Polymere sind eines der am häufigsten verwendeten und bekanntesten Materialien des 21. Jahrhunderts. Für den Einsatz in Branchen, in denen hohe Festigkeit und hervorragende Hitzebeständigkeit erforderlich sind, reichen reine Polymere jedoch nicht aus. Daher sind thermoplastische Verbundwerkstoffe die bevorzugten Materialien, und die Entwicklung dieser neuen Materialien erfordert die Überwindung von Hindernissen wie hohem Energieverbrauch, hohen Materialkosten, Zuverlässigkeit und Recyclingfähigkeit.

Kohlenstofffasern (CF) haben aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie geringes Gewicht, Tragfähigkeit bei hohen Temperaturen, geringe Dichte, hoher Modul und gute chemische Beständigkeit die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen. CF ist außerdem ein einzigartiges Material mit einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, geringer Toxizität, recycelbar, nicht korrosiv und guter Verschleißfestigkeit. Im Allgemeinen weist CF bedeutende elektrische, physikalische, mechanische und thermische Eigenschaften auf. Der thermoplastische Verbundwerkstoff bezieht sich auf das thermoplastische Polymer (wie Polyethylen (PE), Polyamid (PA), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherimid (PEI), Polyetherketonketon (PEKK) und Polyetheretherketon (PEEK) als Matrix. mit verschiedenen kontinuierlichen/diskontinuierlichen Fasern (wie Kohlefaser, Glasfaser usw.) als Verstärkung von Verbundwerkstoffen.

Kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe (CFRTP) verfügen über hervorragende thermische, mechanische und elektrische Eigenschaften, wodurch sie häufig in Bau-, Schifffahrts-, Automobil-, Sportartikel- und Flugzeuganwendungen eingesetzt werden. Kohlefaser ist ein vielversprechendes Material zur Verstärkung der Polymermatrix.

Es gibt verschiedene Arten von CF-Materialien, abhängig von ihren Vorläufern/Rohstoffen, Eigenschaften und Verarbeitungstemperaturen in der Wärmebehandlungsphase. CF kann auch nach diskontinuierlichen und kontinuierlichen Fasern (der Ausrichtung der Fasern innerhalb der Matrix) oder ihrer Länge klassifiziert werden. Aus diesem Grund produzieren viele Hersteller unterschiedliche CF-Typen. Beispielsweise werden Verbundwerkstoffe auf Basis diskontinuierlicher Fasern in großvolumigen Anwendungen eingesetzt, bei denen nahezu isotrope Eigenschaften erforderlich sind. Verbundwerkstoffe auf der Basis von Endlosfasern hingegen werden häufig in Anwendungen mit geringem Volumen eingesetzt, bei denen höhere mechanische Eigenschaften in einer oder beiden Richtungen erforderlich sind, wie z. B. Stützbalken, Aufprallplatten und Eindämmungen.

Die auf thermoplastischem Harz basierenden Kohlefaser-Verbundwerkstoffe weisen während der Verarbeitung eine Kristallisation und einen Glasübergang auf, während die auf duroplastischem Harz basierenden Kohlefaser-Verbundwerkstoffe Vernetzungs- und Härtungsreaktionen aufweisen. Unter dem Gesichtspunkt der Prozessschwierigkeit ist der thermoplastische Kohlefaserverbundwerkstoff im Herstellungsprozess schwieriger zu infiltrieren als der duroplastische Kohlefaserverbundwerkstoff, aber gleichzeitig liegen auch die Vorteile auf der Hand: Er hat einen kurzen Formzyklus und eine gute Wirkung Widerstandsfähigkeit, schweißbar, Sekundärformung möglich und hohe Freiheit bei der Strukturgestaltung.

Verschiedene Teile aus kohlenstofffaserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffen weisen die Vorteile geringer Dichte, hoher Festigkeit, relativ hoher Zähigkeit, Recycling und Wiederverwendung auf und bieten vielfältige Anwendungsaussichten in der Luft- und Raumfahrt, im Militär, High-End-Maschinenbau, Medizintechnik und andere Bereiche.

Fünf wichtige kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe

1. kohlenstofffaserverstärktes PPS
PPS ist ein teilkristallines thermoplastisches Harz mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, chemischer Erosionsbeständigkeit, Flammschutz usw. Auch die Verstärkungsmethode der Kohlefaser hat einen ganz offensichtlichen Einfluss auf die Leistung von PPS. Im Bereich unter 50 % sind die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs umso höher, je größer der Volumenanteil der Kohlenstofffasern im thermoplastischen Verbundwerkstoff ist.

Kohlenstofffaserverstärktes Polyphenylensulfid (PPS)ist in den entwickelten Ländern Europas in der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich weit verbreitet, aber der inländische Anwendungsbereich ist im Vergleich dazu immer noch sehr groß, einerseits aufgrund der begrenzten Produktionskapazität von Rohstoffen wie PPS-Harz Zum anderen unterliegt es der Anwendungstechnik kohlenstofffaserverstärkter PPS-Verbundwerkstoffe. Dazu gehört sowohl die Fähigkeit zur Herstellung von Verbundwerkstoffen als auch die Fähigkeit zur Entwicklung von Verbundprodukten. Im Inland wurde die inländische Verbindungsfolie aus kohlenstofffaserverstärktem Polyphenylensulfid (CF/PPS) erfolgreich bei Drohnen eingesetzt. Dies ist das erste Mal, dass inländische thermoplastische Verbundstoffe als tragendes Strukturteil von UAVs verwendet werden, und es ist ein neuer Versuch und eine neue Erkundung, die Anwendung thermoplastischer Verbundstoffe im Bereich von UAVs zu fördern.

(Link: PPS-LCF)

In kohlenstofffaserverstärkten PI-Verbundwerkstoffen ist die Kohlenstofffaser thE-Verstärkung und Haupttragstruktur, während die Harzmatrix hauptsächlich die Rolle der Verbindung der Faser und der Lastübertragung spielt, die Scherspannungen übertragen und aushalten, der Zug- und Drucklast senkrecht zur Faser standhalten und die Faser schützen kann vor Beschädigung.

Wenn das Verbundmaterial einer äußeren Kraft ausgesetzt wird, bilden sich die Kohlenstofffaser und das Matrixharz als Ganzes, so dass die Dehnung der Kohlenstofffaser und des Matrixharzes gleich ist, der Elastizitätsmodul der Kohlenstofffaser jedoch viel größer ist die des Matrixharzes. Wenn die Kohlenstofffaser und das Matrixharz der gleichen Spannung ausgesetzt sind, ist die Spannung der Kohlenstofffaser viel größer als die des Matrixharzes. Daher trägt die Kohlenstofffaser den größten Teil der aufgebrachten Spannungslast des Verbundwerkstoffs.

3. kohlenstofffaserverstärktes PA
Nylon (PA) ist ein weitverbreiteter thermoplastischer technischer Kunststoff mit einer Entwicklungszeit von mehr als einem halben Jahrhundert. Er ist der am weitesten verbreitete technische Kunststoff und seine Produkte spielen eine wichtige Rolle in der Automobil-, Maschinenbau-, Petrochemie-, Textil- und Transportbranche , Bauwesen, Elektronik, Metallurgie und andere Industriebereiche.

Nylon (PA) selbst weist eine hervorragende Leistung auf, weist jedoch in gewissem Maße auch gewisse Mängel auf, wie z. B. eine große Feuchtigkeitsaufnahme, eine schlechte Dimensionsstabilität der Produkte, Festigkeit und Härte als Metall usw., die seinen Anwendungswert beeinträchtigen. Um diese Mängel zu überwinden, kann eine kontinuierliche Kohlefaserverstärkung zur Verbesserung der Leistung eingesetzt werden.

Dieses Verbundmaterial aus kohlenstofffaserverstärktem Nylon spiegelt die Leistungsvorteile der Verstärkung und der Matrix vollständig wider, die Festigkeit und Steifigkeit sind im Vergleich zu unverstärktem Nylon deutlich verbessert und die Zugfestigkeit von reinem PA66-Harz ist um das Zehnfache erhöht. In Umgebungen mit hohen Temperaturen weist dieses Verbundmaterial ein geringeres Kriechen, eine gute Dimensionsstabilität und eine bessere Verschleißfestigkeit auf.

(Link:PA6-LCF)

4. Kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoff aus Polyetheretherketon (PEEK)
PEEK befand sich als aufstrebendes Polymer in China bis 2002 in der Laborforschungs- und Entwicklungsphase, bis inländische Unternehmen die Massenproduktion durchführen konnten. In den letzten Jahren ist die Zahl der inländischen PEEK-Produktionen stetig gestiegen und die Produktqualität hat internationale Standards erreicht, was die Entwicklung faserverstärkter PEEK-Verbundwerkstoffe stark unterstützt.

Kohlenstofffaserverstärkter PEEK-Verbundwerkstoff ist eine Art Verbundwerkstoff mit dem speziellen technischen Kunststoff Polyetheretherketon (PEEK) als kontinuierliche Phasenharzmatrix und Kohlenstofffasern (CF) als Dispersionsphasenverstärkung. Derzeit werden endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt, im Satellitenwesen, im Militär und in anderen Bereichen eingesetzt.

(Link:PEEK-LCF)