连续碳纤维增强热塑性复合材料：为何更受关注？

        碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)因其卓越的力学性能和加工灵活性，在航空航天、汽车制造等多个领域展现出巨大的应用潜力。特别是当采用连续碳纤维作为增强相时，这种材料的性能优势更为明显。在不断的科研中就能发现，本文我们结合现有文献来剖析连续碳纤维增强热塑性复合材料相比短切碳纤维增强材料为何更受关注。　

　　两种不同长度的碳纤维：一种是短切碳纤维(SCF)，长度约为150-200微米;另一种是连续碳纤维，长度为预浸带长度。进行一系列力学性能测试，包括拉伸、弯曲和压缩强度。

　　性能比对

两种碳纤维复合不同天数下的细胞毒性

　　力学性能：结果显示，连续碳纤维的PEEK复合材料(CF-PEEK)在拉伸、弯曲和压缩强度方面都远超含有短切碳纤维的PEEK复合材料(SCF-PEEK)。数值上CF-PEEK的拉伸强度、弯曲强度和压缩强度能够达到SCF-PEEK的3倍。

　　模量匹配：两种复合材料的弹性模量与人骨的弹性模量非常接近。除此之外，研究的原材料CFPEEK材料在细胞毒性试验和血液相容性评估结果中，均表现出轻微的毒性，没有溶血的不良反应，进行全身毒性试验的组织病理切片分析，也表明了该材料对于生物体没有明显的急性毒性。促使了碳纤维+PEEK复材制造的制品在生物医学应用变得尤为重要，因此能够受到该领域的特别关注。

　　界面性能：扫描电子显微镜观察显示，在连续碳纤维PEEK的内部，碳纤维与PEEK基体之间的界面结合更多，进行纤维拔出过程，需要更大的拉伸力，让其性能也远超SCF-PEEK，纤维拔出的现象相比SCF-PEEK要少很多。

　　优势分析

两种碳纤维复材断裂截面对比

　　连续碳纤维与短切碳纤维在长度上有不同，连续碳纤维在复合材料中是连续不断的，而不是被剪切成一定长度。这意味着在力学性能上，连续碳纤维复合材料会表现出更好的性能，具体原因如下：

　　- 连续性带来的力学优势：连续碳纤维能够沿整个复合材料的长度方向不间断地传递应力，最大限度地利用了碳纤维的高强度和高模量特性。在进行PEEK与CFPEEK对比中，添加了连续CF的PEEK材料性能整体能够提升接近2倍。

　　- 更少的界面问题：相比于短纤或者引申到的长纤碳纤维，连续碳纤维在复合材料中不存在纤维端部，这减少了纤维端部引起的应力集中问题，从而降低了裂纹的形成可能性。

　　- 更均匀的应力分布：连续碳纤维能够更均匀地分布应力，避免了由纤维断裂或纤维端部造成的局部应力集中，提高了材料的整体强度和刚度。

　　- 更佳的纤维-基体相互作用：连续碳纤维与基体之间形成的界面更加稳定，减少了纤维拔出的风险，从而提高了复合材料的强度。

　　能够看出，想要CFPEEK复合材料想要高性能的重点，跟纤维与树脂浸渍有非常大的关系，关系到材料性能优劣。同时该重点也是连续碳纤维增强热塑性复合材料制备的难点，需要克服热塑性树脂低熔体流动速率和高成型温度不利于树脂对纤维的浸渍以及热塑性预浸料在常温环境下无黏性、硬挺度高等一系列的问题。率先跨过这一门槛的国内碳纤维企业——智上新材料科技给出的答案是：需要结合设备、工艺、产品等多方面进行创新性优化，不能固守成规，才能有效避免了传统制备工艺为降低树脂黏度而带来的韧性和疲劳性能方面的缺陷，创造性的生产出满足市场需求的高性能CFRTP材料，在即将到来的第二十七届国际复材展上，智上新材料也将会亮相国内率先完成的CFRTP编织带复材产品，进一步拉进了该材料与国外技术的距离。

　　未来，再通过技术的不断改进，进一步提升碳纤维与热塑性树脂之间的界面结合，能够给我们带来更环保更高性能的复材，也使其在更多领域得到广泛应用。

   部分内容参考文献：doi.org/10.1080/09205063.2019.1659711