纖維增強材料已經將熱塑性塑料的使用擴展到半結構應用領域中,其所具備的機械性能提供了替代傳統材料所需的性能。在這個舞臺上,玻璃纖維長期以來一直是增強材料的主要選擇,因為它顯著提高了聚合物的剛度和強度性能,并具有良好的經濟效益。近,人們對碳纖維增強熱塑性塑料的越來越感興趣,這是源于其能夠提供更強勁的機械性能并有助于減輕重量。然而,實現這種性能是要付出代價的,因為碳纖維的價格高出了許多應用可承擔的范圍之外。
對于使用注塑加工技術生產的部件,長纖維增強熱塑性復合材料代表了可流動材料的機械性能的頂峰。在長纖維復合材料中,纖維增強的12毫米長的細絲提供了三重性能,這是使用其它類型的顆粒介質作為增強塑料的方法所無法獲得的。
首先,與其他增強材料一樣,塑料化合物的模量與長纖維的含量是成比例地增加的,因為較硬的纖維添加劑將該特征引入了與其混合的基質聚合物。其次,由于較長的纖維段具有較高的縱橫比,與聚合物接觸的表面積越多,強度就越高。增加的長度有助于更好地將應力從聚合物轉移到較強的纖維增強物,從而提高承載能力。后,由于較長的纖維段相互纏繞以形成纖維的內部結構骨架,從而促進整個組件的沖擊力的消散,而不是局限于一個區域,從而實現耐久性的提高。硬質材料的高耐沖擊性,是選擇長纖維復合材料超過其他類型增強塑料的根本原因。
在具有結構性能要求的金屬替代應用中,長玻璃纖維增強熱塑性復合材料已成為首 選材料。 事實上,長玻璃纖維增強聚丙烯已廣泛應用于汽車行業,它作為金屬部件的輕質替代品被廣為使用。長玻璃纖維復合材料的使用降低了車輛的成本和重量,其所節省的重量有助于提高燃油的經濟性并減少排放,從而滿足日益增長的監管目標。
碳纖維憑借其在航空航天和體育用品行業的廣泛應用贏得了“高科技”強化材料的聲譽,它以輕微的重量提供了類似金屬的性能。在減重是“圣杯”追求的行業中,碳纖維的成本越高,就越容易證明與其他增強塑料方法相比,它并不具有較高的性價比。
在一些領域中,使用了成本五倍甚至更多的增強材料,而機械性卻沒能得到相應明顯的提升,這是難以令人接受的。為了降低采用碳纖維的入門成本,美國長纖維復合商PlastiComp公司開發了一種混合長纖維復合材料生產線,將長玻璃纖維和長碳纖維結合在一個單一的成型復合顆粒中。
早期的實驗試驗表明,將這兩種纖維類型結合在一起,創造了獨特的性能協同效應,其性能大大超越了纖維本身的類型。包括長玻璃纖維增強材料提高了耐久性,超出了單獨使用長碳纖維可獲得的范圍。另外,添加長碳纖維增強材料可將剛度和強度提高到比長玻璃纖維所能達到的更高的值。