熱塑性碳纖維是一種由碳纖維與熱塑性樹脂融合而成的復(fù)合材料，對(duì)比當(dāng)下主流的熱固性碳纖維，在綜合性能和重塑加工方面有著較好的表現(xiàn)。不過(guò)熱塑性碳纖維的制備難度較高，即便是像東麗、帝人、赫式這些知名碳纖維大廠，在著手開展熱塑性碳纖維項(xiàng)目上也是非常謹(jǐn)慎的。國(guó)內(nèi)其實(shí)并不乏碳纖維相關(guān)的大企業(yè)，但真正能夠制備出外觀均勻、性能穩(wěn)定的熱塑性碳纖維復(fù)合材料的廠家并不算多。制備熱塑性碳纖維復(fù)合材料是一項(xiàng)需要長(zhǎng)期持續(xù)進(jìn)行的工作，不僅擁有較高的技術(shù)門檻，同時(shí)也需要投入較大的成本，那這些成本主要出現(xiàn)在哪些方面呢？

　　熱固性和熱塑性碳纖維的基本性能差異在哪里？

　　在了解成本增加的問(wèn)題之前，我們可以先對(duì)熱固性碳纖維和熱塑性碳纖維有一個(gè)基本的了解，看看兩者的差異主要體現(xiàn)在哪些方面。熱固性碳纖維是當(dāng)下較為主流的一種，是碳纖維和熱固性樹脂融合的產(chǎn)物，樹脂基體有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等，而熱塑性樹脂基體有聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亞胺等。雖然都是樹脂，但在與碳纖維融合時(shí)的難度卻相差甚遠(yuǎn)，融合后形成的復(fù)合材料的性能同樣也有較大得差異。

　　1、強(qiáng)度和剛度：通常來(lái)說(shuō)，由于熱固性樹脂的浸潤(rùn)難度較低，與碳纖維結(jié)合的更緊密，熱固性碳纖維在強(qiáng)度和剛度上的綜合表現(xiàn)更好一些，適合應(yīng)用在承載力需求較高和應(yīng)力下變形較小的零部件上，是一種針對(duì)靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)負(fù)載較好的復(fù)合材料。熱塑性碳纖維目前的浸潤(rùn)難度較高，因此呈現(xiàn)出的總體性能卻不如熱固性碳纖維，不過(guò)也有例外，如聚醚醚酮樹脂與碳纖維完成浸潤(rùn)，其復(fù)合材料的整體機(jī)械性能上限更高。

　　2、抗沖擊性：熱固性碳纖維成型后的脆性較高，在高沖擊載荷下容易破裂或破碎，破損的熱固性碳纖維是無(wú)法徹底修復(fù)的。熱塑性樹脂與碳纖維融合后表現(xiàn)出更出色的韌性，可應(yīng)用在動(dòng)態(tài)環(huán)境或沖擊載荷較高的零部件上，具有較高的抗沖擊性，加上熱塑性樹脂的加熱重塑能力，可一定程度的進(jìn)行修復(fù)。

　　3、耐溫性：熱固性碳纖維的耐高溫性普遍較低，因?yàn)闊峁绦詷渲娜埸c(diǎn)相對(duì)較低，而熱塑性樹脂中，聚醚醚酮、聚苯硫醚等熔點(diǎn)較高，整體的耐溫性更好一些。

　　4. 耐久性和耐環(huán)境性：熱固性碳纖維對(duì)潮濕、化學(xué)品和紫外線等環(huán)境因素具有一定的耐受性，但在循環(huán)負(fù)載下容易出現(xiàn)裂紋，而熱塑性碳纖維在循環(huán)載荷下具有更好的抗疲勞和抗裂性能，對(duì)潮濕和化學(xué)品的耐受能力受樹脂類型影響，其中聚醚醚酮等特種塑料的耐化學(xué)性較好。

　　相較熱固性碳纖維，制備熱塑性碳纖維的難度高在哪里？

　　都說(shuō)熱塑性碳纖維的制備難度更高，但對(duì)于其中的根本原因卻知之甚少。其實(shí)這是由于熱塑性樹脂的固有特性和所涉及的制造工藝共同造成的，可以從下面的幾個(gè)方面來(lái)里了解一下。

　　1、加工溫度高：熱固性樹脂的熔點(diǎn)低，固化溫度通常在150~200℃之間就可以完成，而熱塑性樹脂的熔點(diǎn)普遍較高，像聚醚醚酮的熔點(diǎn)可以達(dá)到400℃。在熔融階段就會(huì)面臨極高的加工困擾，對(duì)設(shè)備、工具和模具都有更高的要求，同時(shí)對(duì)技術(shù)人員的能力和經(jīng)驗(yàn)也有更高的要求。

　　2、樹脂粘度高：熱塑性樹脂進(jìn)入熔融狀態(tài)后，通常都會(huì)表現(xiàn)出極高的粘性，這種高粘性在浸漬階段會(huì)嚴(yán)重影響浸潤(rùn)的效果，導(dǎo)致碳纖維與樹脂之間的交聯(lián)反應(yīng)不充分，無(wú)法形成穩(wěn)定的物理結(jié)構(gòu)，遲滯熱塑性碳纖維復(fù)合材料的制備，也會(huì)大幅拉低其性能。

　　3、處理窗口期較短：熱塑性樹脂在冷卻階段會(huì)表現(xiàn)出較快的凝固效果，這會(huì)限制復(fù)合材料的制備和后續(xù)的固化成型，對(duì)于整體生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，縮短了處理的窗口期，提高了制備的精度和難度。想要充分把握機(jī)會(huì)，需要對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化，或使用更高速更快捷的制備工藝。

　　4、專用設(shè)備要求高：無(wú)論是前期的樹脂熔融，還是后續(xù)的固化成型，都需要有更好的設(shè)備來(lái)輔助完成，還需要搭建符合條件的生產(chǎn)車間和環(huán)境，對(duì)于體量較小的企業(yè)來(lái)說(shuō)，很難實(shí)現(xiàn)。

　　相較熱固性碳纖維，制備熱塑性碳纖維的成本高在哪里？

　　熱固性碳纖維復(fù)合材料的制備在國(guó)內(nèi)已經(jīng)并不算技術(shù)含量特別高的項(xiàng)目了，這幾年國(guó)產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)能提速迅猛，碳纖維復(fù)合材料制備和碳纖維制品生產(chǎn)技術(shù)的提升也隨之日益精進(jìn)?？梢哉f(shuō)熱固性碳纖維方面，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)和機(jī)構(gòu)已經(jīng)具有極強(qiáng)的實(shí)力，即便與國(guó)際碳纖維大廠相比也有一戰(zhàn)之力。不過(guò)熱塑性碳纖維方面，全球范圍內(nèi)的進(jìn)步都較為緩慢，不僅是高門檻的限制，同樣也是投入成本相對(duì)較少的緣故。

　　1、熱塑性樹脂成本高：熱塑性樹脂如聚醚醚酮、聚苯硫醚，具有出色的高耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和韌性，但這些樹脂本身的提煉和制作難度就比較高，通常需要特定的配方才能加工出性能較好的品類，因此成本自然會(huì)比熱固性樹脂高出不少。

　　2、加工溫度高：熱塑性樹脂的熔點(diǎn)較高，需要提高加熱溫度實(shí)現(xiàn)熔融，無(wú)疑會(huì)加大能源的損耗，另外還需要有專業(yè)的加熱設(shè)備和耐高溫性更好的模具來(lái)進(jìn)行制備，額外定制模具和設(shè)備都需要增加成本。

　　3、纖維浸漬技術(shù)難掌握：熱塑性樹脂熔融狀態(tài)下的高粘性，影響了對(duì)碳纖維的浸潤(rùn)，想要解決這個(gè)問(wèn)題，需要升級(jí)浸漬技術(shù)和優(yōu)化浸潤(rùn)操作，諸如熱熔預(yù)浸、原位聚合和粉末浸漬等方式。制備期間需要大量的實(shí)驗(yàn)和調(diào)整，才能讓浸潤(rùn)效果有所提升，這些所有的嘗試都會(huì)堆高成本。

　　4、固化和冷卻要求高：熱塑性碳纖維復(fù)合材料在固化階段，適當(dāng)?shù)墓探Y(jié)可以消除內(nèi)部空隙，提高纖維-樹脂的粘合效果，想要達(dá)成這一結(jié)果，需要配備高壓系統(tǒng)，如液壓機(jī)或高壓釜。另外熱塑性碳纖維復(fù)合材料在冷卻階段，為了避免翹曲和殘余應(yīng)力過(guò)于集中的問(wèn)題，還需要配備對(duì)應(yīng)的控制設(shè)備，這些都會(huì)進(jìn)一步的堆高成本。

　　5、專業(yè)的技術(shù)人員：雖然制備熱塑性碳纖維時(shí)，絕大部分步驟都是由設(shè)備來(lái)完成，但卻少不了技術(shù)人員的調(diào)控。技術(shù)人員不僅需要掌握完備的專業(yè)知識(shí)，而且還要熟練完成對(duì)各類設(shè)備的操作。因?yàn)樘祭w維行業(yè)的特殊性，全自動(dòng)化的生產(chǎn)方式目前根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此培養(yǎng)一名技術(shù)過(guò)硬的技術(shù)人員比購(gòu)買一臺(tái)高規(guī)格設(shè)備的成本更高。

　　智上新材料認(rèn)為，熱塑性碳纖維復(fù)合材料的制備雖然困難重重，但卻不能放棄與之相關(guān)的研究和實(shí)踐，技術(shù)只有掌握在自己手里，才能不受制于人。鑒于當(dāng)下復(fù)雜的國(guó)際環(huán)境，而碳纖維及復(fù)合材料又是極為重要的戰(zhàn)略資源，前期的大量投入并不是浪費(fèi)資源，量變引起質(zhì)變，熱塑性碳纖維相關(guān)的研究在海量的成本堆疊下一定會(huì)得到豐厚的回報(bào)。