关键词：热塑性复合材料、薄膜叠层、粉末浸渍、混杂织物、绿色制造
热塑性复合材料（TPCs）因其优异的韧性、快速成型能力和可回收性，在航空航天、军事和汽车工业中正得到越来越广泛的应用。相比传统的热固性复合材料，热塑性基体复合材料在生产过程中能实现加热-成型-再加热的循环，大大缩短了制备周期，同时具备更好的耐冲击性和疲劳性能。然而，高熔融粘度仍然是阻碍其更广泛应用的技术挑战。[1]
生产工艺现状与挑战
目前，热塑性复合材料制备的主要技术路径分为两大类：反应成型工艺与熔融成型工艺。尽管反应成型（如原位聚合）能有效避免熔融高粘度带来的缺陷，但其适用材料有限，目前仅在PA6（尼龙6）和PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）等少数聚合物体系中实现规模应用。因此，熔融成型仍是最主流的制备方法，但对工艺参数如温度、压力、时间的精确控制提出了更高要求。
图1通过熔融和反应加工制造热塑性复合材料部件的加工步骤
为了提升纤维浸渍质量，科研人员探索了多种中间体设计，如混杂纱线、粉末涂覆纤维和部分预固化面板等，目的是最大限度减少熔融流动距离，提升最终复合材料的性能。
主要制造工艺
薄膜叠层成型（Film Stacking）
该工艺通过交替叠放热塑性薄膜和干纤维织物，并在加热和加压下实现树脂熔融渗透，从而制得半成品层压板。研究表明，加工温度过低导致浸渍不完全，而温度过高则易引发树脂热降解。合适的温度范围对于获得致密无缺陷的层压板至关重要。
图2热塑性复合层压板的膜堆叠过程的示意图
粉末浸渍（Powder Impregnation）
此工艺中，纤维束通过悬浮的聚合物粉末云，纤维表面静电吸附粉末后加热使其熔融结合。与传统工艺相比，粉末浸渍可以避免高粘度问题，并能显著减少使用粘结剂和溶剂所带来的孔隙率问题。
图3热塑性复合材料粉末浸渍的示意图[2]
杂织物（Hybrid Woven Fabrics）
混杂织物由聚合物长丝与增强纤维交错编织而成，热压时树脂流动距离极短，因此可以在较低压力和时间下快速成型。研究发现，平纹结构具有更好的拉伸强度和冲击韧性，但编织方式也会限制纤维体积分数设计的灵活性。
图4 聚丙烯与玻纤杂织物[3]
混杂纱线（Hybrid Yarns）
混杂纱线将聚合物长丝与增强纤维在纱线层面实现充分混合，进一步缩短了成型时的熔融流动路径。制备方法包括共缠绕（Co-Wrapping）和共混（Commingling），可显著提高制品的一致性和浸渍质量。
图5 混合纱线共缠绕工艺示意图[4]
可持续发展的动力
随着环保法规的日益严格，发展可回收、低能耗、低排放的热塑性复合材料制造技术成为行业共识。相比热固性复合材料，热塑性材料的循环利用更为便捷。当前研究不仅关注纤维回收，还在探索基体材料的回收再利用，从而实现真正的材料闭环循环。
未来展望
热塑性复合材料制造正朝着高效浸渍、短周期成型、绿色可持续方向快速发展。未来的研究重点包括：
开发低粘度、高性能的新型热塑性基体；
优化纤维/基体界面相容性；
推动工业化大规模应用，并降低制备成本；
探索更多生物基或可降解热塑性复合材料体系。
随着加工技术和材料体系的不断创新，热塑性复合材料将在航空航天、汽车、能源以及消费电子等领域展现更广阔的应用前景。
[1] Valente, M.; Rossitti, I.; Sambucci, M. Different Production Processes for Thermoplastic Composite Materials: Sustainability versus Mechanical Properties and Processes Parameter. Polymers 2023, 15, 242.
[2]filtnews[DB/OL] https://www.filtnews.com/dry-impregnation-solutions-an-innovative-cleantech-for-better-performance/
[3] Formisano, A.; Papa, I.; Lopresto, V.; Langella, A. Influence of the manufacturing technology on impact and flexural properties of GF/PP commingled twill fabric laminates. J. Mater. Process. Technol. 2019, 274, 116275.
[4] Zhai, W.; Wang, P.; Legrand, X.; Soulat, D.; Ferreira, M. Effects of micro-braiding and co-wrapping techniques on characteristics of flax/polypropylene-based hybrid yarn: A comparative study. Polymers 2020, 12, 2559.
