摘 要 本文簡要總結了熱塑性預浸料的制備技術及研究進展。詳細論述了溶液浸漬法、熔融浸漬法、粉末浸漬法、薄膜疊層浸漬法、纖維樹脂混合浸漬法，并介紹了不同浸漬方法的優(yōu)勢。簡單分析了連續(xù)纖維熱塑性預浸料制備關鍵技術，敘述了熱塑性復合材料在航空、航天、汽車等領域應用現(xiàn)狀及應用案例，并對熱塑性復合材料研究方向進行展望，為熱塑性預浸料及其熱塑性復合材料的應用研究提供參考。

關鍵詞 熱塑性復合材料；預浸料；熔融浸漬；薄膜疊層法；連續(xù)纖維

Preparation Technology and Research Progress of Thermoplastic Prepreg

YUE Wei1， YUAN Yuan2， LI Yingying3

（1.Suzhou Laboratory， Suzhou 215100;2.Zhihang Composite Technology （Jiangsu） Co.， LTD.， Suzhou 215100;3.Ningbo Institute of Material Technologyamp;Engineering，Chinese Academy of Sciences，Ningbo 315201）

ABSTRACT The preparation technology and research progress of thermoplastic prepreg are briefly summarized in this paper. The methods of solution impregnation， melt impregnation， powder impregnation， film lamination impregnation and fiber resin mixed impregnation are discussed in detail， and the advantages of different impregnation methods are introduced. The key technology of continuous fiber thermoplastic prepreg preparation was briefly analyzed， and the application status and cases of thermoplastic composites in aviation， aerospace， automobile and other fields were described， as well as the future prospect of thermoplastic composites research direction. It provides reference for the application research of thermoplastic prepreg and thermoplastic composites.

KEYWORDS thermoplastic composites；prepreg；melt impregnation；thin film lamination method；continuous fiber

1 前言

預浸料［1-2］是指樹脂基體在嚴格控制含量條件下浸漬增強材料，制得的具有均勻纖維面密度的樹脂基體和增強材料的組合物，是制備復合材料的一種重要的中間過渡基材。樹脂和纖維是復合材料組成基礎，預浸料質量好壞直接影響復合材料的性能優(yōu)劣。預浸料具有使用方便、成型過程環(huán)保、樹脂含量控制精準、厚度可控、根據(jù)不同尺寸與工藝可調整規(guī)格等優(yōu)異特性。采用預浸料制備復合材料能有效改善制品強度、耐腐蝕、疲勞壽命、耐沖擊性，提高可設計性及制件輕量化水平。根據(jù)樹脂基體品種的不同，預浸料分為熱固性和熱塑性兩種。熱固性預浸料主要是由環(huán)氧樹脂、氰酸酯樹脂、雙馬樹脂、乙烯基樹脂等熱固性基體材料與增強材料復合制備的中間材料，在航空航天、軌道交通、體育用品等領域已廣泛應用數(shù)十年，但熱固性預浸料自身也存在損傷容限低、加工周期長、吸濕性等缺點，且由于熱固性樹脂有交聯(lián)性，使復合材料不能重新熔融塑化，且易與其他材料結合使用，存在回收困難的難題［3］。

熱塑性預浸料主要是由聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚酰胺、聚丙烯、聚苯硫醚等熱塑性樹脂與增強材料復合制備的中間材料。熱塑性復合材料有很多優(yōu)點，如耐沖擊韌性好、貯存期長、成型效率高、易回收再利用［4］，在航空、航天、武器裝備、交通運輸、汽車制造等領域已取得廣泛應用。根據(jù)熱塑性樹脂預浸纖維方式的不同，熱塑性預浸料的制備工藝分為溶液浸漬法、熔融浸漬法、粉末浸漬法、薄膜疊層浸漬法和纖維樹脂混合浸漬法等。本文將綜述熱塑性預浸料的制備工藝方法和關鍵技術，介紹國內熱塑性預浸料的研究進展并對未來發(fā)展趨勢做展望。

2 熱塑性預浸料制備工藝方法

2.1 溶液浸漬法

溶液浸漬法是用一種或多種有機溶劑配成溶液，將熱塑性樹脂完全溶解于溶液中制成樹脂溶液，然后將纖維或織物等增強體浸泡在樹脂溶液中進行浸漬，最后使用干燥箱等加熱設備蒸發(fā)去除其中的有機溶劑，即得到溶液浸漬法預浸料，工藝流程見如圖1。溶液浸漬法具有生產設備裝置簡單、故障率低、能耗低、制造成本低、預浸料的長度不受限制、樹脂對纖維浸潤較充分等優(yōu)勢，同時也存在溶劑揮發(fā)、生產環(huán)境異味大、回收難等問題。東華大學［5］在2022年采用溶液浸漬法制備CF/PEEK，浸漬的溶液PEKK/CF3COOH/C2H4Cl2的溶質質量分數(shù)為12%，粘度247.5 cp，通過溶液浸漬法獲得了樹脂含量38%的CF/PEEK預浸帶，制備的復合材料強度利用率可達94.9%。長春應用化學研究所的周光遠等［6］在2020年采用溶液浸漬與粉末噴涂結合的工藝，將T700 12k碳纖維通過浸膠槽讓樹脂溶液充分浸漬碳纖維，采用模壓成型工藝制備的復合材料，其短梁強度為105 MPa，彎曲強度為1850 MPa。

2.2 熔融浸漬法

熔融浸漬法為首先用紗架、展紗輥通過碾壓、增加張力等方式將纖維束充分展開并分布均勻，纖維經過加熱裝置預熱后進入浸漬區(qū)，在一定的溫度下樹脂熔融，進而浸潤纖維，通過壓輥施加一定的壓力可控制樹脂含量，最后通過冷卻環(huán)節(jié)收卷制成預浸料，制造工藝流程見圖2。熔融浸漬法與溶液浸漬法的區(qū)別在于，前者適用于耐溶劑型熱塑性樹脂，要求熱塑性樹脂熔融溫度低，并且在熔融狀態(tài)時化學性質穩(wěn)定，具有較高的表面張力，對纖維束的展紗分散能力要求高。熔融浸漬法制備的預浸料樹脂含量控制程度高、成型復合材料的孔隙率低，但長時間高溫浸漬對預浸料的力學性能有較大的影響。

哈爾濱工業(yè)大學［7］在2020年用聚醚醚酮類樹脂制備出了連續(xù)纖維熱塑性預浸料，此預浸料的制備難點在于聚醚醚酮類樹脂粘度大，生產過程中膠槽中某些部位的樹脂不易被纖維帶出，長時間停留受熱易發(fā)生降解，對預浸料的質量有較大影響。哈爾濱工業(yè)大學解決了此問題，纖維含浸程度好，并實現(xiàn)了連續(xù)生產。北京航空航天大學熱塑性復合材料團隊［8］自主研發(fā)了連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂熔融浸漬工藝，突破了關鍵設備等環(huán)節(jié)，搭建了自研生產線，初步驗證了產業(yè)化的技術可行性。

2.3 粉末浸漬法

粉末浸漬法是將熱塑性樹脂粉碎成微米級，在纖維表面均勻覆蓋微米級樹脂粉末，經過加熱系統(tǒng)使樹脂熔融與纖維充分浸潤復合成一體，從而制得預浸料。粉末浸漬法分為濕法粉末浸漬法（粉末懸浮法）和干法粉末浸漬法。南京航空航天大學陳浩然［9］等通過粉末懸浮法制備了T700/PEEK預浸料，通過對懸浮液濃度、張力、牽引速度、浸漬溫度、壓輥間隙等關鍵過程參數(shù)的分析及設計，預浸料制得的復合材料層間剪切強度為73.43 MPa、復合材料的空隙率小于1.8%，說明樹脂與纖維的層間剪切強度越大，結合強度高。阿科瑪法國公司［10］在2019年采用粉末浸漬法制備了熱塑性預浸料，其將提前粉碎的微米級樹脂粉末裝入特定容器中，以干粉狀態(tài)噴覆到纖維上，噴射設備可以是一個或多個噴嘴（或者噴槍），不同的噴射速率可以得到不同樹脂含量的預浸料，所浸漬的纖維體積含量為45%-65%，能夠保證成型產品有較好的機械性能。華東理工大學和南通呈奇新材料科技有限公司聯(lián)合研發(fā)的“一種連續(xù)纖維編織物增強熱塑性復合材料的制備方法”的專利技術［11］，采用粉末浸漬工藝制備了連續(xù)碳纖維增強聚醚醚酮預浸料。專利技術用紗架、展紗棍等將碳纖維絲束充分展開，分散后的纖維進入粉末浸漬槽中，表面均勻吸附粉末，然后通過設定好一定溫度的加熱裝置，PEEK粉末加熱熔融后浸漬纖維，冷卻后收卷樹脂不易脫落。預浸料在模壓成型過程中，由于預浸料為多層鋪貼，在壓力作用下，層與層之間易發(fā)生滑移和變形。為解決該問題，專利技術采用細束纖維固定編織物預浸料，限制編織物的滑移及變形。用該方法優(yōu)化編織物預浸料，固化工藝設置為溫度370 ℃-390 ℃，壓力12 MPa-15 MPa，保溫50 min，在該固化工藝下成型的復合材料，彎曲強度可達1750 MPa，層間剪切強度可達100 MPa，抗沖擊性能良好。

2.4 薄膜疊層浸漬法

薄膜疊層浸漬法（或疊層模壓法）是先將樹脂擠出做成薄膜，再將薄膜與纖維采用層層鋪放堆疊，最后通過熱壓方式將熱塑性樹脂熔融充分浸漬纖維職稱預浸料，薄膜疊層浸漬法的工藝流程如圖3所示。華中科技大學蔣維［12］采用薄膜疊層法開展連續(xù)碳纖維增強聚碳酸酯復合材料（CF/PC）的研究，建立了樹脂浸漬連續(xù)纖維的數(shù)學模型，以及熱壓工藝成型過程中，樹脂流動與纖維密實模型，確定CF/PC復合材料成型工藝溫度為255 ℃，保壓壓力為1.0 MPa，制得的復合材料拉伸強度為600 MPa，拉伸模量為44.9 GPa，彎曲強度為466 MPa，彎曲模量為 24.0 GPa。東華大學張萬虎［13］采用薄膜疊層法將聚酰胺6薄膜與AS-4碳纖維交替堆疊，設定熱壓溫度220-260 ℃、成型壓力2-3 MPa條件下，制備單向連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料，在成型中利用激光位移計在線測定了薄膜疊層材料的浸漬情況。

2.5 纖維樹脂混合浸漬法

纖維樹脂混合浸漬法（或纖維混合法）是先將熱塑性樹脂制造為纖維形狀，再與增強纖維混合制成纖維束或者混合紗、編織物、混合料，因以紗線形式混合，浸漬更加充分，樹脂含量得到較好的控制，成型方式多采用纏繞成型，具有成型效率高的特點，多應用在復雜型面的產品上［14］。湖南大學楊旭靜等［15］采用立體混合法與疊層法結合的方式，將改性PP束狀纖維與玻璃纖維展纖、混合制成三維立體混合氈，經層合熱壓制備成熱塑性復合材料，熱塑性氈制得的復合材料的拉伸強度為89-92MPa，相比于傳統(tǒng)的玻璃纖維板拉伸強度增加了22%左右。

3 熱塑性預浸料制備關鍵技術

熱塑性預浸料相比于傳統(tǒng)熱固性預浸料，由于熱塑性樹脂基體本身黏度過高，熔體流動能力差，難以充分填充纖維間空隙，因此如何提高樹脂對纖維的浸潤程度和界面結合力，成為熱塑性預浸料制備的關鍵。

3.1 樹脂熔融指數(shù)

熱塑性樹脂熔融指數(shù)增加，會降低體系的熔體粘度，利于高分子鏈段的規(guī)整排列，進而促進結晶能力提高，同時也能影響到纖維在樹脂中的取向和分散，進而影響到復合材料的性能。為了提高樹脂對纖維的浸潤性，在樹脂性能可接受范圍內，應盡量選取熔融指數(shù)高的基體樹脂。

3.2 熱塑性上漿劑

目前，連續(xù)性國產纖維制品大部分采用環(huán)氧樹脂等熱固性樹脂上漿劑，僅適合生產熱固性基體復合材料，而熱塑性基體分子主鏈結構缺乏活性基團，不能同纖維表層的熱固性上漿劑發(fā)生化學鍵合作用，所以難以浸潤纖維，不能形成有效的界面結合力［16］。

為達到熱塑性基體加工要求，提高樹脂對纖維浸漬能力和增強界面結合力，熱塑性上漿劑必須使用，并且考慮到不同熱塑性樹脂的加工溫度差距很大，在選取熱塑性上漿劑時必須充分考慮基體樹脂的加工溫度，上漿劑降解或過早熔融，都將嚴重影響界面結合強度，導致復合材料容易產生缺陷，或損傷熱力學性能。另外，應盡量選取與基體樹脂化學結構相似的匹配性更好的上漿劑。

3.3 工藝

（1）展紗

由于熱塑性樹脂在工藝溫度下黏度大，當碳纖維線密度較大時，樹脂難以完全浸漬到碳纖維絲束中去，導致基體材料分布不均勻，出現(xiàn)孔隙，最終影響到預浸料的性能。相同的絲束寬度延展得越寬，厚度越薄，熱塑性樹脂的滲透均勻性會越好，因此展紗是非常重要的一個工藝環(huán)節(jié)。

纖維分散的難點在于解決大絲束纖維在保證纖維均勻分散的前提下，盡量減少損傷，按照展絲工具及機理的不同，常見的展絲方法有機械展絲法、氣流展絲法以及超聲波展絲法，在實際應用中可考慮將兩種或多種展絲方式結合起來運用，雖然展紗不可避免地會對碳纖維產生一定程度的性能損傷，但是相對于展紗給預浸料整體性能方面帶來的幫助則是微乎其微的。

（2）浸漬溫度、壓力及時間

熱塑性樹脂因黏度過高對浸漬溫度、成型壓力及加工時間都有較高要求。加工溫度的提高有助于高分子鏈段的解纏，分子熱運動加劇，樹脂粘度降低，提升了熔體的流動性。良好的熔融流動性，有利于樹脂降低流動阻力，改善浸潤效果。但溫度過高會導致樹脂熱降解，降低預浸料的力學性能。

預浸料加工時熔體壓力過低會造成樹脂和纖維間氣體排除不暢，過多的空隙殘留對后期的復合材料加工不利；壓力的提升有助于熔體填充纖維間隙，但壓力過大將把樹脂大量擠出，導致復合材料中纖維體積含量過高，纖維之間結合性變差，影響復合材料性能。

高黏度將導致樹脂浸漬纖維效率下降，為保證纖維浸漬必須提供充足的時間。浸漬時間長會影響預浸料產量，而牽引速度過快會影響纖維的分散性，以及樹脂對纖維浸潤程度，導致復合材料性能降低。在保證預浸料質量和提高生產效率的前提下，浸潤效果和產量間的平衡非常重要。

4 應用領域

熱塑性預浸料常溫下具有性質穩(wěn)定的特點，受貯存壽命的限制極小，使熱塑性預浸料在制備復合材料制件的過程中有較寬的工藝窗口，具備進一步降低成本及可回收再利用的批量化應用優(yōu)勢，故在航空航天等對輕量化、低成本均有較高需求的領域得到快速發(fā)展。包括熱塑性蒙皮、飛機座椅、龍骨梁、肋梁和角托架、熱塑性連接件等在內的上千個熱塑性復合材料制備的零部件已經成功應用于空客A380客機［17］。熱塑性復合材料不僅具有優(yōu)良的機械性能，還具有雷達傳輸與吸波等突出特性，已在不同型號飛機上應用的重要零部件有貨艙地板、垂尾、水平尾、起落架艙門、扭矩盒、翼肋、發(fā)動機進氣罩、設備機架側板、增壓隔框等［18］。

熱塑性復合材料不僅力學性能優(yōu)異而且可回收再利用，是可重復使用航天器的理想材料，在加筋壁板結構、大型運載火箭的殼體結構、航天飛機結構件、太陽能飛機機翼和外殼、飛行器發(fā)動機殼體、衛(wèi)星天線及其支撐結構、適配器等航天結構件上得到大量應用，表現(xiàn)出了優(yōu)異的減重及高耐溫效果［19-20］，很多熱塑性復合材料成果已經轉化成熱塑性復合材料生產線，為我國航天事業(yè)提供材料支撐。

此外，連續(xù)植物纖維如木纖維、麻纖維、竹纖維等與熱塑性樹脂結合有更好的分散效果，助力了綠色超薄型預浸料的開發(fā)，植物纖維增強熱塑性預浸料已在汽車內飾、熱塑性薄壁化門板、座椅靠背、車門面板、前后保險杠等車用零件中成功應用。

5 展望

熱塑性預浸料儲存期長，無需冷庫倉存以及低溫運輸，成型工藝多樣，其成型周期短制造效率高，制品的綜合力學性能優(yōu)異，尤其韌性好抗沖擊，并且可回收反復使用，材料利用率高，相比于熱固性材料更加綠色環(huán)保。雖然熱塑性預浸料有著諸多優(yōu)點，但要取得大規(guī)模生產和應用仍然存在諸多需要解決的問題。

（1）低粘度、高熔融指數(shù)、流動性好的熱塑性樹脂的開發(fā)與改性技術缺少，品種單一，價格偏高；

（2）樹脂基體與纖維的界面粘合強度仍需要進一步提高，通過熱塑性上漿劑加強界面結構設計與控制技術；

（3）缺少兼具低能耗、高效率和能保證質量的預浸料制備工藝與合適的生產裝備；

（4）高性能熱塑性基體的熔融加工溫度普遍偏高，預浸料成型溫度達到350 ℃以上，對設備要求高，加工難度大；

（5）熱塑性預浸料及其復合材料制品性能數(shù)庫有待建立，行業(yè)（國家）測試標準與評價標準還有待完善。

參 考 文 獻

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通訊作者：李瑩瑩，女，碩士，工程師。研究方向為復合材料工藝與制造。E-mail：liyingying@nimte.ac.cn