技术干货|碳纤维复合材料的制备及其产业应用

一、 简介
碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上，它是利用各种有机纤维在惰性气体中，高温状态下碳化而制得的。碳纤维具有十分优异的力学性能，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，特别是在2000C以上的高温惰性环境中，碳纤维是唯一强度不变的物质，是其他主要结构材料所无法比拟的。

作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有特性，又兼备了纺织纤维的柔软可加工性，是先进复合材料中最重要的增强材料，已经在军事以及民用中的各个领域取得广泛应用。

碳纤维复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，树脂为基体所形成的复合材料，英文称之为Carbon Fiber-reinforced Polymer(CFRP)。这种材料具有密度低，热膨胀系数小，耐烧蚀性能好，轻质高强等优点，具有优异的力学性能和热物理性能，使其被广泛应用于军事、航空、体育用品、赛车等领域，发展潜力巨大。

二、 碳纤维复合材料的的制备

1、碳纤维的生产

根据碳纤维原料的不同，可以将其分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维。

（1）PAN基碳纤维

PAN基碳纤维制造的第一步是用丙烯腈(AN)单体制造PAN原丝，第二步是原丝的预氧化和碳化，预氧化处理的目的是使PAN的线性分子链转化为耐热的梯形结构，使其在高温下碳化时不熔不燃，保持纤维形态。碳化过程是碳纤维形成的主要阶段，除去了纤维中大量的氧、氮和其他元素，再经过表面处理、干燥上浆，得到具有金属光泽的PAN基碳纤维产品。

（2）沥青基碳纤维

首先是沥青原料的精制，主要是为了除去沥青中的游离炭和其他固体杂质，这些杂质再纺丝过程中可能会堵塞纺丝孔，接下来的沥青调制过程是通过沥青的热缩聚、加氢预处理、溶剂萃取的方法制取可纺沥青，目的是除去沥青中的轻组分。沥青的纺丝方法主要又挤压法、离心法、熔吹法、涡流法等。由于沥青的可溶性和粘性，在刚开始加温就会黏合在一起，而不能形成单丝的碳纤维，所以必须在碳化前进行碳纤维的预氧化处理。预氧化处理还可以提高沥青纤维的力学性能，增加碳化前的抗拉强度。预氧化处理后的沥青纤维将在惰性气体中进行碳化或石墨化处理，以除去其中的非碳原子，提高力学性能。

（3）粘胶基碳纤维

粘胶基碳纤维主要用于耐烧蚀材料和隔热材料，其产量不足世界碳纤维总量的1%，但有着其他两种碳纤维不可取代的地位。生产粘胶基碳纤维的原料主要是木浆和棉浆，粘胶纤维浆粕配制成纺丝液，通过湿法纺制成粘胶连续长丝，粘胶纤维经水洗、干燥和浸渍催化剂后，再经预氧化和碳化工艺就可以转化为碳纤维。

2、碳纤维复合材料成型工艺

碳纤维复合材料的成型工艺主要有手糊及喷射工艺、热压罐成型、模压成型、缠绕、拉挤、RTM工艺等。

（1） 手糊及喷射工艺

手糊和喷射工艺适合成型大型、复杂构件，成本低廉，工艺操作简单，对操作人员要求较低。其缺点是生产效率较低，产品质量受人为因素影响较大。

（2） 热压罐成型工艺

热压罐成型工艺适合成型大型复杂构件，适合成型高纤维体积分数的复合材料，其缺点为设备成本高，生产效率低。

（3） 模压成型工艺

模压成型适合成型小型复杂构件，适合于成型高纤维体积分数的复合材料，制品的精度较高，缺点就是成本较高。

（4） 缠绕成型工艺

缠绕工艺适合于截面为回转体的复合材料产品的制造，产品生产自动化程度 高，质量可控性好，制备大型构件需要大型缠绕设备。

（5） 拉挤成型工艺

拉挤工艺适合制备等截面复合材料构件，生产效率高。

（6） RTM成型工艺

RTM工艺是将预先预先根据设计铺层结构的增强材料预成型体铺放在模腔中，通过一个或几个注射口将树脂注入模腔，依靠带压树脂的流动浸润纤维，并排除模腔中的气体，固化开模，成型制品。RTM工艺具有尺寸稳定性好，成型周期短，制品表面光洁度高等特定，但由于成型采用双片模具，模具成本较高。

三、 产业应用

由于碳纤维复合材料具有高比强度和比模量、密度小、可设计性强、易于整形等优点，随着逐渐产业化，其被广泛应用于航空航天、汽车行业、体育用品、民用其他行业等领域，已经成为了新一代可应用材料。

1、航空航天领域

碳纤维复合材料在航空领域得到了大量应用。美国战机超级“大黄蜂”(F/A-18E/F)CFRP用量约为19％，法国战机“阵风”用量约为24％，英国战机“台风”(EP2000)用量约为40％。直升飞机也大量采用CFRP。例如，由哈尔滨飞机制造厂生产的直-9型直升飞机，武装了驻港部队和参加了2007年上海合作组织在俄罗斯的反恐军演，是我国先进的直升飞机，该机复合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生产的“OH-1忍者”直升飞机，机身的40％是用CFRP，桨叶等也用CFRP制造。

CFRP在空客A380和波音787上的用量已占到结构总质量的50％，称之为复合材料飞机都不为过。

2、汽车行业

随着人们对生态环保的重视，汽车的轻量化显得越来越重要，这更加快了碳纤维复合材料在汽车中的使用。 目前碳纤维主要应用在小批量车型、高级轿车和F1赛事上的车体部分、发动机部分、传动部分、底盘系统等。如法拉利F430装备的制动盘、马自达RX-8传动轴、丰田1/X混合动力车车身骨架、奥迪R8 Spyder跑车的车顶、行李箱的两边及顶部，宝马M6型的顶蓬等都不同程度地采用了碳纤维复合材料。

最近推出的宝马i8跑车，采用全新LC 500h的碳纤维车顶、碳纤维骨架的铝合金车门，以及关键部位的大量轻质高强度钢材，使得全新雷克萨斯LC的车身抗扭刚性甚至超越传奇跑车LFA，为全新LC 500h带来更为统一、紧致的操控表现和凌厉的转向响应。

3、体育器材

由于碳纤维复合材料高强高模、质量轻、疲劳强度大、热膨胀系数小、破损安全性能好，其用在像撑杆、高尔夫球杆、自行车、滑雪板、皮划艇等靠人力来使其运动的体育器材，可以大大提高体育竞技的水准。

碳纤维撑竿可以保证撑竿既柔韧结实又不会断裂或扭结，它可将运动员持竿快速助跑的动能部分转变成撑竿的弹性变形能，当撑竿被压弯到最大弧度后，这部分弹性变形能再释放出来，转变成运动员的势能，帮助运动员腾空跃起，飞越横杆。随着现代社会的快速发展，自行车不仅是交通和运输工具，还具有健身、旅游、竞赛等多种功能。高档自行车的车构架、前叉部件、车轮、曲轴及座位支架等均使用碳纤维复合材料制成，不仅使自行车外观更具美感，同时也赋予了车体良好的刚性和减震性能。车体重量进一步下降，骑乘舒适性更好。

碳纤维复合材料除了应用在以上几个主要领域外，还有很多行业使用了碳纤维复合材料，像无人机、船舶、家电等等，由于篇幅有限，小编就不再一一列举了。

四、 总结与展望

随着科技的发展，碳纤维复合材料已经在国内很多行业得到了应用，但由于碳纤维技术不成熟，其生产成本较高，很难得到大规模使用。2016年2月15日，中国终于突破日本管制封锁研制出高性能碳纤维。国内的碳纤维复合材料主要集中在大型国有企业，碳纤维复合材料的真正普及还需要靠大量民企的技术突破来进行推动，进行低成本化生产，真正做到碳纤维复合材料广泛应用。

本文由材料人编辑部学术干货组樊超供稿，材料牛编辑整理。

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