近日，韓國科學技術院（KIST）宣布在自增強復合材料（SRC）的開發方面取得重大突破，這是一種具有優異物理性能和可回收性的下一代復合材料。該自增強復合材料由單一類型的聚丙烯（PP）聚合物制成，因其成本低、重量輕和可回收利用等優點，正逐漸成為飛機中使用的碳纖維增強復合材料的潛在替代品。

與以往在增強材料或基體中混合不同化學成分以改善流動性和浸漬的生產工藝不同，該團隊通過使用四軸擠出工藝調整聚丙烯基體的鏈結構，實現了對熔點、流動性和浸漬的控制。

新開發的 SRC 具有超越以往研究的優異機械性能。該材料的粘合強度、拉伸強度和抗沖擊性分別提高了 333%、228% 和 2,700% 。此外，在用作小型無人機的框架材料時，SRC 比傳統碳纖維增強復合材料輕 52%，飛行時間延長 27%。這些發現凸顯了該材料在下一代移動解決方案中的應用潛力。

該團隊表達了 100% SRC 工程流程的實用性，并強調了其對各行業的直接適用性。同時該團隊打算繼續與研究伙伴和行業合作，以提高磁增強復合材料的全球競爭力。

在開發 100% SRC 材料方面取得的這一突破為未來的交通，特別是城市空中交通（UAM）提供了前景廣闊的前景，因為它提供了一種可減少碳排放的節油環保型解決方案。

什么是自增強復合材料？

隨著航空航天、汽車、建筑等行業對輕質材料的要求越來越高，聚合物復合材料，尤其是熱塑性復合材料變得越來越常見。復合材料用量增加的趨勢意味著，能夠回收利用纖維增強復合材料制成的部件變得越來越重要。熱塑性塑料制成的材料可以簡單地重新熔化并重新模塑成新的部件，但如果含有玻璃纖維或碳纖維，則無法做到這一點，因為這些纖維無法熔化。因此，必須將復合材料切碎，用作性能較低的短纖維增強聚合物復合材料。為滿足可回收纖維增強聚合物復合材料的需求，必須使用可與聚合物基體一起熔化并與熔體相容的纖維。而這就導致了自增強聚合物復合材料(SRCs) 的開發。

自增強聚合物復合材料是一種纖維增強復合材料。這些材料中的纖維增強材料是與基體相同的聚合物高取向版本。例如，用高取向聚丙烯纖維增強聚丙烯基體。

自增強聚合物復合材料目前正在使用多種不同的熱塑性聚合物進行開發，例如如聚酰胺、聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯等。但這些材料中最成熟的還是聚丙烯材料。

自增強復合材料的優勢與不足

與傳統的纖維增強復合材料（如 GRP 和 CFRP）相比,SRCs復合材料具有一系列優勢。這些優勢包括大大提高了可回收性、密度極低和沖擊性能極高。

其中最重要的優勢是可回收性。由于SRCs復合材料是 100% 的熱塑性塑料，因此回收過程非常簡單。與傳統的纖維增強復合材料不同，SRCs復合材料與玻璃和碳纖維增強材料一樣，需要先將增強材料與基體分離，然后才能進行有效回收。在產品使用壽命結束時，只需將組件重新熔化并重新造粒。這些顆粒可以再加工成新的部件。

第二個明顯的優勢是密度。SRCs復合材料使用與基體相同的聚合物進行增強。這意味著，雖然材料的性能顯著提高，但密度卻不會增加。這就可以制造出重量極輕的材料，顯著減輕成品部件的重量。

雖然 SRCs復合材料有許多顯著的優點，但也并非沒有缺點。其中第一個缺點就是對溫度的敏感性。在加工過程中，必須非常精確地控制溫度，以便只熔化基體材料，同時保持增強材料不受熱量破壞。由于這些材料的加工窗口相對較小，因此很難做到這一點。

其次，這些材料是 100% 的熱塑性塑料，因此不能用于高溫應用，因為它們會迅速失去特性。

生產 SRCs復合材料主要有兩種加工工藝：熱壓和共擠。

熱壓法是一種將高取向聚合物帶非常精確地加熱（±0.5°C）的方法。這種加熱方式可使大約 10% 的聚合物帶熔化。

在施加壓力的情況下，熔融聚合物在膠帶的晶格中流動，形成連續的基質。然后，板材在壓力作用下冷卻，使基體凝固。這一過程產生的剛性板材可以進行熱成型。Propex Fabrics 使用這種工藝批量生產一種名為 Curv? 的自增強聚丙烯板材。

生產SRCs復合材料的第二種主要方法是共擠法。從高熔點等級的所選聚合物中擠出高取向度的聚合物帶。在這一過程中，同一系列聚合物的低熔點等級被擠壓到帶子表面。這些膠帶隨后可編織成織物。在后加工成定型部件的過程中，膠帶的外層先于拉伸聚合物的內芯熔化。在壓力作用下，這種低熔等級的聚合物會在整個織物中流動。冷卻時，這種低熔等級的聚合物重新凝固，形成復合基體。Don & Low、Milliken 和 Lankhorst 均采用這種方法生產自增強聚丙烯織物和板材。

自增強復合材料成品展示

在此我們列舉下國外一個被稱之為“Smart PRESS 2”的項目中使用自增強復合材料制備的兩個產品演示。

—防彈帽

防彈帽是一個具有挑戰性的部件，它包含了很深的拉深、復雜的弧度和暗切。這個部件的尺寸要求非常精確，因為它是設計用來固定在現有頭盔上的部件。

該部件厚度為 9 毫米，以滿足彈道要求?？紤]到部件的厚度和拉伸深度，決定使用織物形式的自增強聚丙烯制造該部件。因此，在模具設計中加入了復雜的管道系統，以便快速有效地對模具和材料進行獨立加熱和冷卻。經過多次反復試驗后，該部件成功成型，使用的是復雜的材料包，內含 4 種不同形狀的坯料。

該部件采用項目開發的數控加工技術進行成型和修整。該部件的設計符合 NIJ 0106 2 級（美國人體裝甲）規范，可抵御 9 毫米全金屬護套彈。

—航空航天組件

該航空航天部件是一個非常大的部件（直徑 950 毫米），拉伸非常深，幾乎是垂直的。該部件在厚度和整體尺寸方面都有非常高的公差要求。與防彈帽一樣，由于需要非常深的拉伸，該部件選擇了織物而不是板材。由于尺寸大，公差要求高，該模具的加工特別復雜。這種模具也是一種鑄造模具，內部裝有加熱和冷卻管道系統。設計中必須考慮到模具的熱膨脹。該工具包括用于精確厚度控制的內部擋塊。該工具還采用了以前從未嘗試過的氣動夾緊板，用于在模具閉合時限制織物包。該工具的最后一個功能是預裝板，可將織物鋪在硬板上，然后放入壓機。如果沒有這項功能，幾乎不可能裝上所需尺寸和厚度的織物包。

由于在模具設計時進行了仔細考慮，該零件的成型效果非常好設計。該部件符合所有公差規范，并通過了獨立和組裝到完整系統中的性能測試。

隨著人們對自增強聚合物復合材料的興趣與日俱增，該行業也在高速發展。而試驗也證明， 自增強復合材料可為各種不同的工業部門生產高質量、高性能的部件。

此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯，文章不用于商業目的，僅供行業人士交流，引用請注明出處。