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合材料，通常表現(xiàn)出較輕的密度、較高的比強度和比模量，另外部分熱塑性碳纖維還具有更好的耐高溫性，被認為是碳纖維行業(yè)發(fā)展的下一個重要方向。其實熱塑性碳纖維只是一個大類，按碳纖維形態(tài)、基體樹脂類型等可以進行細分，智上新材料帶你更進一步，了解碳纖維自身形態(tài)對復合材料性能的直接影響。

　　熱塑性碳纖維復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行融合，期間存在的難度各不相同，融合后形成的復合材料表現(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)熱塑性樹脂不會表現(xiàn)出明顯的熔點，但在一定溫度范圍內會軟化，包括聚醚酰亞胺 (PEI)、聚砜 (PSU)、聚碳酸酯 (PC)等；半晶態(tài)熱塑性樹脂具有獨特結晶區(qū)域的有序分子結構，具有明確的熔點，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械性能和應用方向，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械性能，適用于航空航天等高端領域；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度和剛度。

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

　　4、制造方式分類：加工方法也會影響復合材料的結構和應用方向，碳纖維預浸漬熱塑性樹脂通常用于高性能應用；短碳纖維與熱塑性顆?；旌喜⒆⑺芏傻牧悴考?，常用于復雜幾何形狀的大規(guī)模生產；碳纖維和熱塑性樹脂的預成型片材或墊在高溫和壓力下進行壓縮，適用于生產大型、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)對性能如何產生影響？

　　通過上文，已知熱塑性碳纖維復合材料有多種分類，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、結構、排列方式和表面性質等狀態(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部缺陷，從而具備更高的拉伸強度，但直徑過細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，提升了復合材料的機械性能。

　　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度和剛度，在特定方向上提供優(yōu)異的機械性能，但在橫向上性能較弱；隨機方向在所有方向上提供更均勻的機械性能，與單向復合材料相比，剛度和強度較低；機織或織物方向可平衡多個方向的強度和剛度，通過纖維交織增強抗沖擊性。

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

　　5、復合材料中的纖維分布：復合材料中碳纖維和熱塑性樹脂如果能夠均勻分布，整體機械性能更高更穩(wěn)定；如果分布并不均勻，結構中存在薄弱部位，導致壓力集中和性能下降?！?/span>

　　6、纖維結晶度：高結晶纖維可提供更高的拉伸強度和剛度，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，但會降低整體剛度。

　　7、纖維表面化學處理：經過對碳纖維表面進行處理，可引入了改善與熱塑性基質的化學鍵合的官能團（例如羥基、羧基），增強的界面粘合力可帶來更好的機械性能和耐用性。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合材料的機械性能，而且后續(xù)復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因此發(fā)生較大的改變。熱塑性碳纖維復合材料的應用價值很高，但為了獲取這種高價值的性能，需要根據(jù)應用要求和加工限制，選擇符合要求的碳纖維形態(tài)和熱塑性樹脂，在制備復合材料階段注意多項細節(jié)的把控。