熱塑性復合材料，作為一類具有革命性的現代材料，根據增強纖維的長度和分布，主要分為三類：短纖維增強熱塑性復合材料（SFT）、長纖維增強熱塑性復合材料和連續纖維增強熱塑性復合材料（CFT）。SFT由于其短纖維結構，在簡單成型工藝中表現出色，而長纖維版本則提供了更優異的力學性能。CFT憑借其連續纖維特性，在承受高負載的應用中表現出卓越的性能。這些分類不僅反映了熱塑性復合材料的多樣性，也體現了其在不同應用領域中的廣泛適用性，熱塑性復合材料的類型主要分為三類：

1. 短纖維增強熱塑性復合材料（SFT）：這種類型的材料由于纖維長度較短，其增強效果有限，但成型工藝簡單，適用于結構復雜的制品。

2. 長纖維增強熱塑性復合材料：相較于SFT，長纖維增強復合材料中的纖維保留長度較長，因此在力學性能上優于短纖維增強復合材料，適用于要求較高的應用場景。

3. 連續纖維增強熱塑性復合材料（CFT）：這類材料中的增強纖維是連續的，纖維保留長度與制品尺寸一致，因此力學性能得到進一步提升。具有良好的可設計性，適用于承力結構部件。

熱塑性復合材料的優勢包括：較低的密度、優異的力學性能、良好的耐環境性能、和高的損傷容限。這些材料在加工和修復時表現出極佳的適應性和經濟效益，特別是它們的回收和重塑能力，使其在環境可持續性方面尤為突出。此外，它們在成型和加工過程中的快速反應性，進一步提高了生產效率，使其在航空航天、汽車制造等行業中得到了廣泛應用。

1.密度小、比剛度和比強度大

通常結構件的重量與所用材料的比強度或比剛度成反比，因此，比強度、比剛度就成為材料選擇的主要參數；吳云書教授在論文“材料的比強度和比剛度”中對上述概念進行深入的分析。

2.韌性優于熱固性塑料，復合材料具有良好的抗沖擊性能

熱固性樹脂基復合材料在成型過程中，樹脂基體交聯固化為三維網狀結構，因此，熱固性復合材料的剛度較高、脆性較大、抗沖擊和抗損傷的能力較差。熱塑性復合材料是以線形高分子聚合物為基體材料，韌性良好的線形高分子聚合物賦予了復合材料優異的抗沖擊性能和抗損傷性能。

3.復合材料的物理性能良好，適合于復合材料的多種應用

該優勢源于熱塑性復合材料具有良好的耐熱性和吸水率。

耐熱性能：一般熱塑性塑料的長期使用溫度為50-100℃，纖維增強工程塑料的長期使用溫度為120-150℃，而高性能熱塑復合材料的長期使用溫度可以達到250℃以上，耐熱性能優異。

吸水率：熱塑性復合材料的吸水率一般優于熱固性復合材料，玻璃纖維增強聚丙烯的吸水率為0.01%-0.05%，而玻璃纖維增強不飽和聚酯的吸水率為0.05%-0.5%，即使玻璃纖維增強環氧復合材料的吸水率為0.04%-0.2%，吸水率低于熱塑性復合材料。

4.加工過程不發生化學變化，成型周期短

熱固性復合材料的加工過程是樹脂基體在固化劑的作用下，由線形的分子結構聚合物為體形分子結構的過程，這需要較長的時間。如惠柏新材的ML-8190A/B超高耐溫低粘度環氧樹脂的固化條件如下：

熱塑性復合材料的加工過程為加熱熔融變形和冷卻定型，是物理變化過程；由于上述過程不發生化學反應，因此，成型周期非常短。例如：常見的模壓成型周期為幾十秒至幾分鐘，成型速度非常快。

由于纖維增強形式存在著一定的特殊性，因此并不是所有的成型工藝都適合連續纖維增強熱塑性復合材料。目前，能夠適合在連續纖維增強熱塑性復合材料制備上應用的成型工藝有以下數種，最常見的包括模壓成型、樹脂注射成型、纏繞成型以及拉擠成型。其中模壓成型是最常見的，纏繞成型及拉擠成型是新興的。熱塑性復合材料的成型工藝主要包括模壓成型、層壓成型和拉擠成型。

1. 模壓成型：這一過程首先預熱坯料或在模具中直接加熱，然后施加壓力使其成型。這種方法適用于多種纖維增強形式，特點是成型周期短，高效快速。此工藝適用于制造復雜形狀的部件，但可能限制材料的力學性能。

2. 層壓成型：該方法主要是將預浸料片材或編織物按力學設計要求鋪放，然后預熱并成型。盡管層間剪切強度較低，但通過各種改進，例如纖維表面改性和基體改性，可以提高性能?？芍圃旄吡W性能的產品，適合于結構應用，如航空部件。但層間剪切強度較低，可能影響產品的整體性能。

3.拉擠成型：這是一種連續自動化的生產方式，能制造截面一致、形狀多樣的型材，特點是高效率和良好的軸向性能。通過改進工藝，例如使用預浸帶和優化模具設計，可以進一步提高產品質量和性能。適合連續自動化生產，制品的軸向性能突出。通過織物的補強，可以提高橫向性能，但對模具設計和工藝控制要求高。

國內外對連續纖維增強熱塑性復合材料的制備工藝及其機械性能、熱力學性能的研究較多，常用注塑工藝成型制備玻璃纖維增強聚丙帰復合材料，對用混纖紗法浸潰熱壓工藝的連續纖維增強熱塑性復合材料的研究不多，尤其是不同結構形式的連續玻纖增強聚丙帰復合材料的力學性能差異及破壞機理差異的研究較少。

1. 航空航天：熱塑性復合材料在航空航天領域的應用主要集中在減輕飛行器重量和提高結構強度上。例如，F-22戰斗機和A380商用飛機的某些部件就采用了這種材料，以優化性能和耐久性。

灣流G650尾舵由Fokker航空公司制造，筋骨與梁均采用TenCate公司碳纖維/PPS熱塑性復合材料壓板（RTL）熱壓成型，連接鉸鏈采用鈦合金3D打印制造。面板與肋、梁采用KVE公司的感應焊接技術焊接為整體結構，焊接過程能夠實現自動化，，一次性將3組肋與3組梁焊接到蒙皮。

圖1 灣流G650

2015年美國宇航局發射的全球土壤水分測量航天器（SMAP），如圖所示，大量使用了熱塑性復合材料。該航天器的可展開網狀反射器由諾斯羅普·格魯曼公司AstroAerospace采用TenCate熱塑性復合材料制造而成。該反射器為拋物面形狀設計，φ6m，包括一個圓形碳纖維增強塑料（CFRP）桁架，表面附上金屬加強網，反射體由具有高剛度和強度的芳綸強化PEI拉擠成型制成，通過超聲波點焊焊接在其交叉點加強網上，實現了輕量化、高強度、耐疲勞的特性。

圖2 SAMP航天器與網狀反射器

2. 汽車行業：這些材料用于制造汽車的防撞梁、門板等關鍵部件，以提高安全性和燃油效率。它們的輕質特性對于減少汽車的整體重量，從而提高燃油經濟性尤為重要。

汽車行業，是熱塑性復合材料大規模使用的重要領域，目前LFT已在汽車防撞梁、前端模塊、儀表盤骨架、車門中間承載板、電瓶箱、座椅骨架板、備胎倉以及車底部護板等結構件和半結構件中得到廣泛應用。

圖3  奔馳公司擬進行熱塑替代的汽車組件

3.建筑和橋梁：在建筑行業，特別是橋梁建設中，熱塑性復合材料因其耐腐蝕性和高強度而成為鋼材的有效替代品，有助于延長橋梁的使用壽命并降低維護成本。

圖 4 美國美國俄亥俄州熱塑材料橋

當前熱塑性復合材料市場的趨勢和潛在市場表現出顯著的增長和多樣化。到2028年，全球熱塑性復合材料市場預計將達到330億美元，復合年增長率（CAGR）為5.1%。這一增長主要受到對輕量化和環境可持續材料需求增長的推動，以及在不同終端行業中替代金屬的趨勢。特別是在交通、消費品、工業和建筑市場中，熱塑性復合材料的應用日益增多。

亞太地區，特別是中國，由于其龐大的建筑市場和高速的城市化進程，成為推動熱塑性復合材料市場增長的主要力量。中國預計到2025年將大規模擴建城市空間，其建筑行業的增長預計將對國內生產總值（GDP）貢獻約6%。

在航空領域，空中客車公司預測，未來20年中國的航空流量將以5.3%的年增長率增長，這遠高于全球3.6%的平均水平。這預示著對新飛機的強烈需求，進而推動熱塑性復合材料在航空航天領域的應用。

此外，隨著電動汽車市場的增長，熱塑性復合材料在汽車行業中的應用也將增加。電動汽車需求的增長將加速電動車部件的生產，并對熱塑性復合材料的需求產生積極影響。

技術方面，熱塑性復合材料市場的發展趨勢包括增加的材料間競爭和對連續纖維增強熱塑性復合材料的關注增加。這些趨勢對行業動態產生直接影響，開啟新的增長機會。

熱塑性復合材料目前在技術狀態上呈現出顯著的成熟與創新。這些材料因其獨特的性質，如重量輕、強度高、可回收性和加工靈活性，已在多個行業中得到廣泛應用。目前的趨勢顯示，熱塑性復合材料正在朝著性能更優、成本更低和更環保的方向發展。特別是在航空航天、汽車制造、建筑和電子產品等領域，這些材料正扮演著越來越重要的角色。

未來，熱塑性復合材料的發展預計將繼續受到電動汽車需求增長、建筑行業的現代化和航空業的擴張等因素的推動。亞太地區，尤其是中國，預計將成為推動這一市場增長的主要力量，這歸功于其龐大的建筑市場和快速的城市化進程。隨著技術的進步和市場需求的增加，我們可以預見，這些材料將在減輕結構重量、提高效能和支持可持續發展方面發揮更大作用。

綜上所述，熱塑性復合材料不僅是當前材料科學的一個重要分支，而且是未來工業和技術發展的一個關鍵領域。它們將繼續引領材料創新，推動各行業向更高效、更可持續的方向發展。

參考文獻：

1. 馬從.連續纖維增強熱塑性復合材料結構與性能的研究[D].天津工業大學,2015.

2. GlobeNewswire [oai_citation:1,Thermoplastic Composite Global Market Report 2023]

3. Mordor Intelligence [oai_citation:2,Thermoplastic Composites Market - Size, Share & Trends]

4. [oai_citation:1,A Tale of Two Bridges | Composites Manufacturing Magazine]

5. [oai_citation:2,Thermoplastic Composites Market - Size, Share & Trends]

6. [oai_citation:1,Thermoplastic Composite Global Market Report 2023]