材料行業的發展歷經上百年的發展歷史,如今輕量化、高強度和剛度等方面的新型材料相繼問世,在眾多領域和行業得到青睞,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合,形成外形更穩定、性能更完善、加工更高效的復合材料。本文討論的就是當下比較火熱的熱塑性碳纖維復合材料,不過截止到現在,該型復合材料的全球產能依然稀少,想要多樣化的應用切實落地,提升技術水平和產能上限是亟需解決的問題。假設未來技術瓶頸突破,那熱塑性碳纖維復合材料產能井噴,會有哪些行業受益呢?
  
 
  熱塑性碳纖維復合材料存在的意義和局限
  
  熱塑性碳纖維復材更多的會拿來與熱固性碳纖維復材、玻璃纖維復材和芳綸纖維復材等作比較,有研究認為熱固性碳纖維復合材料的剛度更高,而芳綸纖維復合材料的韌性更好。部分熱塑性碳纖維復合材料的性能較熱固性碳纖維復合材料更好,如連續碳纖維增強聚醚醚酮復合材料(CF/PEEK)等。其實不僅僅是力學性能方面,熱塑性碳纖維在制備、加工、回收等環節同樣具備優勢。
  
 
  由于熱塑性塑料的快速加工和可回收性,纖維增強熱塑性復合材料越來越多地用于航空航天、汽車、建筑和化工行業。通過熔化熱塑性材料及其纖維增強復合材料,可以將制造的部件改造成新產品,與熱固性聚合物及其纖維增強復合材料相比,這是一個明顯的優勢。由于碳纖維和熱塑性基體之間的界面粘附性較差,已經應用了不同的表面處理,如化學、等離子體、電化學方法來引入表面官能團并改善界面結合。通過注射成型、壓縮成型、擠出制造工藝等,碳纖維增強熱塑性復合材料已被制成各種具有高抗沖擊性、可修復性和可回收性的輕質部件。
 
  熱塑性碳纖維復合材料及對應的零部件先天具有優勢,但也存在一定的局限性,例如熱塑性碳纖維復合材料單向帶的低拉伸應變和殘余溶劑對最終性能的負面影響;混合薄層、角層和波紋層夾層結構已被用于擴展拉伸失效應變等。在技術尚未成熟之前,熱塑性碳纖維復合材料的廣泛應用還需要大量的研究和實驗。
  
 
  熱塑性碳纖維當下有哪些前景較好的應用方向?
  
  對熱塑性碳纖維復合材料的研究一直都在進行,只是現階段碰到了瓶頸,熱塑性樹脂高溫熔融狀態無法高效浸潤碳纖維絲束,導致制備的熱塑性碳纖維預浸料內部分布不均,嚴重拉低性能水平,另外熱塑性碳纖維預浸料的后續加工同樣面臨諸多難題。只有解決了這些問題,才能讓更多的行業因此收益。
  
 
  1、航空航天:碳纖維復合材料在飛機上的使用是從副翼、配平片和方向舵等輔助結構開始的。CFRP 表現出優異的機械性能,例如高強度重量比和高剛度重量比。隨著技術的進步,纖維和基體性能得到了顯著改善,從而增強了層壓板的性能,使該材料能夠應用于機身、垂直尾翼、尾翼箱和機翼等飛機主要結構,并取代傳統的輕質金屬合金。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、風力發電:根據全球風能理事會的數據,2020年全球風電總裝機量達到約743吉瓦,其中新增風電裝機增長53%,達到93吉瓦。在風力發電葉片上,碳纖維比玻璃纖維具有明顯的優勢,更高的比拉伸模量、更高的比拉伸強度和更高的抗疲勞性能。風力發電機結構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,預計2025年將超過81噸。熱塑性碳纖維復合材料同樣可以在日益增長的風電設備上廣泛應用。
  
 
  3、汽車制造:自過去十年以來,全球范圍內更嚴格的汽車排放標準和電動汽車的快速增長促使該行業重新使用碳纖維以減輕重量,在汽車結構中采用CFRP復合材料等輕質材料是最直接的減重方法。2013年碳纖維消費大幅增長,并持續增長趨勢。2021 年,碳纖維需求量為9.5噸,預計2024年將達到12.6噸以上。我國是全球電動汽車最大的生產工廠,同樣是最大的終端市場,熱塑性碳纖維應用于汽車上可以提供更強勁的加速表現,同時也提供更好的安全保護。
  
 
  4、壓力容器:高壓氣體儲存容器是先進復合材料(尤其是長絲纏繞碳纖維復合材料)最大且增長最快的市場之一。由于碳纖維復合材料優異的疲勞性能, III型和IV型CFRP復合材料壓力容器的使用壽命可達30年。V型全碳纖維復合材料無襯里儲罐于2012年首次制造,用于在衛星組件中儲存氬氣。熱塑性碳纖維復合材料單向帶的應用之一,就是制作壓力容器,未來儲存高壓氫氣、氬氣等,都具有廣闊的市場前景。
  
  5、體育運動:由碳纖維制成的主要產品是高爾夫球桿、釣魚竿和網球拍。自2010年以來,全球碳纖維在運動休閑裝備中的使用呈穩步增長趨勢。2021 年,體育運動中使用的碳纖維數量達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領域,分別占總消費量的27.6%和25.4%。熱塑性碳纖維復合材料制作的體育用品,有望推動競技體育達到更高的極限,而隨著產能提升該類型體育用品的價格持續走低,更容易走進日常生活。
  
 
  廢棄碳纖維產品的回收迫在眉睫,執行環節有待完善
  
  熱塑性碳纖維復合材料的產能提升,確實可以帶動碳纖維產業的飛速發展,同樣可以推動航空航天、風力發電、汽車制造、壓力容器等產業的進步,但后續同樣會面臨一個問題,那就是如何高效回收破損廢棄的熱塑性碳纖維產品。以目前熱塑性碳纖維復合材料及產品較低的產能,預計到2025年,就可能在制造過程中產生每年2萬噸的廢物和報廢部件,未來如果產能大幅提升,這些廢棄物的數量同樣會大幅度上升。
  
  從原材料到產品,復合材料制造過程中會產生大量廢物,包括干纖維/織物、固化或未固化的預浸料、切斷、試片、未通過認證的產品等。碳纖維復合材料生產的平均報廢率約32.4%。根據制造工藝或應用領域的不同,航空高壓釜制造和RTM工藝的傳統制造的報廢率超過50%,體育用品的手工生產的報廢率為4-8%。對于更現代的復合材料制造工藝,模塑和復合工藝的報廢率為30-50%,拉擠工藝為5-10%,纖維纏繞工藝為2-3%。
  
 
  當然隨著制造工藝的進一步成熟,生產報廢率將下降。盡管比例很小,但碳纖維增強塑料垃圾的總量并不小,加上碳纖維產業的產能還在極速的增長,對應的碳纖維廢棄物也隨著增加。目前,熱固性碳纖維復合材料的廢棄物大多被填埋處理,而熱塑性碳纖維復合材料具有較好的可回收性,如果有相關的企業接手,有對應的法律法規監管,可以有效改善現階段碳纖維類廢棄物低效處理的困境。智上新材料認為,碳纖維及復合材料給我們的生活提供了便利和價值,我們在受益的同時,也要做好回收工作,保護環境,就是保護文明的延續。