连续纤维增强热塑性复合材料CFRTP及GFRTP的市场动向

方鲲^1，2   刘康^1，2   薛忠民³   乔治⁴   李同辉⁴

1.北京热塑性复合材料工程技术研究所

2.北京纳盛通新材料科技有限责任公司

3.中材科技股份有限责任公司

4.中化集团塑料公司

关键词  连续纤维、热塑性树脂、CFRTP、GFRTP

近年来，在汽车行业，作为HV（混合动力）、PHV（插入时混合动力）、EV（电动汽车）、及FCV（氢能源燃料电池车）等轻量化和高强度的解决方法之一，连续纤维增强热塑材料CFRTP和GFRTP非常引人注目。其中一个主要原因是连续纤维热塑性树脂与热固性树脂CFRP和GFRP的成型周期不同，可以在60秒内快速成型。作为增强纤维，不是短纤维或长纤维，而是使用碳或玻璃的连续纤维，而且纤维长度越长，越能实现高强度、高刚性的要求。

德国特种化学品巨头朗盛公司(Bond Laminates) 自1997年创业以来，生产连续纤维热塑材料Tepex，从体育用品，逐渐到汽车、飞机、通信设备、一般产业等领域的各种产品，得到了广泛的采用和推广。2005年宝马汽车首次将热塑性树脂用于汽车结构部件，2014年在多个车型中得到应用。

2012年Bond Laminates公司成为德国化学公司Lanxess公司的集团成员，加快了生产设备的升级和新产品的开发，凭借这样的联合，加速了新成型技术的多样性的实现和整体成本的下降，2014年连续纤维热塑性树脂的年生产能力超过400万㎡。

为了实现量产，需要有稳定的质量和革新的成型技术作支持。同时成本也是一个重要因素。本文就连续性纤维材料的特征、成型方法、用途及市场动向进行了阐述。

所谓连续纤维热塑性材料是指将连续纤维完全浸渍在热塑性树脂后的中间材料，通常以片材（平板）的形式提供，不需要像热固性树脂那样，需要操作人员在无尘车间里一层一层的铺层，而是如图1所示，用所定要求厚度的片材，并且可在常温下保存。

图1 连续纤维热塑性铺层

标准增强纤维和热塑性树脂组合的标准规格如表1所示。

表1 增强纤维和热塑性树脂的组合

宽度：620mm、860mm、1250mm

长度：任意

板材厚度：0.25~6.0mm（使用不同树脂，板材的最大厚度不同）

除了上述材料之外，也有PC（聚碳酸酯）阻燃(UL94V-0)等材料。铺层方式可以按需求定制。

如图2所示连续纤维热塑性板材，可利用如图3所示皮带式连续复合压机生产制造。将卷装碳丝或玻璃丝根据所需的铺层数量，进行加热、加压，浸渍可塑性树脂，冷却后剪切成所需的尺寸即可。

图2 各种增强纤维可塑性树脂板材

图3 皮带式连续复合压机（用于层压加工热塑性复合材料板）

连续纤维热塑性材料PA6/碳纤维和PA6/玻璃纤维的机械性能如表2所示。

表2 连续纤维热塑性材料的机械性能比较（碳纤维和玻璃纤维）

由表中数据可知，碳纤维的密度为1.45，比玻璃纤维的密度1.8轻，而且所有的指标，碳纤维都优于玻璃纤维。但是相对于玻璃纤维的价格100，碳纤维的价格为1000~2000，所以在设计产品使用哪种材料更为合适时，需要考虑比重的差0.35与价格之间的平衡关系，根据用途选择最佳材料。

如图4所示连续纤维可塑性材料的冲压成形。当把连续纤维热塑材料预热到成型温度时，坚硬的片材（平板）变得像湿毛巾一样柔软，此时施加一定的压力，即可完成3D成型。一般情况下，各成型法所需压力如下：

隔膜成型（压空成形）：3~5bars

冲压成型：5~10bars

压缩成型：100bars以上

成形的关键词是在树脂中控制纤维的流动，与金属不同，纤维不会伸长。

2010年在德国杜塞尔多夫举行的K-show中，Krauss Maffei公司和Engel公司使用连续纤维热塑材料进行了60秒的混合成型的演示，给参观者带来了巨大的冲击。2013年的K-show中，除了上述两家公司之外，Arburg公司共计3家公司进行了4次演示。所谓混合成型是指，通过注塑装置，用一个模具将连续纤维热塑材料进行3D弯曲，在60秒内完成包括打孔在内的所有操作，而且不需要后续加工制作成品。采用混合成型可以减少零件数量。材料成本比铁高，但GFRTP比铁便宜，可实现50%的轻量化的目标。为了实现量产，混合成型起着重要的作用。从几年前开始，从德国采购的汽车零部件均是混合成型的产品。

在日本，东芝机械在2012年首次披露了混合成型的工艺技术，曾在2015年的展会上展示过5次。

所有这些德国和日本的混合成型所使用的材料均是Tepex的产品。如图5所示，混合成型加工的产品。

连续纤维作为强化纤维，机械强度优于短纤维和长纤维，但短纤维和长纤维更容易成型。增强纤维长度与成型性的关系如图6所示。

图4 冲压成型

图5 混合成型产品示例

图6 混合成型纤维长度与成型性的关系

成型以外的盲点是加热器。常有人问：“什么样的加热器适合连续纤维热塑材料的成型？”。如果是试制的话，热塑性树脂达到成型温度的话基本上没有问题，但考虑到批量生产时，这是一个非常重要的因素之一。

从几年前开始，欧洲就采用中波长的加热器，这是有合理理由的，红外线加热器有短波长、中波长、长波长，热塑性树脂的吸收频率为中波长，由于短波长的透过性好，反过来说能量吸收效率比中波长差。

虽然是中波长，但可以实现像短波长的加热时间（20秒），通过温度的自动调节，防止表面加热过度。如图7所示，在欧洲常被使用的连续纤维热塑材料的专用加热器。

图7 德国Krelus公司中波长加热器

热塑性碳纤维复合材料被广泛的应用于汽车领域（图8）。在汽车以外的领域也有非常广泛的应用（图9）。

图8 汽车零部件领域的应用实例

图9 CFRTP在各领域的应用

目前，该技术已被用于体育用品、汽车、通信设备、飞机等领域，预计今后汽车领域的应用将会大幅度增加。全世界都关注连续纤维热塑性材料的混合成型技术，该技术不仅在欧美，在亚洲各国也拉开了序幕。

作者联系方式

刘康：13520090407

方鲲：13220137198