热塑性复合材料及其工艺
纤维增强热塑性复合材料拉挤成型工艺研究进展
纤维增强热塑性复合材料拉挤成型工艺研究进展摘要：随着低碳经济、碳中和等环保理念的呼声不断高涨，低能耗、可回收的高性能复合材料的需求量不断增加。
高性能复合材料可作为关键的轻型承重材料，应用于风力涡轮机叶片根部加强件、高压绝缘子芯棒和建筑应用中的梁等。
不同于热固性拉挤成型复合材料，热塑性复合材料不需要化学固化，生产效率高、污染小、原材料利用率高，且制件具有可回收、可焊接、使用寿命长的特点，因此国内外都在积极开展高效率、低成本的热塑性复合材料生产工艺的研究。
基于此，本文章对纤维增强热塑性复合材料拉挤成型工艺研究进展进行探讨，以供相关从业人员参考。
关键词：纤维增强热塑性复合材料；拉挤成型工艺；研究进展引言纤维增强热塑性复合材料比热固性树脂复合材料具有更高的比强度和冲击强度，不需要特殊的储存和运输条件，易于维修和可回收再加工。
因此热塑性复合材料在加工性、效率、全寿命周期内的环保性和成本都明显优于热固性复合材料。
碳纤维增强热塑性聚合物复合材料是树脂基复合材料的发展方向，具有广阔的应用前景。
一、拉挤成型工艺拉挤成型工艺由于其生产效率高、拉挤制品纤维含量高、原材料成本低等优点被广泛应用于各种复合材料的生产制造中。
将拉挤成型工艺与热塑性复合材料相结合可充分发挥复合材料的优势，实现各种断面和空腔型材的高效生产。
热塑性树脂普遍存在黏度大的问题，导致了纤维浸渍困难，因此纤维增强热塑性复合材料拉挤成型工艺的改进方向主要集中在纤维浸渍方式上。
根据浸渍方式不同将热塑性复合材料拉挤成型工艺分为非反应型拉挤成型工艺和反应型拉挤成型工艺两大类。
从目前生产应用的角度来看，非反应型拉挤成型过程部分浸渍工艺与热固性复合材料拉挤成型工艺相似，技术更加成熟，设备投资也相对降低，因此应用更加广泛，而反应型拉挤成型工艺对生产设备要求高，技术难度较大，因此应用范围相对较小。
二、纤维增强热塑性复合材料特点复合材料基本上是一种新型材料，在对两种性质不同的材料进行物理或化学处理后进行加工，其性质相对较高。
热固性复合材料与热塑性复合材料
热固性复合材料与热塑性复合材料1热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料是应用十分广泛的复合型材料，这种材料是经过复合而成，在许多高科技产品中都得到了广泛的应用与研究，例如在大型客运机的应用中，其不仅减轻了重量，并且还优化了飞机的性能，减轻了飞机在飞行过程中的阻碍，热固性树脂具有非常优异的开发潜能，其应用领域也会在其改性后得到更大的发展。
典型的热固性树脂复合材料分为以下几种：（1）酚醛树脂复合材料:随着对阻燃材料的强烈需求，美国西方化学公司，道化学公司等一系列大型化学公司都先后研制成功了新一代的酚醛树脂复合材料。
其具有优异的阻燃、低发烟、低毒雾性能和更加优异的热机械物理性能。
在制备这种具有阻燃效果的材料上，研究人员重新设计思路，在加入不饱和键等其他基团条件下，提高了反应速度，减少了挥发组分。
使酚醛树脂复合材料在其应用领域得到大力发展。
(2)环氧树脂复合材料:由于环氧树脂本身的弱点，研究人员对其进行了两方面的改性研究，一方面是改善湿热性能提高其使用温度;另一方面则是提高韧性，进而提高复合材料的损伤容限。
含有环氧树脂所制备的复合材料己经大力应用到机翼、机身等大型主承力构件上。
(3)双马来酞亚胺树脂复合材料:在双马来酞亚胺树脂复合材料中，由于双马来酞亚胺树脂具有流动性和可模塑性，良好的耐高温、耐辐射、耐湿热、吸湿率低和热膨胀系数小等优异性能，所以这种树脂则会广泛运用在绝缘材料、航空航天结构材料、耐磨材料等各个领域中。
(4)聚酰亚胺复合材料:聚酰亚胺复合材料具有高比强度，比模量以及优异的热氧化稳定性。
其在航空发动机上得到了广泛应用，主要可明显减轻发动机重量，提高发动机推重比。
所以在航天航空领域得到了大力的发展和运用。
2热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料:其自身中的基体是热塑性树脂，该类复合材料是由热塑性树脂基体、增强相以及一些助剂组成。
在热塑性复合材料中最典型和最常见的热塑性树脂有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酯树脂、聚碳酸树脂、聚甲醛树脂、聚醚酮类、热塑性聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚飒等。
热塑性酚醛树脂及其工艺
热塑性酚醛树脂及其工艺Modified by JACK on the afternoon of December 26, 2020热塑性酚醛树脂，即线型酚醛树脂，它不含进一步缩聚的基团，加固化剂并加热才能固化。
如以六亚甲基四胺为固化剂，固化温度150 ℃,有没有办法可以降低它的固化温度?当甲醛／苯酚（摩尔比）小于1时，可得热塑性产物，称热塑性酚醛树脂，即线型酚醛树脂，它不含进一步缩聚的基团，加固化剂并加热才能固化。
如以六亚甲基四胺为固化剂，固化温度150 ℃，混以填料制成的模塑粉俗称电木粉。
当甲醛／苯酚(摩尔比)大于1时，在碱催化下先得到甲阶段树脂，即热固型酚醛树脂，能溶于有机溶剂，甲阶段树脂含能进一步缩聚的羟甲基，因此不需加固化剂即能固化：加热下反应得到乙阶段树脂，又称半溶酚醛树脂，不溶不熔但可溶胀和软化。
再进一步反应则得到不溶不熔的体型结构丙阶段树脂，也称不溶酚醛树脂。
甲阶段树脂长期存放也能自行固化。
热固性酚醛树脂的固化形式分为常温固化和热固化两种。
常温固化可使用无毒常温固化剂NL，也可使用苯磺酰氯或石油磺酸，但后两种材料的毒性、刺激性较大。
酚醛树脂（BAKELITE）酚类和醛类的缩聚产物通称为酚醛树脂，一般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂，它是最早合成的一类热固性树脂。
酚醛树脂虽然是最老的一类热固性树脂，但由于它原料易得，合成方便，以及酚醛树脂具有良好的机械强度和耐热性能，尤其具有突出的瞬时耐高温烧蚀性能，而且树脂本身又有广泛改性的余地，所以目前酚醛树脂仍广泛用于制造玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料等复合材料。
酚醛树脂复合材料尤其在宇航工业方面（空间飞行器、火箭、导弹等）作为瞬时耐高温和烧蚀的结构材料有着非常重要的用途。
酚醛树脂的合成和固化过程完全遵循体型缩聚反应的规律。
控制不同的合成条件（如酚和醛的比例，所用催化剂的类型等），可以得到两类不同的酚醛树脂：一类称为热固性酚醛树脂，它是一种含有可进一步反应的羟甲基活性基团的树脂，如果合成瓜不加控制，则会使体型缩聚反应一直进行至形成不熔、不溶的具有三向网络结构的固化树脂，因此这类树脂又称为一阶树脂；另一类称为热塑性酚醛树脂，它是线型树脂，在合成过程中不会形成三向网络结构，在进一步的固化过程中必须加入固化剂，这类树脂又称为二阶树脂。
热固性复合材料与热塑性复合材料
热固性复合材料与热塑性复合材料1热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料是应用十分广泛的复合型材料，这种材料是经过复合而成，在多高科技产品中都得到了广泛的应用与研究，例如在大型客运机的应用中，其不仅减轻了重量，并且还优化了飞机的性能，减轻了飞机在飞行过程中的阻碍，热固性树脂具有非常优异的开发潜能，其应用领域也会在其改性后得到更大的发展。
典型的热固性树脂复合材料分为以下几种：（1）酚醛树脂复合材料:随着对阻燃材料的强烈需求，美国西化学公司，道化学公司等一系列大型化学公司都先后研制成功了新一代的酚醛树脂复合材料。
其具有优异的阻燃、低发烟、低毒雾性能和更加优异的热机械物理性能。
在制备这种具有阻燃效果的材料上，研究人员重新设计思路，在加入不饱和键等其他基团条件下，提高了反应速度，减少了挥发组分。
使酚醛树脂复合材料在其应用领域得到大力发展。
(2)环氧树脂复合材料:由于环氧树脂本身的弱点，研究人员对其进行了两面的改性研究，一面是改善湿热性能提高其使用温度;另一面则是提高韧性，进而提高复合材料的损伤容限。
含有环氧树脂所制备的复合材料己经大力应用到机翼、机身等大型主承力构件上。
(3)双马来酞亚胺树脂复合材料:在双马来酞亚胺树脂复合材料中，由于双马来酞亚胺树脂具有流动性和可模塑性，良好的耐高温、耐辐射、耐湿热、吸湿率低和热膨胀系数小等优异性能，所以这种树脂则会广泛运用在绝缘材料、航空航天结构材料、耐磨材料等各个领域中。
(4)聚酰亚胺复合材料:聚酰亚胺复合材料具有高比强度，比模量以及优异的热氧化稳定性。
其在航空发动机上得到了广泛应用，主要可明显减轻发动机重量，提高发动机推重比。
所以在航天航空领域得到了大力的发展和运用。
2热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料:其自身中的基体是热塑性树脂，该类复合材料是由热塑性树脂基体、增强相以及一些助剂组成。
在热塑性复合材料中最典型和最常见的热塑性树脂有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酯树脂、聚碳酸树脂、聚甲醛树脂、聚醚酮类、热塑性聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚飒等。
麻纤维增强热塑性复合材料及其开发应用
８ ２
麻 纤 维 增 强 热 塑性 复合 材 料 及 其 开发 应 用
２１ ０ ０年 ５月
１ ２ ２ 力学性 能 ．．
是 热塑性 复合 材 料 的主 要工 艺 参 数 。其 中 ， 合物 聚 的熔融 黏度是 最 为重 要 的成 型 工艺 参 数 ， 决 定着 它 成 型工艺 状态 和产 品 性 能 。若 树 脂 熔 融 黏度 过 低 ， 树脂 基体 的过 渡 流 动将 导 致 不 能很 好 的覆盖 纤 维 ， 树脂 含量 过低 ， 响复合 材料 的性能 ； 影 若树 脂熔 融黏
关键 词 ：天 然 纤 维 ；亚麻 ；大麻 ；黄 麻 ； 热 塑 ；复合 材 料 ；应 用 中 图分 类 号 ：Ｔ ３ ２ Ｂ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ ０ ９ （０ ０ ０ ０ ８ ０ ０ ３— ９ ９ ２ １ ）３— ０ １— ４
目前 ， 环境 材 料 已成 为新 材 料 领 域 中 的一 个 新 的研 究方 向。在环 境 材 料 中 ， 然 纤 维 扮 演着 越 来 天
加 了其 附加 值 ， 广 了麻产 业在 世界 范 围 内的发展 。 推
图 １ 亚 麻 纤 维 的 Ｓ Ｍ 截 面 图 Ｅ
收 期： ０９ ５ ６ 稿日 ２０￣ － ２
作者简介 ：张璐 （ ９０ ） １８ ． ，女 ，在读博士 ，讲师 ，主要从事复合材料方面的研 究。
｝ ／ Ｍ ２ １ 。 ３ 旺’Ｃ ０ＯＮ
已得 到复合材 料 工 业 界 的 广泛 关 注 … 。 因此 ， 究 研 天 然纤 维热 塑性 复合材 料 的开发 及应 用成 为 了必然
的趋 势 。 １２ 麻 纤维 的特 性 ．
１２ １ 化学 组成 与结构 ．． 麻 纤维 分为 细 胞 壁 和 细胞 腔 ， 胞 壁 主 要 由纤 细
复合材料成型工艺方法及优缺点分析
强 ；导 电性能 好；无污 染性能 。
严格 。
二 、热 固性 复 合材 料成 型 工艺优 缺 点 分析
４、缠绕 焊接 手工或 机械将预 浸带沿焊 接缝进 行缠绕的 同时，将
１、手 糊成 型工艺 优 点 ：具 有 操作简单 ，易会 ；生产成 本低 ；能生 对接 焊点加 热 熔 融 ，使 接触 点与备 连接 件对 接粘 牢。此 种方 法比较 实
１ 注射成型 工艺 热塑性复合材 料 的主要生产方法 是注射 成型。 复合材 料的 性能 。先 进树 脂基复合材料 技 术对航 空航 天等 领域 的发展
成 型时间短、消耗 能源少、效率高 、产品的精度高是 它突 出的优点 。这 种 有重要的 作用，我国应跟 踪国外先 进技术 的发 展，解决碳 纤维和 芳纶纤
占总重 的１／４，前 苏联 的Ｔｕ－２０４飞 机复合材料用量 占总 重的 １４％。空客
热 塑性复合材料 广泛应 用与车 辆制 造工业、机 电工业 、化 工防腐 及 Ａ３８０使用的复合材料 占结构 总重的２５％．树 脂基复合材 料性 能优异 ，极
建筑 工程等 方面。 来自具发 展潜力，受到 国内外 高度 重视 。各类 热固性树脂很 大程度 上提高 了
产 大 型及 复杂 的 制品 ；设 计 性 能好且 已改变 ；材料 广；结 构 能 制成 夹 用，被 连接材 料的 性能不发生 改变。缺点 是 ：焊 接过程 中易出现加 热 不
层。缺 点 ：产品质量与工作人 员的技 术有关 ；周期较 长 ；
均匀现象 。
２，模 压成型 工艺 优 点：效率 高；成品美观 、尺寸准确重复性 好；
单 容易掌握 是其特点。
握增 强纤 维的浸渍 工艺 水平 ，进 一步提高各种生产设备 的稳定性 。
Imhotep公司的热塑性复合材料新技术和新产品
等规格要求 制造 。
２ ２ 浸渍 的重要性 ．
高性 能用途 需使用 经过充 分浸渍 的高质 量预浸
产 品可 ＦＩｈｔｐ ｈ ｍｏｅ公司制造后供给客户 ，也可 由客 户 或第三方购买许 可证后 自行制造 。无论 何种情况 ， Ｉｈ ｔｐ ｍ ｏｅ 公司的工厂 都可供作新产 品 的试制 和／ 中 或
试。
添 加剂，如紫外线稳定剂、偶联剂和颜料 。 ・ ｔ ｎ ｌ可按 多种幅 宽、颜色和 纤维体积含量 ＡｅＰｙ
一
起造 粒 ，制成Ｌ Ｒ （ Ｆ Ｔ 长纤维增 强热塑性 塑料 ）粒
料 ，用于注射成 型 ，其产 品力学性 能 比纯 塑料制 品
好得 多。在此过程 中产生 的废 料还 可再造粒 ，直接 回收再用。 （） 不使用溶剂 ３ 使用热塑性 塑料作为 复合材料基 体的优 点之 一
２１ Ａｅ Ｐｙ ． ｔｎ １ 的灵活性
维普资讯
Ｆｉｇｌ ，＇ ｂ ａ￣ — ｓ
资 讯
Ｉｏ ｐ 的 塑 复 材 新 术 新 ｔ 公司 热 性 合 料 技 和 产品 ｍ ｅ ｈ
英国Ｉｈ ｔ ｐ 司是 从事热 塑性复合材料 开发和 ｍｏｅ公
１ １ 技 术优越 性 ．
・ ｍ ｏ ｅ 公司开发的新技术 能够填补传统聚合 Ｉ ｈ ｔｐ
嵌件：线、缆 、光纤等。
收塑料 ，其余 １ ～２ 是紫外 线稳定剂和颜料 。用玻 ％ ％
璃纤维制造 的产 品有 以下两例 。 ・ ｃ— ｏ 实心棒材 Ｅ ｏｒ ｄ
用回收 的聚丙烯和Ｅ 玻璃 纤维制成 ，外覆 ｌ５ ｍ ｜ ｍ
厚 的塑料涂层 ，深着色 ，免维护 ，对紫 外线完全稳
该 公司使 用现有 的模 具 ，可 以制 造棒材 、带材
制造 的厂商 。其 常规产 品是用连 续纤维增 强的热塑
热塑性复合材料增材制造工艺与装备研究进展
热塑性复合材料增材制造工艺与装备研究进展谢 为*（中国航空制造技术研究院，北京 100024）摘要：热塑性复合材料具有较高的韧性与损伤容限以及良好的抗冲击性能。
采用增材制造技术成形热塑性复合材料可实现高性能复杂构件的无模具精确成形，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。
本文介绍短切纤维增强与连续纤维增强热塑性复合材料增材制造技术的研究进展，比较不同树脂/纤维材料的成形工艺与力学性能，含有10%短切碳纤维的增材制造PEEK材料的拉伸强度达到109 MPa，模量为7.4 GPa，相比纯PEEK材料提升了85%。
对于连续碳纤维增强ABS复合材料，当纤维含量为10%左右时，拉伸强度达到147 MPa，模量为4.185 GPa，分别是纯ABS材料的5倍与2倍。
根据不同的工艺与材料体系，国内外开发的先进热塑性复合材料增材制造设备向大型化、集成化发展。
最后，从材料、设备、工艺、应用的角度对连续/短切纤维增强热塑性复材增材制造的发展趋势进行展望与建议。
关键词：热塑性复合材料；增材制造；连续纤维；短切纤维；原位固结doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000174中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2023)03-0001-11Research progress of additive manufacturing process and equipment forthermoplastic compositesXIE Wei*（AVIC Manufacturing Technology Institute, Beijing 100024, China）Abstract: Thermoplastic composites exhibit high toughness and damage tolerance, as well as good impact resistance. Additive manufacturing offers an effective way for making high-performance complex thermoplastic composite components without molds, which has a broad application prospect in aerospace and other fields. This article introduces the research progress of additive manufacturing process of short-cut fibers/continuous fibers reinforced thermoplastic composites. The processes and mechanical properties of different resins and fibers are compared. For the additive manufactured PEEK reinforced with 10%(volume fraction, the same below) of shortcut carbon fibers, the tensile strength and modulus can reach 109 MPa and 7.4 GPa, respectively, which is 85% higher than the pure PEEK. For the additive manufactured ABS reinforced with 10% continuous carbon fibers, the tensile strength and modulus can reach 147 MPa and 4.185 GPa, respectively, which is 5 times and 2 times of pure ABS. According to different processing routes and material systems, the equipment for fabricating advanced thermoplastic composites becomes larger and more integrated. Finally, from the material, equipment, process and application perspectives, the challenges and opportunities of thermoplastic composites by additive manufacture are identified.Key words: thermoplastic composites；additive manufacturing；continuous fibers；short-cut fibers；in-situ consolidation在航空结构设计领域，复合材料以其特有的高比强度、高比刚度、轻质高效等特性，与钛合金、铝合金、钢一起成为现代飞机设计的四大结构材料[1]。