熱塑性碳纖維是由碳纖維絲束（粉末）與熱塑性樹脂融合而成的新型復(fù)合材料，通常表現(xiàn)出較輕的密度、較高的比強(qiáng)度和比模量，另外部分熱塑性碳纖維還具有更好的耐高溫性，被認(rèn)為是碳纖維行業(yè)發(fā)展的下一個(gè)重要方向。其實(shí)熱塑性碳纖維只是一個(gè)大類，按碳纖維形態(tài)、基體樹脂類型等可以進(jìn)行細(xì)分，智上新材料帶你更進(jìn)一步，了解碳纖維自身形態(tài)對復(fù)合材料性能的直接影響。

　　熱塑性碳纖維復(fù)合材料的基本分類方式

　　熱塑性碳纖維自身形態(tài)并不是固定的，有粉末、短切、長切和連續(xù)的狀態(tài)，同時(shí)熱塑性樹脂也有多種類型。不同形態(tài)的碳纖維與不同類型的熱塑性樹脂基體進(jìn)行融合，期間存在的難度各不相同，融合后形成的復(fù)合材料表現(xiàn)出來的性能也有較大差異。

　　1、熱塑性基體分類：可分為非晶態(tài)和半晶態(tài)兩類，其中非晶態(tài)熱塑性樹脂不會(huì)表現(xiàn)出明顯的熔點(diǎn)，但在一定溫度范圍內(nèi)會(huì)軟化，包括聚醚酰亞胺 (PEI)、聚砜 (PSU)、聚碳酸酯 (PC)等；半晶態(tài)熱塑性樹脂具有獨(dú)特結(jié)晶區(qū)域的有序分子結(jié)構(gòu)，具有明確的熔點(diǎn)，包括聚醚醚酮 (PEEK)、聚酰胺 (PA)、聚丙烯 (PP)、聚苯硫醚 (PPS)等。

　　2、纖維長度分類：碳纖維的長度直接影響機(jī)械性能和應(yīng)用方向，其中有短切（粉末）、長切和連續(xù)碳纖維這幾種類型。其中連續(xù)碳纖維可以提供卓越的機(jī)械性能，適用于航空航天等高端領(lǐng)域；短切（粉末）碳纖維易于加工，可用于注塑成型，但性能上限較低；而長切碳纖維的性能和加工難度介于前面兩者之間，可提供中等水平的強(qiáng)度和剛度。

　　3、纖維取向分類：復(fù)合材料中碳纖維的排列同樣會(huì)影響機(jī)械性能，碳纖維沿單一方向排列時(shí)，沿纖維方向提供優(yōu)異的強(qiáng)度和剛度，但垂直于纖維方向的強(qiáng)度有限；碳纖維以機(jī)織物方式交織在一起時(shí)，可提供更好的各向同性性能和改進(jìn)的抗沖擊性；而當(dāng)纖維隨機(jī)分布在熱塑性基體內(nèi)時(shí)，所有方向上提供更均勻的性能，但整體強(qiáng)度偏低。

　　4、制造方式分類：加工方法也會(huì)影響復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方向，碳纖維預(yù)浸漬熱塑性樹脂通常用于高性能應(yīng)用；短碳纖維與熱塑性顆?；旌喜⒆⑺芏傻牧悴考?，常用于復(fù)雜幾何形狀的大規(guī)模生產(chǎn)；碳纖維和熱塑性樹脂的預(yù)成型片材或墊在高溫和壓力下進(jìn)行壓縮，適用于生產(chǎn)大型、扁平或輕微輪廓的零部件。

　　熱塑性碳纖維中，碳纖維自身形態(tài)對性能如何產(chǎn)生影響？

　　通過上文，已知熱塑性碳纖維復(fù)合材料有多種分類，單從碳纖維自身形態(tài)來說就可以有多種類型，而且不同的形態(tài)對后續(xù)加工生產(chǎn)及制品性能都有著直接的聯(lián)系。碳纖維自身形態(tài)通常有尺寸、結(jié)構(gòu)、排列方式和表面性質(zhì)等狀態(tài)，可以從這些因素著手，了解性能的變化情況。

　　1、纖維直徑：較小直徑的碳纖維通常具有較少的內(nèi)部缺陷，從而具備更高的拉伸強(qiáng)度，但直徑過細(xì)在加工過程中更容易發(fā)生損壞；另外較小的直徑增加了與熱塑性基體粘合的總體表面積，從而提高了界面粘合力，提升了復(fù)合材料的機(jī)械性能。

　　2、纖維長度：短切碳纖維較適合注塑成型中，更容易加工，具有各向同性，但整體強(qiáng)度和剛度偏低；長切碳纖維同樣各向同性，但對比前者可提供更高的強(qiáng)度和剛度，長纖狀態(tài)可提高纖維和基體之間的載荷傳遞效率；連續(xù)碳纖維不具備各向同性，只在纖維方向提供極高的強(qiáng)度和剛度。

　　3、纖維取向：單向方向可最大限度地提高纖維方向的強(qiáng)度和剛度，在特定方向上提供優(yōu)異的機(jī)械性能，但在橫向上性能較弱；隨機(jī)方向在所有方向上提供更均勻的機(jī)械性能，與單向復(fù)合材料相比，剛度和強(qiáng)度較低；機(jī)織或織物方向可平衡多個(gè)方向的強(qiáng)度和剛度，通過纖維交織增強(qiáng)抗沖擊性。

　　4、纖維表面積和粗糙度：增加纖維表面積可增強(qiáng)纖維基體的粘合，從而實(shí)現(xiàn)更好的負(fù)載傳遞并提高機(jī)械性能；同樣碳纖維表面粗糙變高可改善與熱塑性基體的機(jī)械互鎖，從而提高剪切強(qiáng)度和整體性能，但粗糙度過高會(huì)導(dǎo)致加工過程中應(yīng)力集中，出現(xiàn)部分位置纖維損壞。

　　5、復(fù)合材料中的纖維分布：復(fù)合材料中碳纖維和熱塑性樹脂如果能夠均勻分布，整體機(jī)械性能更高更穩(wěn)定；如果分布并不均勻，結(jié)構(gòu)中存在薄弱部位，導(dǎo)致壓力集中和性能下降。　

　　6、纖維結(jié)晶度：高結(jié)晶纖維可提供更高的拉伸強(qiáng)度和剛度，斷裂伸長率較低，抗沖擊性降低；非晶區(qū)域纖維可提供更好的能量耗散和靈活性，但會(huì)降低整體剛度。

　　7、纖維表面化學(xué)處理：經(jīng)過對碳纖維表面進(jìn)行處理，可引入了改善與熱塑性基質(zhì)的化學(xué)鍵合的官能團(tuán)（例如羥基、羧基），增強(qiáng)的界面粘合力可帶來更好的機(jī)械性能和耐用性。另外纖維制造過程中增加涂層可以提高纖維與熱塑性塑料的潤濕性，并防止加工過程中損壞。

　　通過對上述多個(gè)因素的分析可知，碳纖維自身形態(tài)顯著影響熱塑性碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能，而且后續(xù)復(fù)合材料的制備方式以及熱塑性碳纖維制品的加工流程也會(huì)因此發(fā)生較大的改變。熱塑性碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用價(jià)值很高，但為了獲取這種高價(jià)值的性能，需要根據(jù)應(yīng)用要求和加工限制，選擇符合要求的碳纖維形態(tài)和熱塑性樹脂，在制備復(fù)合材料階段注意多項(xiàng)細(xì)節(jié)的把控。