綜述了國內(nèi)碳纖維增強(qiáng)聚酰胺（PA6）、聚醚砜（PES）、聚碳酸酯（PC）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚砜酮 （PPESK）、聚醚醚酮（PEEK）、熱塑性聚酰亞胺（PI）等熱塑性樹脂基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀，對比了熱固性樹脂基復(fù)合材料與熱塑性樹脂基復(fù)合材料性能及成型工藝方面的差異，并對碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的成型方法，碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、長度和表面處理方法對復(fù)合材料性能影響的一般規(guī)律作了總結(jié)。

       以熱塑性樹脂為基體，以纖維為增強(qiáng)體而制成的復(fù)合材料——纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料（FRTP）是近年來發(fā)展迅速的一類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。與以往傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)熱固性樹脂復(fù)合材料（FRP）相比，F(xiàn)RTP具有很多優(yōu)點(diǎn)：①密度小，強(qiáng)度高。鋼材的密度為7.88 g/cm³，F(xiàn)RP的密度為1.7～2.0 g/cm³，F(xiàn)RTP的密度為1.1～1.6 g/ cm³，僅為鋼材的16%～20%，比熱固性玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP）的密度還要小。因此，他能夠以較小的單位質(zhì)量獲得更高的力學(xué)性能。②韌性比較高。以環(huán)氧樹脂和PA為例，環(huán)氧樹脂的斷裂后伸長率<10%，而PA的斷裂后伸長率則可達(dá)60%。③熱塑性樹脂成型過程中無需化學(xué)反應(yīng)，因此成型周期短。④可重復(fù)利用。熱塑性樹脂可反復(fù)加熱冷卻成型，廢料可回收利用，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。⑤選用PPS、PEEK等耐熱工程塑料作復(fù)合材料的基體，可以使得復(fù)合材料在更高的溫度下使用。所以FRTP越來越受到人們的重視，在航空、體育、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用日漸增長。

       碳纖維（Carbon fiber，CF）是由有機(jī)纖維在惰性氣氛中經(jīng)高溫碳化而成的纖維狀聚合物碳。CF具有很高的抗拉強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度是鋼材的2 倍和鋁6 倍，模量是鋼材的7 倍和鋁的8 倍。與熱塑性樹脂復(fù)合后，更能進(jìn)一步提高熱塑性樹脂的性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。以PPS為例，CF增強(qiáng)PPS復(fù)合材料已用在空客A340和A380飛機(jī)機(jī)翼的主椽上。美國新澤西Summit的高爾夫球桿制造商Phoenixx golf公司選用CF增強(qiáng)線型PPS來制造高 爾夫球桿。

1 碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料（CFRTP） 的研究現(xiàn)狀

1.1 CF增強(qiáng)PA

聚酰胺樹脂（PA）是具有許多重復(fù)的酰胺基的線型熱塑性樹脂的總稱，俗稱尼龍，商品有PA6、PA1010等。PA6本身就是性能優(yōu)異的工程塑料，但吸濕性大，制品尺寸穩(wěn)定性差，強(qiáng)度和硬度也不如金屬。用CF增強(qiáng)改性后，大大提高了PA的力學(xué)性能，改性后即可作為結(jié)構(gòu)材料承受載荷，又 可作為功能材料發(fā)揮作用。孫偉等[4]用雙螺桿反應(yīng)擠出制備了CF/PA6復(fù)合材料（CFRPA6），并考察了CF表面處理方法、CF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和初始CF長度 對CFRPA6性能的影響。指出經(jīng)過表面處理的CF增強(qiáng)效果較未經(jīng)表面處理的明顯變好，用液相氧化+ 硅烷偶聯(lián)劑復(fù)合處理法比氣相氧化和液相氧化的表面處理法要好；CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%時(shí)，CFRPA6的力學(xué)性能最好；CF長度10 mm比5 mm更有利于增強(qiáng)復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能，而且并不影響擠出和 CF在CFRPA6中的分散效果。

葛世榮等采用溶劑濕法超聲法將空氣氧化處理的CF與PA1010混合，而后使用微型注塑機(jī)注塑成型。研究發(fā)現(xiàn)CF表面氧化處理提高了CF 與PA1010的粘結(jié)力；隨著CF體積分?jǐn)?shù)的增加，CFRPA1010的抗拉伸強(qiáng)度和洛氏硬度先增加后下降，當(dāng)CF體積分?jǐn)?shù)為20%和30%時(shí)，CFRPA1010 的抗拉伸強(qiáng)度和洛氏硬度分別達(dá)到了最大值；CFRPA1010的摩擦系數(shù)隨著CF體積分?jǐn)?shù)的增加而降低，當(dāng)CF體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.24左右。

1.2 CF增強(qiáng)PES

PES是英國ICI公司在1972年開發(fā)的一種綜合性能優(yōu)異的熱塑性高分子材料，是目前得到應(yīng)用的為數(shù)不多的特種工程塑料之一。由于它具有優(yōu)良的自潤滑性，加之電絕緣性及阻尼性好，并且可以采用擠出和注塑成型，因而特別適合用于制作干滑動元件，用CF作填料的CFRPES摩擦系數(shù)低且耐磨性好。趙偉巖等[6]采用模壓工藝制備CFRPES，并考察CF體積分?jǐn)?shù)及長度對CFRPES/ 固體潤滑劑/PTFE（聚四氟乙烯）復(fù)合材料摩擦性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著CF體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的硬度增加；抗沖擊強(qiáng)度隨CF體積分?jǐn)?shù)增加，先增加后下降，在10%～20%之間達(dá)到最高；隨著CF體積分?jǐn)?shù)的增加，材料儲能模量增加，而損耗角正切逐漸減小，并在CF體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%以后漸趨平緩；對于長度為40 µm及100 µm的CF，100 µm的CF增強(qiáng)效果更佳。鄭亮[7]等采用溶液浸漬法制備連續(xù)CF增強(qiáng)PES、PPESK、PPBES（共聚型二氮雜萘酮聯(lián)苯結(jié)構(gòu)聚醚砜）、PEI（聚醚酰亞胺）預(yù)浸料，而后將預(yù)浸料熱壓成型制備CF/PPESK、CF/PPBES、CF/PPESK/PES、CF/PPESK/PEI復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)用溶液浸漬法制備的復(fù)合材料纖維在樹脂基體中分布均勻，纖維與樹脂的粘結(jié)性能良好；聚合物溶液的粘度越低，浸漬效果越好；所制備的各種樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能隨CF體積分?jǐn)?shù)的增加，都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

1.3CF增強(qiáng)PC

PC是一種應(yīng)用廣泛的工程塑料，把CF與PC復(fù)合后，可進(jìn)一步提高PC的各種性能，擴(kuò)展它的應(yīng)用領(lǐng)域。李春華等[8]用雙螺桿擠出法制備CFRPC，并研究了纖維表面處理、纖維長度、纖維體積分?jǐn)?shù)及擠出成型工藝對復(fù)合材料性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，用液相氧化+硅烷偶聯(lián)劑復(fù)合處理法比氣相氧化和液相氧化的表面處理法要好；CF 體積分?jǐn)?shù)增加后，復(fù)合材料的力學(xué)性能得到顯著提高，熱變形溫度也得到了明顯提高；當(dāng)CF體積分?jǐn)?shù)為13%時(shí)，抗屈服強(qiáng)度比純PC提高了32%，彈性模量提高了近1 倍，熱變形溫度提高了43 ℃；CF長度10 mm比5 mm更有利于增強(qiáng)復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能。

1.4 CF增強(qiáng)PPS

PPS是一種半結(jié)晶熱塑性樹脂，具有卓越的力學(xué)性能、耐化學(xué)侵蝕性、阻燃性等。張隨山等[9]用懸浮熔融法制備CFRPPS預(yù)浸帶，采用模壓工藝制備了CFRPPS。制備的復(fù)合材料有很好的力學(xué)性能及優(yōu)良的耐溶劑性，PPS與CF之間的粘結(jié)性能優(yōu)良，證明用懸浮熔融法制備連續(xù)CF增強(qiáng)PPS 預(yù)浸料是可行的。邱軍等[10]用冷壓燒結(jié)制備了CFRPPS。研究發(fā)現(xiàn)CF（布）的體積分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響很大，隨著CF（布）體積分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能提高。當(dāng)CF（布）體積分?jǐn)?shù)超過50%時(shí)，力學(xué)性能開始下降；經(jīng)CF 表面處理的CF/PPS復(fù)合材料的抗拉伸性能和抗沖擊性能都得到了顯著的提高，且經(jīng)過丙酮浸泡處理的CF（布）比經(jīng)過高溫處理的CF（布）增強(qiáng)效 果要好。

       1.5 CF增強(qiáng)PPESK

PPESK是一種新型的耐高溫聚合物，具有較高的力學(xué)性能和良好的耐熱性、絕緣性以及耐化學(xué)腐蝕性，而且熔解性能好，可用作高性能復(fù)合材料的基體。彭靜等[11]將C F等離子接枝處理后與PPESK及固體潤滑劑溶液共混干燥后，采用熱壓成型工藝制作CF/PPESK/固體潤滑劑復(fù)合材料，考察CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料耐磨性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)少量C F（質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%) 的加入就可以顯著提高復(fù)合材料的耐磨性能，可降低摩擦系數(shù)和提高自潤滑效果；當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過5%以后，復(fù)合材料的比磨損率變化不大。超過10%后比摩損率稍有增加，但摩擦系數(shù)有所減小。

1.6 CF增強(qiáng)PEEK

P E E K是新一代耐高溫?zé)崴苄詷渲銫FRTP已經(jīng)用于機(jī)身、衛(wèi)星部件和其他空間結(jié)構(gòu)，PEEK的CFRTP可在250 ℃條件下連續(xù)使用[3]。針對PEEK熔融粘度大，難于浸漬的特點(diǎn)，隋月梅[12]設(shè)計(jì)了PEEK/DPS（二苯砜）混合體系凍膠浸漬工藝，在PEEK中加入一定比例的DPS形成固體混合物，再將PEEK/DPS混合物以熔融浸漬的方法浸漬CF，完全浸漬后，去除多余的溶劑，形成CF/PEEK預(yù)浸料。考察了纖維張力對熔融浸漬效果及復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)一定的纖維張力有利于纖維的分散，張力過大時(shí)，纖維易集束，不利于浸漬；纖維張力的大小對其復(fù)合材料的抗拉伸強(qiáng)度和抗拉伸模量有較大的影響。

1.7 CF增強(qiáng)PI

PI具有突出的熱穩(wěn)定性，良好的抗沖擊、抗輻射和耐溶劑性能，在高溫、高低壓和高速等極端環(huán)境下具有優(yōu)異的耐摩擦磨損性能，用CF增強(qiáng)后，可進(jìn)一步提高性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。李健[13]將CF表面處理后，采用熱壓成型工藝制備CF/ PI復(fù)合材料。考察了CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)及RES表面改性（稀土溶液處理CF）、空氣氧化改性處理對CFRPI力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，RES表面改性方法優(yōu)于空氣氧化處理方法。當(dāng)稀土溶液中稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，所制得的CFRPI具有最優(yōu)的力學(xué)性能。隨著CF體積分?jǐn)?shù)的增加，CFRPI的摩擦學(xué)性能得到提高。當(dāng)CF體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，CFRPI的摩擦系數(shù)和磨損量最小。

2 結(jié)論

⑴ 與CFRP相比，選擇合適的熱塑性樹脂基體，可以使CFRTP有更好的耐腐蝕、耐溫等性能。CFRTP成型周期短，制品可回收循環(huán)利用，但須解決熱塑性樹脂浸漬問題。

⑵ 對于CF短纖維，可以采取雙螺桿擠出的方法制備CFRTP預(yù)浸料，而后注塑成型，也可直接將CF與樹脂混合后熱壓成型；對于連續(xù)CF，可以采用熔融浸漬或溶液浸漬的方法制備預(yù)浸料，而后熱壓成型。

⑶ 采用不同的CF表面處理方法，均可以提高CF與基體的粘結(jié)力，從而提高CFRTP的力學(xué)性能，合適的處理方法可使樹脂的抗拉伸強(qiáng)度提高40%。

⑷ CFRTP的性能隨CF體積或質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而提高，力學(xué)、耐溫、耐磨等性能均有所提高。當(dāng)CF體積分?jǐn)?shù)為10%～20%時(shí)，CFRTP的各項(xiàng)性能最好，熱變形溫度最高可提高將近50 ℃，常溫下的摩擦系數(shù)可降低50%左右。但當(dāng)CF體積分?jǐn)?shù)增大到一定值時(shí)，由于樹脂基體體積分?jǐn)?shù)的減少，CF與樹脂基體的粘結(jié)性能降低，從而導(dǎo)致CFRTP各項(xiàng)性能的降低；CF的長度對CFRTP的性能也有所影響。長度稍長的CF增強(qiáng)效果更佳（最長可至10 mm），采用合適的工藝參數(shù)則不會影響CF在CFRTP中的分散效果。