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.

Abhängig von ihren Vorläufern/Rohstoffen, Eigenschaften und Verarbeitungstemperaturen in der Wärmebehandlungsphase gibt es verschiedene Arten von CF-Materialien. 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 werden dagegen häufig in Anwendungen mit geringem Volumen eingesetzt, bei denen höhere mechanische Eigenschaften in einer oder beiden Richtungen erforderlich sind, beispielsweise bei Stützträgern, 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 Prozessschwierigkeiten 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 bieten die Vorteile geringer Dichte, hoher Festigkeit, relativ hoher Zähigkeit, Recycling und Wiederverwendung und bieten vielfältige Anwendungsaussichten in der Luft- und Raumfahrt, im Militär, im High-End-Maschinenbau, in der Medizin und anderen Bereichen .

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) wird in den entwickelten Ländern Europas in großem Umfang in der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich eingesetzt, aber die inländische Anwendung ist im Vergleich dazu immer noch sehr groß, einerseits aufgrund der begrenzten Produktionskapazität von Rohstoffe wie PPS-Harz unterliegen dagegen 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 )

2. kohlenstofffaserverstärktes PI

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

Wenn das Verbundmaterial einer äußeren Kraft ausgesetzt wird, bilden sich die Kohlenstofffasern und das Matrixharz als Ganzes, so dass die Dehnung der Kohlenstofffasern und des Matrixharzes gleich ist, da jedoch der Elastizitätsmodul der Kohlenstofffasern viel größer ist als der der Matrixharz: 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.

Allerdings ist die Oberfläche der Kohlefaser glatt und inert, die spezifische Oberfläche ist klein, die Kante der aktiven Kohlenstoffatome ist niedrig, die Oberflächenenergie ist niedrig und die PI-Matrix-Infiltration und die Zweiphasen-Grenzflächenhaftung sind schlecht und leicht zu entfernen Da sich an der Grenzfläche Lücken und Defekte bilden, ist die Scherfestigkeit zwischen den Schichten gering, was zu einer geringen Grenzflächenbindungsfestigkeit führt. Daher hängen die Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärktem PI-Verbundwerkstoff nicht nur von den jeweiligen Eigenschaften von Kohlenstofffaser und PI ab, sondern stehen auch in engem Zusammenhang mit den Grenzflächenbindungseigenschaften zwischen ihnen.

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 haben eine wichtige Rolle in der Automobil-, Maschinen- und Petrochemieindustrie gespielt. Textil-, Transport-, Bau-, 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 beheben, kann eine kontinuierliche Kohlefaserverstärkung eingesetzt werden, um die Leistung zu verbessern.

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

(Link:PA6-LCF)

4. Kohlenstofffaserverstärkter Polyetheretherketon (PEEK)-Verbundwerkstoff
PEEK, als aufstrebendes Polymer, befand sich in China bis 2002 im Laborforschungs- und Entwicklungsstadium, als 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 anderen Bereichen eingesetzt.

(Link:PEEK-LCF)

5. CF/PEI-Verbundwerkstoff
PEI ist eine Art amorphes Hochleistungspolymer mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, elektrischer Isolierung, Strahlungsbeständigkeit, hoher und niedriger Temperaturbeständigkeit und Verschleißfestigkeit. CF/PEI-Verbundwerkstoffe mit unterschiedlichen CF-Ausrichtungen weisen unterschiedliche Reibungseigenschaften, Zugmodule, Zähigkeit und Dehnung auf. Durch den Modifikationsprozess kann die Grenzfläche zwischen CF- und PEI-Matrix verbessert werden, sodass die Anzahl der beim Bruch des Materials herausgezogenen Fasern stark reduziert wird und die Zugfestigkeit, Streckgrenze, der Elastizitätsmodul und der Elastizitätskoeffizient von CF/PEI verbessert werden Verbundwerkstoffe werden verbessert.

Derzeit weisen thermoplastische Verbundwerkstoffe eine bemerkenswerte Reife und Innovation im technischen Stand auf. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie geringes Gewicht, hohe Festigkeit, Recyclingfähigkeit und Verarbeitungsflexibilität werden diese Materialien in verschiedenen Branchen häufig eingesetzt. Das Ausland hat begonnen, es in großem Umfang zu nutzen. Materialanbieter, vertreten durch TenCate, Victrex usw., Anbieter von Automatisierungsausrüstung, vertreten durch Automated Dynamics, und Fertigungsforschungseinheiten, vertreten durch KVE, TPRC, FOKKER usw. Luftfahrtanwendungsunternehmen, vertreten durch Airbus und Boeing, haben sich systematisch weiterentwickelt und ihre Technologien sind zunehmend gewachsen perfekt.


Gleichzeitig zeigt der aktuelle Trend, dass sich thermoplastische Verbundwerkstoffe in Richtung besserer Leistung, geringerer Kosten und mehr Umweltschutz entwickeln. Vor allem in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, im Baugewerbe und in der Elektronik spielen diese Materialien eine immer wichtigere Rolle.