可以替代部分熱固性碳纖維，在這些零部件上提供更好的性能效果。
　　
 
　　2、風(fēng)力發(fā)電：根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)的數(shù)據(jù)，2020年全球風(fēng)電總裝機(jī)量達(dá)到約743吉瓦，其中新增風(fēng)電裝機(jī)增長(zhǎng)53%，達(dá)到93吉瓦。在風(fēng)力發(fā)電葉片上，碳纖維比玻璃纖維具有明顯的優(yōu)勢(shì)，更高的比拉伸模量、更高的比拉伸強(qiáng)度和更高的抗疲勞性能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中的碳纖維消耗量已從2004年的約800噸增加到 2021年的30噸以上，預(yù)計(jì)2025年將超過81噸。熱塑性碳纖維復(fù)合材料同樣可以在日益增長(zhǎng)的風(fēng)電設(shè)備上廣泛應(yīng)用。
　　
 
　　3、汽車制造：自過去十年以來，全球范圍內(nèi)更嚴(yán)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)和電動(dòng)汽車的快速增長(zhǎng)促使該行業(yè)重新使用碳纖維以減輕重量，在汽車結(jié)構(gòu)中采用CFRP復(fù)合材料等輕質(zhì)材料是最直接的減重方法。2013年碳纖維消費(fèi)大幅增長(zhǎng)，并持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。2021 年，碳纖維需求量為9.5噸，預(yù)計(jì)2024年將達(dá)到12.6噸以上。我國(guó)是全球電動(dòng)汽車最大的生產(chǎn)工廠，同樣是最大的終端市場(chǎng)，熱塑性碳纖維應(yīng)用于汽車上可以提供更強(qiáng)勁的加速表現(xiàn)，同時(shí)也提供更好的安全保護(hù)。
　　
 
　　4、壓力容器：高壓氣體儲(chǔ)存容器是先進(jìn)復(fù)合材料（尤其是長(zhǎng)絲纏繞碳纖維復(fù)合材料）最大且增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)之一。由于碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異的疲勞性能， III型和IV型CFRP復(fù)合材料壓力容器的使用壽命可達(dá)30年。V型全碳纖維復(fù)合材料無襯里儲(chǔ)罐于2012年首次制造，用于在衛(wèi)星組件中儲(chǔ)存氬氣。熱塑性碳纖維復(fù)合材料單向帶的應(yīng)用之一，就是制作壓力容器，未來儲(chǔ)存高壓氫氣、氬氣等，都具有廣闊的市場(chǎng)前景。
　　
　　5、體育運(yùn)動(dòng)：由碳纖維制成的主要產(chǎn)品是高爾夫球桿、釣魚竿和網(wǎng)球拍。自2010年以來，全球碳纖維在運(yùn)動(dòng)休閑裝備中的使用呈穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì)。2021 年，體育運(yùn)動(dòng)中使用的碳纖維數(shù)量達(dá)到了令人印象深刻的 18.5 噸。高爾夫球桿和自行車是碳纖維的最大消費(fèi)領(lǐng)域，分別占總消費(fèi)量的27.6%和25.4%。熱塑性碳纖維復(fù)合材料制作的體育用品，有望推動(dòng)競(jìng)技體育達(dá)到更高的極限，而隨著產(chǎn)能提升該類型體育用品的價(jià)格持續(xù)走低，更容易走進(jìn)日常生活。
　　
 
　　廢棄碳纖維產(chǎn)品的回收迫在眉睫，執(zhí)行環(huán)節(jié)有待完善
　　
　　熱塑性碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)能提升，確實(shí)可以帶動(dòng)碳纖維產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，同樣可以推動(dòng)航空航天、風(fēng)力發(fā)電、汽車制造、壓力容器等產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，但后續(xù)同樣會(huì)面臨一個(gè)問題，那就是如何高效回收破損廢棄的熱塑性碳纖維產(chǎn)品。以目前熱塑性碳纖維復(fù)合材料及產(chǎn)品較低的產(chǎn)能，預(yù)計(jì)到2025年，就可能在制造過程中產(chǎn)生每年2萬噸的廢物和報(bào)廢部件，未來如果產(chǎn)能大幅提升，這些廢棄物的數(shù)量同樣會(huì)大幅度上升。
　　
　　從原材料到產(chǎn)品，復(fù)合材料制造過程中會(huì)產(chǎn)生大量廢物，包括干纖維/織物、固化或未固化的預(yù)浸料、切斷、試片、未通過認(rèn)證的產(chǎn)品等。碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)的平均報(bào)廢率約32.4%。根據(jù)制造工藝或應(yīng)用領(lǐng)域的不同，航空高壓釜制造和RTM工藝的傳統(tǒng)制造的報(bào)廢率超過50%，體育用品的手工生產(chǎn)的報(bào)廢率為4-8%。對(duì)于更現(xiàn)代的復(fù)合材料制造工藝，模塑和復(fù)合工藝的報(bào)廢率為30-50%，拉擠工藝為5-10%，纖維纏繞工藝為2-3%。
　　
 
　　當(dāng)然隨著制造工藝的進(jìn)一步成熟，生產(chǎn)報(bào)廢率將下降。盡管比例很小，但碳纖維增強(qiáng)塑料垃圾的總量并不小，加上碳纖維產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能還在極速的增長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的碳纖維廢棄物也隨著增加。目前，熱固性碳纖維復(fù)合材料的廢棄物大多被填埋處理，而熱塑性碳纖維復(fù)合材料具有較好的可回收性，如果有相關(guān)的企業(yè)接手，有對(duì)應(yīng)的法律法規(guī)監(jiān)管，可以有效改善現(xiàn)階段碳纖維類廢棄物低效處理的困境。智上新材料認(rèn)為，碳纖維及復(fù)合材料給我們的生活提供了便利和價(jià)值，我們?cè)谑芤娴耐瑫r(shí)，也要做好回收工作，保護(hù)環(huán)境，就是保護(hù)文明的延續(xù)。