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 de los investigadores 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 (tal como polietileno (PE), poliamida (PA), sulfuro de polifenileno (PPS), polieterimida (PEI), poliéter cetona cetona (PEKK) y poliéter éter cetona (PEEK) como matriz. con varias fibras continuas/discontinuas (como fibra de carbono, fibra de vidrio, etc.) como refuerzo de materiales compuestos.

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.

El sulfuro de polifenileno (PPS) reforzado con fibra de carbono se ha utilizado ampliamente en los campos aeroespacial y militar en los países desarrollados de Europa, pero el nivel de aplicación nacional sigue siendo muy grande en comparación con él, por un lado, debido a la limitación de la capacidad de producción de Materias primas como la resina PPS, por otro lado, está sujeta a la tecnología de aplicación de materiales compuestos de PPS reforzados con fibra de carbono. Esto incluye tanto la capacidad de preparar materiales compuestos como la capacidad de desarrollar productos compuestos. A nivel nacional, la lámina de conexión doméstica de sulfuro de polifenileno (CF/PPS) reforzada con fibra de carbono se ha aplicado con éxito a los drones. Esta es la primera vez que se utiliza un compuesto termoplástico doméstico como parte estructural de soporte de un UAV, y es un nuevo intento y exploración para promover la aplicación del compuesto termoplástico en el campo de los UAV.

(Enlace: PPS-LCF )

2. PI reforzado con fibra de carbono

En los materiales compuestos PI reforzados con fibra de carbono, la fibra de carbono es laEl refuerzo y la estructura principal 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 la tensión de corte, soportar 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.

Nailon reforzado con fibra de carbono, este material compuesto refleja plenamente las ventajas de rendimiento del refuerzo y la matriz, la resistencia y la rigidez mejoran significativamente que el nailon no reforzado y la resistencia a la tracción de la resina PA66 pura aumenta diez veces. En ambientes de alta temperatura, este material compuesto tiene una menor fluencia, buena estabilidad dimensional y mejor resistencia al desgaste.

(Enlace:PA6-LCF)

4. Material compuesto de poliéter éter cetona (PEEK) reforzado con fibra de carbono
El PEEK, como polímero emergente, ha estado en la etapa de investigación y desarrollo de laboratorio en China hasta 2002, cuando las empresas nacionales pueden producirlo en masa. En los últimos años, el número de producción nacional de PEEK ha aumentado constantemente y la calidad del producto ha alcanzado los estándares internacionales, lo que proporciona un fuerte apoyo para el desarrollo de compuestos de PEEK reforzados con fibra.

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.

(Enlace:PEEK-LCF)

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.

En la actualidad, los compuestos termoplásticos muestran una notable madurez e innovación en el estado técnico. Estos materiales se han utilizado ampliamente en varias industrias debido a sus propiedades únicas, como peso ligero, alta resistencia, reciclabilidad y flexibilidad de procesamiento. Los países extranjeros han comenzado a utilizarlo a gran escala. Proveedores de materiales representados por TenCate, Victrex, etc., proveedores de equipos de automatización representados por Automated Dynamics y unidades de investigación de fabricación representadas por KVE, TPRC, FOKKER, etc. Las empresas de aplicaciones de aviación representadas por Airbus y Boeing se han desarrollado sistemáticamente y sus tecnologías se han vuelto cada vez más perfecto.


Al mismo tiempo, la tendencia actual muestra que los compuestos termoplásticos se están desarrollando hacia un mejor rendimiento, menores costos y una mayor protección ambiental. Especialmente en la industria aeroespacial, la fabricación de automóviles, la construcción y la electrónica, estos materiales desempeñan un papel cada vez más importante.