復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同物理特性或不同化學(xué)物質(zhì)通過復(fù)合，組成多相、三維結(jié)合且各相之間有明顯界面、具有特殊性能的材料，主要由增強(qiáng)材料和基體材料組成，其最大的特點(diǎn)是復(fù)合后材料的性能優(yōu)于構(gòu)成該復(fù)合材料的單一材料性能。

纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料是復(fù)合材料中的重要一支，用玻璃纖維（GF）、碳纖維（CF）、芳綸纖維（AF）及其它纖維材料，對(duì)各種熱塑性樹脂進(jìn)行增強(qiáng)，國(guó)外稱之為FRTP（Fiber Reinforced ThermoPlastics）。先進(jìn)的纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料具有韌性耐蝕性和抗疲勞性高、成型工藝簡(jiǎn)單周期短、材料利用率高（無(wú)廢料）、無(wú)需低溫貯存等優(yōu)異性能，而成為了材料行業(yè)研究的熱點(diǎn)。

FRTP的典型性能優(yōu)勢(shì)

熱塑性復(fù)合材料FRTP成熟應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了，與酚醛樹脂、脲醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氨酯等熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料具有一些特殊的性能：

◆ 密度小、強(qiáng)度高：FRTP的密度為1.1-1.6g/cm3，僅為鋼材的1/5-1/7，比熱固性玻璃鋼輕1/3-1/4，能夠以較小的單位質(zhì)量獲得更高的機(jī)械強(qiáng)度及應(yīng)用檔次。

◆ 性能可設(shè)計(jì)性的自由度大：FRTP的物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能都是通過合理選擇原材料種類、配比、加工方法、纖維含量和鋪層方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于基體材料種類比熱固性復(fù)合材料多很多，最主要的包括聚醚酮酮（PEKK）、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、尼龍（PA）、聚醚酰亞胺（PEI）等，因此，其選材設(shè)計(jì)的自由度也就大得多。

◆ 熱性能：一般塑料的使用溫度為50-100℃，用玻璃纖維增強(qiáng)后，可提高到100℃以上。PA6的熱變形溫度為65℃，用30%玻纖增強(qiáng)后，熱變形溫度可提高到190℃。PEEK的耐熱性達(dá)220℃，用30%玻纖增強(qiáng)后，使用溫度可提高到310℃，熱固性復(fù)合材料是達(dá)不到如此高的耐熱性的。

◆ 耐化學(xué)腐蝕性：主要由基體材料的性能決定，熱塑性樹脂的種類很多，每種樹脂都有自己的防腐特點(diǎn)，因此，可以根據(jù)復(fù)合材料的使用環(huán)境和介質(zhì)條件，對(duì)基體樹脂進(jìn)行優(yōu)選，一般都能滿足使用要求。FRTP的耐水性也優(yōu)于熱固性復(fù)合材料。

◆ 電性能：FRTP一般都具有良好的介電性能，不反射無(wú)線電電波，透過微波性能良好等。由于FRTP的吸水率比熱固性玻璃鋼小，故其電性能優(yōu)于后者。在FRTP中加入導(dǎo)電材料后，可改善其導(dǎo)電性能，防止產(chǎn)生靜電。

◆ 廢料能回收利用：FRTP可重復(fù)加工成型，廢品和邊角余料能回收利用，而物理機(jī)械性能并不發(fā)生顯著的變化，不會(huì)造成環(huán)境污染，很好地適應(yīng)了當(dāng)今世界對(duì)材料產(chǎn)業(yè)所提出的環(huán)保要求。

FRTP的分類

FRTP的種類繁多，這個(gè)行業(yè)也充斥著太多的術(shù)語(yǔ)英文簡(jiǎn)稱，可謂剪不斷，理還亂。

按照制品中纖維保留尺寸（L）可以分為：短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（SFRT，L＜1.0 mm）、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（LFT或LFRT，一般L＞10 mm）、連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料塑料（CFRT，一般纖維連續(xù)不切斷）。

與SFRT相比，LFT具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量和抗沖擊性強(qiáng)等特性，適用于嚴(yán)苛的應(yīng)用條件，這也成為L(zhǎng)FT受到下游應(yīng)用行業(yè)青睞的主要原因之一。應(yīng)用較為普及的LFT材料大致可以歸納為三大類：玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性塑料GMT（Glass Mat Reinforced Thermoplastics）、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料粒料LFT-G（Long-Fiber Reinforced Thermoplastic Granules）和長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料直接在線成型LFT-D（Long-Fiber Reinforced Thermoplastic Direct）。

而CFRT可循環(huán)使用，具有高比強(qiáng)度和比剛度、良好的耐腐蝕性、耐沖擊性、耐熱性、低成本以及設(shè)計(jì)靈活性，在汽車輕量化設(shè)計(jì)中具有巨大的應(yīng)用潛力，可替代部分金屬材料和高端聚合物材料。

FRTP的應(yīng)用

隨著剛性、耐熱性及耐介質(zhì)性能優(yōu)良的芳香族熱塑性樹脂基體（如PEEK、PPS）的出現(xiàn)，以及具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能的碳纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等高性能纖維的發(fā)展，使先進(jìn)FRTP應(yīng)用在越來(lái)越廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，如：軌道交通、汽車、航空航天、家電用具、電力等行業(yè)。

◆ 航空航天

FRTP具備高剛度、低加工成本和重新加工能力，擁有良好的阻燃、低煙和無(wú)毒性能，固化周期可以以分鐘記，這些固有屬性使其成為輕質(zhì)、低成本航空結(jié)構(gòu)的理想材料。

在航空機(jī)體結(jié)構(gòu)件中，F(xiàn)RTP主要應(yīng)用在地板、前緣、控制面和尾翼零件上，這些零件都是外形比較簡(jiǎn)單的次承力構(gòu)件?？湛虯380客機(jī)、空客A350客機(jī)、灣流G650公務(wù)機(jī)和阿古斯塔·韋斯特蘭AW169直升機(jī)都是熱塑性機(jī)體結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用大戶?？湛虯380客機(jī)上最重要的FRTP結(jié)構(gòu)件是玻璃纖維/PPS材料的機(jī)翼固定前緣?？湛虯350客機(jī)機(jī)體的FRTP主要分布在可移動(dòng)翼梁和肋上以及機(jī)身連接。灣流G650公務(wù)機(jī)在FRTP應(yīng)用方面是一個(gè)里程碑，它的壓力隔框肋板則使用了碳纖維/PEI材料，而方向舵和升降舵都使用了碳纖維/PPS材料（圖1）。

◆ 汽車

開發(fā)低成本、短周期和高質(zhì)量的復(fù)合材料技術(shù)成為推動(dòng)汽車輕量化的關(guān)鍵要素之一。國(guó)內(nèi)很多車企都已經(jīng)與有先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的注塑設(shè)備企業(yè)取得合作。在乘用車中應(yīng)用為：座椅及其骨架、車窗導(dǎo)槽、門內(nèi)板、保險(xiǎn)杠支架、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前端托架、腳踏板、儀表板骨架、導(dǎo)流板、車廂底板、備胎箱、蓄電池托架、汽車進(jìn)氣歧管。國(guó)內(nèi)汽車中帕薩特、POLO、寶來(lái)、奧迪A6、高爾夫、別克凱越、別克GL8商務(wù)車等車型已采用大量高性能FRTP零部件，其中大部分采用了GMT或者LFT（圖2）。

在箱式貨車方面的應(yīng)用，主要是PP蜂窩復(fù)合板，替代目前箱式貨車中的鋼制框架外蒙鋁合金小波紋板和鋼制瓦楞板。

◆ 軌道交通

按承力特征大致可分為兩類：復(fù)合材料主承力件和復(fù)合材料非主承力件。復(fù)合材料主承力件主要是指列車車體、司機(jī)室和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等列車的大型承力構(gòu)件，它是復(fù)合材料取代傳統(tǒng)材料，實(shí)現(xiàn)車輛輕量化的關(guān)鍵。而復(fù)合材料非主承力件可分為非主承力件（如車身、地板和座椅等非主承力件）和輔助件（洗漱間、廁所和水箱等輔助構(gòu)件）。

常見的FRTP成型工藝

由原材料轉(zhuǎn)化為FRTP結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品的關(guān)鍵工藝步驟是成型工藝，是該行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和條件。隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，復(fù)合材料工業(yè)得到迅速發(fā)展，一些成型工藝日臻完善，新的成型方法不斷涌現(xiàn)，目前FRTP的成型方法已有20多種，并成功地用于工業(yè)生產(chǎn)。下面從這些方法中挑選幾個(gè)使用較多的成型方法來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

◆ 注射成型

注射成型是FRTP的主要生產(chǎn)方法，歷史悠久，應(yīng)用最廣。其優(yōu)點(diǎn)是成型周期短，能耗最少，產(chǎn)品精度高，可一次成型復(fù)雜及帶有嵌件的制品，一模能生產(chǎn)幾個(gè)制品，生產(chǎn)效率高。缺點(diǎn)是對(duì)生產(chǎn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和對(duì)模具質(zhì)量的要求較高。根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展水平，注射成型的最大產(chǎn)品為5kg，最小到1g，這種方法主要用來(lái)生產(chǎn)各種機(jī)械零件、建筑制品、家電殼體、電器材料、車輛配件等。

FTRP成型技術(shù)已經(jīng)在汽車結(jié)構(gòu)部件中得以量產(chǎn)化應(yīng)用。目前，已經(jīng)有數(shù)家注塑設(shè)備供應(yīng)商，國(guó)外即ENGEL恩格爾、KraussMaffei克勞斯瑪菲等，國(guó)內(nèi)即伯樂塑機(jī)等，走在該技術(shù)的最前沿。

伯樂塑機(jī)的長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料直接注塑成型（在線混煉注塑成型）LFT-D-IM，是把擠出機(jī)的連續(xù)生產(chǎn)和注塑機(jī)的間歇生產(chǎn)結(jié)合在一起，經(jīng)過雙螺桿配混的材料直接注入模具內(nèi)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)工序、多種材料一次成型，降低能耗，提高效率，減少材料的熱降解，提高產(chǎn)品性能。該技術(shù)廣泛適用于汽車、家電、新能源、軌道交通、航空以及消費(fèi)電子等領(lǐng)域（圖3）。

阿博格ARBURG在Chinaplas2022展覽會(huì)上將展出一臺(tái)大型液壓注塑機(jī)ALLROUNDER 820 S，它針對(duì)纖維直接混料注塑（fibre direct compounding，F(xiàn)DC）進(jìn)行了優(yōu)化，具有4000kN合模力和3200的注射單元，配備70毫米專用螺桿，用于加工長(zhǎng)玻璃纖維。FDC是一種輕量化工藝，通過一個(gè)注射單元旁的側(cè)面給料裝置將長(zhǎng)達(dá)50毫米的纖維直接送入液態(tài)熔液中，特點(diǎn)在于材料可用性高，相較于特殊長(zhǎng)纖維顆粒，成本降低多達(dá)40 %。通過FDC工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品是塑料加工行業(yè)一種創(chuàng)新技術(shù)，特別在汽車制造和航空航天行業(yè)通過個(gè)性化調(diào)節(jié)玻纖長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)需要的物理性能（圖4）。

◆ 擠出成型

擠出成型是FRTP制品生產(chǎn)中應(yīng)用較廣的工藝之一。其主要特點(diǎn)是生產(chǎn)過程連續(xù)、生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、技術(shù)容易掌握等。擠出成型工藝主要用于生產(chǎn)管、棒、板及異型斷面型等產(chǎn)品。

◆ 纏繞成型

FRTP的纏繞成型工藝是先將浸漬樹脂的連續(xù)纖維（預(yù)浸紗）預(yù)熱，并纏繞在芯軸上，同時(shí)持續(xù)加熱使樹脂熔融，再通過施加壓力使預(yù)浸料逐層粘合成一體，逐層粘合、冷卻后得到相應(yīng)構(gòu)件制品。此法適于制造圓筒和球狀制品，再現(xiàn)性較好，性能較穩(wěn)定。

◆ 拉擠成型

拉擠成型工藝（pulling extrusion，pultrusion）是將預(yù)浸紗在牽引力的作用下，通過擠壓模具成型、固化，連續(xù)不斷地生產(chǎn)長(zhǎng)度不限的中空、異型制品。

若需要得到長(zhǎng)而薄的門窗型材或混凝土鋼筋，就到了拉擠工藝粉墨登場(chǎng)的時(shí)候了。拉擠型材中的纖維與載荷方向完全一致，令到成品在材料和重量方面特別的優(yōu)秀。2017年，KraussMaffei率先推出了拉擠交鑰匙成套系統(tǒng) - 艾譜iPul（圖5），并在建筑、風(fēng)能和汽車行業(yè)持續(xù)地產(chǎn)生出濃厚的興趣。艾譜系統(tǒng)整合了樹脂注射與型材牽引線，可以將玻璃纖維和碳纖維實(shí)現(xiàn)拉擠成型工藝的全過程控制，助力復(fù)合材料型材生產(chǎn)提升效率，降低成本。iPul系統(tǒng)帶有模具、計(jì)量機(jī)器和各種附件，可達(dá)到3米/分鐘的高生產(chǎn)速度。與材料合作伙伴科思創(chuàng)Covestro、亨斯邁Huntsman和贏創(chuàng)Evonik的密切合作，使得對(duì)高反應(yīng)性基體材料的處理成為可能。

熱塑性復(fù)合材料拉擠專家——法國(guó)CQFD公司開發(fā)了原位拉擠工藝，即纖維紗或織物在外力牽引下，浸潤(rùn)己內(nèi)酰胺單體和引發(fā)劑后，在定型模具內(nèi)成型和加熱聚合，最終制成產(chǎn)品。該工藝成型的制品的纖維體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到70%，纖維方向上拉伸模量可以達(dá)到60 GPa（增強(qiáng)纖維為玻璃纖維），具有優(yōu)良的比強(qiáng)度和比模量。這一工藝應(yīng)用于CQFD公司與彼歐公司、現(xiàn)代汽車一同開發(fā)的FRTP防撞梁，其主體成型采用原位拉擠工藝，材質(zhì)為連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)PA6（商品名為C-SHOCK?），隨后通過包覆注塑工藝，引入防撞梁的安裝點(diǎn)，整個(gè)方案相比金屬梁方案減重43%（3.7 kg）。隨著未來(lái)幾年碳纖維的成本有可能降低，這一突破性概念將有助于汽車行業(yè)的減重目標(biāo)，以達(dá)到節(jié)能目標(biāo)（圖6）。

◆ 模壓成型

模壓成型是將熱塑性預(yù)浸料裁剪鋪疊后，放入模具中升溫加熱，待升溫至成型溫度后，通過壓機(jī)對(duì)預(yù)浸料鋪層進(jìn)行加壓，固化得到板材、片材或其他簡(jiǎn)單形狀的制品。這種方法的成型周期一般在幾十秒至幾分鐘內(nèi)完成，能耗、生產(chǎn)費(fèi)用均較低，生產(chǎn)率高，是目前FRTP成型加工中最常見的一種成型方法，主要用于生產(chǎn)汽車車門、儀表盤、前端框架、車內(nèi)板等。

對(duì)于一些復(fù)雜的特征、安裝位及加強(qiáng)筋，使用模壓成型很難實(shí)現(xiàn)，因此市場(chǎng)上出現(xiàn)了模壓結(jié)合注塑的成型工藝，如ENGEL的Organomelt工藝、KraussMaffei的FiberForm工藝、伯樂的OIHM工藝。

KraussMaffei于2018年在美國(guó)NPE展覽上首推的FiberForm工藝，是熱成型技術(shù)和注塑成型的完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高度的功能集成，可應(yīng)用于座椅托架和靠背、儀表板支架、車門模塊、側(cè)面防撞保護(hù)裝置、蓄電池支架等部件。該工藝分為六個(gè)步驟（圖7）：先提取片材預(yù)料，在烘箱內(nèi)對(duì)其進(jìn)行加熱處理，緊接著移至模具，合模熱壓成型。在此基礎(chǔ)上背部注塑，最終開模取件。該工藝不僅能組合使用輕量化材料與設(shè)計(jì)，提高復(fù)合材料強(qiáng)度，還易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在緊湊的空間內(nèi)完成高效的生產(chǎn)。fiberForm技術(shù)應(yīng)用在減少材料用量的同時(shí)，可大大減少材料生產(chǎn)中的碳排放量，助力“雙碳”可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

◆ 樹脂傳遞模塑成型（RTM）

樹脂傳遞模塑工藝（RTM）是在模具內(nèi)先把增強(qiáng)材料預(yù)料及嵌件裝好并夾緊后，通過適當(dāng)位置的注入口，以一定溫度和一定壓力注入樹脂，然后固化成型，開模即得制品。此法對(duì)設(shè)備、模具要求不高，投資少，生產(chǎn)成本低，可生產(chǎn)其它壓力成型方法無(wú)法制造的大型制品，適于制造質(zhì)量15-25kg的產(chǎn)品，是近年來(lái)發(fā)展較為迅速的適宜多品種、中批量、高質(zhì)量的先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝，主要用于生產(chǎn)汽車車身板、保險(xiǎn)杠、齒輪箱殼體、小卡車車廂等。

在高效生產(chǎn)大型、堅(jiān)固的輕量化結(jié)構(gòu)零部件時(shí)，采用ENGEL公司的HP-RTM高壓樹脂傳遞模塑技術(shù)，將干燥的纖維半成品在注入的樹脂中浸漬，然后在加熱條件下固化，可生產(chǎn)出具有更好的成形性和高品質(zhì)的平面形汽車零部件，如品質(zhì)和堅(jiān)固性上乘的車頂系統(tǒng)、車身件（圖8）。

市場(chǎng)現(xiàn)狀與前景

雖然FRTP被許多人看作是下一個(gè)材料技術(shù)突破，但多年下來(lái)，其應(yīng)用仍顯有限，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的滲透率并未達(dá)預(yù)期。究其原因，可能要從技術(shù)、性能、成本幾個(gè)方面來(lái)尋找答案。

首先，與熱固性復(fù)合材料相比，F(xiàn)RTP的初始成本往往會(huì)更高，加工溫度較高，工裝模具的成本通常也較高，傳統(tǒng)的零件制造商可能不熟悉現(xiàn)代的FRTP加工技術(shù)，其局限性往往就會(huì)被放大，認(rèn)為FRTP比不上熱固性復(fù)合材料。FRTP的優(yōu)勢(shì)和利用價(jià)值沒有得到充分認(rèn)識(shí)和開發(fā)，直接影響到了市場(chǎng)需求量的正常增長(zhǎng)，從供需源頭上阻礙了FRTP的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。其次，F(xiàn)RTP制造技術(shù)要求高，在一定程度上限制了一些技術(shù)水平和生產(chǎn)能力不夠的企業(yè)進(jìn)入。再者，原材料成本高，高端的熱塑性樹脂價(jià)格也是普通的熱固性環(huán)氧樹脂的數(shù)十倍，再加上制作技術(shù)要求高，種種因素的疊加，導(dǎo)致了FRTP，特別是使用PEEK、PI這些高端的熱塑性樹脂為基體的復(fù)合材料制品的價(jià)格令人望而生畏，下游應(yīng)用需求遭到扼制。最后，我國(guó)仍缺乏材料制備和結(jié)構(gòu)成型相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備。

盡管如此，一旦當(dāng)技術(shù)質(zhì)量達(dá)到了要求，當(dāng)價(jià)格成本降到了市場(chǎng)能接受的范圍，當(dāng)科研成果很好地轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，隨著航空制造、汽車、電子電氣、風(fēng)能、高端醫(yī)療設(shè)備、智能化機(jī)械等行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)的FRTP產(chǎn)業(yè)必將迎來(lái)一個(gè)新的發(fā)展階段，在未來(lái)幾年收獲更多的市場(chǎng)機(jī)遇和份額空間，前景依然值得期待。（作者：馮大勇，來(lái)源：榮格-《國(guó)際塑料商情》）