航空航天用热塑性碳纤维与热固性碳纤维的性能对比

　　新千年后，对于各种新型复合材料的研究和探索取得了不错的成果，诸如当下较为热门的玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维复合材料等，而本文即将介绍的就是誉有“黑色黄金”之称的碳纤维及复合材料。碳纤维早在百年之前就已经出现，而随着不断的开发，逐步应用于运动器材和F1赛车上，目前较为主流的是热固性碳纤维复合材料，热固性树脂包含环氧树脂、酚醛树脂和双马来酰胺树脂等。

　　热塑性碳纤维复合材料更符合航空航天领域使用要求

　　随着对碳纤维和多种塑料的研究日益深入，发现特种塑料作为基体，搭配碳纤维这样的组合，可以更好的发挥出碳纤维自身的高强性能，一旦连续碳纤维增强热塑性复合材料可以大批量制备，整个工业行业都将获益，如航空航天、医疗等高端产业也会得到极大的发展助力。目前碳纤维环氧树脂复合材料的高强度、低蠕变、高模量、低成本等优势被证明适用于航空航天领域，但其存在的弱点也非常明显，如脆性大、易分裂、吸湿率高等，存在的一定的应用风险。对此，热塑性基体材料的加入，可以补全性能上的缺陷，为碳纤维复合材料带来新的可能。

　　高性能特种塑料有很多，如聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）、聚醚酮醚酮酮（PEKEKK）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、聚酰胺（PA）等，这些热塑性基体树脂可以为碳纤维提供更好的物理结构和化学性能。以聚醚醚酮（PEEK）为例，它的玻璃化温度（Tg）约为150℃，熔点约为370℃，可以大幅提升碳纤维复合材料的耐高温能力，而且可以更好的延续碳纤维自身的特性，保持较好的强度、韧性、耐化学和溶剂特性，还具备较好的热稳定性、阻燃性和低介电常数，是未来航空航天领域非常需要的高性能材料之一。

　　航空航天用热塑性碳纤维与热固性碳纤维的性能对比

　　有科研团队就针对航空航天用热固性和热塑性碳纤维复合材料做了较为深入的研究，将碳纤维增强聚醚酮复合材料与碳纤维增强环氧树脂复合材料进行比较。

　　1、碳纤维增强聚醚酮板：采用60%碳纤维和40%聚醚酮（PEK）的复合材料堆积层压板，先将10层双向碳纤维放置在11层聚醚酮（PEK）之间，顶部和底部均为聚醚酮（PEK）薄膜，堆叠的CF/PEK在10Bar压力下以410℃的压板温度压制30分钟。

　　2、碳纤维环氧树脂板：采用LY556环氧树脂基质材料增强的双向碳织物，在室温下加入HY951固化硬化剂，环氧树脂与固化剂按100：12的比例混合，保持碳纤维增强率保持在60wt%，使用10层织物获得约3毫米厚的碳纤维环氧树脂层压板。

　　3、测试方向：对以上2种碳纤维板进行机械性能方面的测试，包括拉伸试验、硬度测试和断裂韧性测试；同时对这两种碳纤维板进行热性能方面的测试，包括差示扫描量热法和极限氧指数的测试。

　　4、性能测试结果显示：

　　A、拉升强度和模量：碳纤维增强聚醚酮复合材料的平均拉伸强度和模量分别为425MPa和7.8GPa，碳纤维环氧树脂复合材料的平均拉伸强度分别为311MPa和5.2GPa，碳纤维增强聚醚酮复合材料的断裂伸长率为9.43%，碳纤维环氧树脂复合材料的断裂伸长率为11.32%。

　　B、硬度：当基体中加入碳纤维时，复合材料的整体硬度增加，表明填料将增强抗塑性变形的能力，数据显示聚醚酮的硬度值为87，环氧树脂的硬度值为85，对应复合材料的硬度值分别为94和89，相差不是特别明显。

　　C、断裂韧性：由于环氧树脂的脆性，碳纤维环氧树脂复合材料的断裂韧性随着基体韧性的降低而降低，而聚醚酮基体具有较好的韧性，碳纤维增强聚醚酮复合材料的韧性表现更好。在计算断裂韧性时所考虑的载荷是SENB试验中断裂前材料所能承受的最大载荷，其中应力强度因子（Kic)越高，对应的韧性也越高。结果显示碳纤维增强聚醚酮复合材料的Kic为13.71MPa·√m，碳纤维环氧树脂复合材料Kic为11.53MPa·√m，前者表现更好。

　　D、加热和冷却温度变化：采用DSC方法研究了聚合物复合材料在加热和冷却范围内的热转变。比较了基体的熔化温度和结晶温度，显示了样品材料的熔化温度（Tm）、结晶温度（Tc）和玻璃化转变温度（Tg）。

　　E、极限氧指数：样品的极限氧指数测试表明，当两种基体材料中融入碳纤维时，极限氧指数会有明显的提升。数据显示环氧树脂和聚醚酮的极限氧指数分别为25和35，对应的碳纤维复合材料的极限氧指数分别为32和47，碳纤维增强聚醚酮复合材料明显更好。

　　通过测试，研究人员发现以聚醚酮为基体的热塑性碳纤维复合材料，在各项性能上的表现都优于以环氧树脂为基体的热固性碳纤维复合材料，数据上的巨大差异标示了热固性与热塑性碳纤维复合材料在性能上的根本差别，也更能说明热塑性碳纤维复合材料未来的应用空间巨大，与航空航天等尖端领域更加契合。

　　那为什么热塑性碳纤维复合材料的普及程度远不及热固性碳纤维复合材料呢？这就和两者的制备工艺有莫大的关联了。热塑性碳纤维复合材料的加工温度高，同时熔融状态的热塑性树脂很难充分浸润碳纤维丝束，如果这个环节不能达到完美的效果，加工出来的热塑性碳纤维复合材料在机械性能上甚至不如当下主流的热固性碳纤维复合材料。

　　过去的几十年，国内外多个企业和机构都在想办法解决这个问题，只有少数几家在这方面有所成效，智上新材料潜心研究长达10年，终于制备出浸润效果较好的连续碳纤维增强热塑性复合材料，其中使用的热塑性基体包括较为热门的聚醚醚酮、聚苯硫醚等几种。热塑性碳纤维复合材料的应用潜力巨大，只有踏实付出，才能有所收获。