Los polímeros son uno de los materiales más utilizados y conocidos del siglo XXI. Sin embargo, los polímeros puros no son suficientes para su uso en industrias que requieren gran resistencia y excelente resistencia al calor. Como resultado, los compuestos termoplásticos son los materiales preferidos, y la creación de estos nuevos materiales requerirá superar obstáculos como el alto consumo de energía, los elevados costos de los materiales, la confiabilidad y la reciclabilidad.

La fibra de carbono (CF) ha atraído la atención del mercado debido a sus excelentes características como peso ligero, resistencia a altas temperaturas, baja densidad, alto módulo y buena resistencia química. CF también es un material único con una alta relación resistencia-peso, baja toxicidad, reciclable, no corrosivo y buena resistencia al desgaste. En general, el CF tiene importantes propiedades eléctricas, físicas, mecánicas y térmicas. El material compuesto termoplástico se refiere al polímero termoplástico (como polietileno (PE), poliamida (PA), sulfuro de polifenileno (PPS), polieterimida (PEI), poliéter cetona cetona (PEKK) y poliéter éter cetona (PEEK) como matriz. Materiales compuestos hechos de diversas fibras continuas/discontinuas (como fibra de carbono, fibra de vidrio, fibra de aramidón, etc.) como materiales de refuerzo.

Los compuestos termoplásticos reforzados con fibra de carbono (CFRTP) tienen excelentes propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas, lo que los hace ampliamente utilizados en aplicaciones de edificación y construcción, marítimas, automotrices, de artículos deportivos y aeronáuticas.

La fibra de carbono es un material prometedor para reforzar la matriz polimérica. Existen varios tipos de materiales CF dependiendo de sus precursores/materias primas, propiedades y temperaturas de procesamiento en la etapa de tratamiento térmico. Las CF también se pueden clasificar según fibras discontinuas y continuas (la orientación de las fibras dentro de la matriz) o su longitud. Como resultado, muchos fabricantes producen diferentes tipos de CF. Por ejemplo, los compuestos basados ​​en fibras discontinuas se utilizan en aplicaciones de gran volumen donde se requiere que las propiedades sean casi isotrópicas. Los compuestos continuos a base de fibra, por otro lado, se usan ampliamente en aplicaciones de bajo volumen donde se requieren propiedades mecánicas más altas en una o ambas direcciones, como vigas de soporte, placas de impacto y contención.

Los compuestos de fibra de carbono a base de resina termoplástica tienen cristalización y transición vítrea durante el procesamiento, mientras que los compuestos de fibra de carbono a base de resina termoestable tienen reacciones de reticulación y curado. Desde el punto de vista de la dificultad del proceso, el compuesto de fibra de carbono termoplástico es más difícil de infiltrar que el compuesto de fibra de carbono termoestable en el proceso de preparación, pero al mismo tiempo, las ventajas también son obvias: tiene un ciclo de moldeo corto, buen impacto Resistencia, soldable, puede realizar moldeado secundario y alta libertad de diseño estructural.

Varias piezas fabricadas con materiales compuestos termoplásticos reforzados con fibra de carbono tienen las ventajas de baja densidad, alta resistencia, tenacidad relativamente alta, reciclaje y reutilización, y tienen una amplia gama de perspectivas de aplicación en los campos aeroespacial, militar, de maquinaria de alta gama, médico y otros. .

Cinco principales compuestos termoplásticos reforzados con fibra de carbono

1. PPS reforzado con fibra de carbono
El PPS es una resina termoplástica semicristalina con excelentes propiedades mecánicas, resistencia a la erosión química, retardante de llama, etc. El método de refuerzo de la fibra de carbono también tiene un efecto muy evidente en el rendimiento del PPS. En el rango inferior al 50 %, cuanto mayor sea la proporción en volumen de fibra de carbono en el material compuesto termoplástico, mayores serán las propiedades mecánicas del material compuesto.

2. PI reforzado con fibra de carbono
En los materiales compuestos PI reforzados con fibra de carbono, la fibra de carbono es el refuerzo y la principal estructura de soporte de carga, mientras que la matriz de resina desempeña principalmente el papel de conectar la fibra y transferir la carga, que puede transferir y resistir el corte. tensión, resistir la carga de tracción y compresión perpendicular a la fibra y proteger la fibra de daños.

Cuando el material compuesto se somete a una fuerza externa, la fibra de carbono y la resina matriz en su conjunto, de modo que la deformación de la fibra de carbono y la resina matriz es igual, pero debido a que el módulo elástico de la fibra de carbono es mucho mayor que el de la resina de matriz, cuando la fibra de carbono y la resina de matriz están bajo la misma tensión, la tensión de la fibra de carbono será mucho mayor que la de la resina de matriz. Por lo tanto, la fibra de carbono soporta la mayor parte de la carga de tensión aplicada del compuesto.

Sin embargo, la superficie de la fibra de carbono es lisa e inerte, el área de superficie específica es pequeña, el borde de los átomos de carbono activo, la energía superficial es baja y la infiltración de la matriz PI y la adhesión de la interfaz de dos fases es pobre, fácil de forman espacios y defectos en la interfaz, la resistencia al corte entre capas es baja, lo que resulta en una baja resistencia de unión de la interfaz.

Por lo tanto, las propiedades del compuesto de PI reforzado con fibra de carbono no solo dependen de las propiedades respectivas de la fibra de carbono y el PI, sino que también están estrechamente relacionadas con las propiedades de unión de la interfaz entre ellos.

3.
El nailon PA (PA) reforzado con fibra de carbono, como plástico de ingeniería termoplástico común, tiene más de medio siglo de desarrollo, es el más utilizado en plásticos de ingeniería, sus productos han desempeñado un papel importante en la industria automotriz, maquinaria, petroquímica, Textil, transporte, construcción, electrónica, metalurgia y otros campos industriales.

El nailon (PA) en sí tiene un rendimiento excelente, pero también tiene ciertas deficiencias, como una gran absorción de humedad, mala estabilidad dimensional de los productos, resistencia y dureza como el metal, etc., que afectan hasta cierto punto su valor de aplicación. Para superar estos defectos, se puede utilizar un refuerzo continuo de fibra de carbono para mejorar su rendimiento. El nailon reforzado con fibra de carbono, un material compuesto, incorpora plenamente las ventajas de rendimiento del refuerzo y la matriz, y la resistencia y rigidez son significativamente mayores que las del nailon no reforzado. PA66-NA-LCF40 de Xiamen LFT aumentó diez veces la resistencia a la tracción de la resina PA66 pura. En ambientes de alta temperatura, este material compuesto tiene una menor fluencia, buena estabilidad dimensional y mejor resistencia al desgaste.

4. Material compuesto de poliéter éter cetona (PEEK) reforzado con fibra de carbono
El compuesto de PEEK reforzado con fibra de carbono es un tipo de material compuesto con poliéter éter cetona (PEEK) de plástico de ingeniería especial como matriz de resina de fase continua y fibra de carbono (CF) como refuerzo de fase dispersa. En la actualidad, los compuestos termoplásticos reforzados con fibra de carbono continua se utilizan principalmente en los campos aeroespacial, satelital, militar y otros.

5. Material compuesto CF/PEI
PEI es un tipo de polímero amorfo de alto rendimiento con excelentes propiedades mecánicas, aislamiento eléctrico, resistencia a la radiación, resistencia a altas y bajas temperaturas y resistencia al desgaste. Los compuestos CF/PEI con diferentes orientaciones CF tienen diferentes propiedades de fricción, módulo de tracción, tenacidad y deformación. A través del proceso de modificación, se puede mejorar la interfaz entre la matriz CF y PEI, de modo que la cantidad de fibras extraídas cuando el material se rompe se reduce considerablemente y la resistencia a la tracción, el límite elástico, el módulo elástico y el coeficiente elástico de CF/PEI. Se mejoran los compuestos.