碳纤维增强复合材料的研究现状与进程

碳纤维增强复合材料的研究现状与进程

田忠恩

哈尔滨玻璃钢研究院有限公司，黑龙江，哈尔滨，150028

摘要

现阶段许多高性能产品都需要碳纤维去进行改性、增强，这种现象已经成为一种普遍的趋势，这也说明碳纤维作为一种纤维材料在增强复合材料性能方面能起到很明显的作用，所以碳纤维增强复合材料已经成为了一种高性能产品应用趋势。本文就是对碳纤维复合材料的种类、成型工艺及应用现状进行了分析、阐述，并根据碳纤维复合材料的研究现状对其发展趋势进行了分析，以期推动我国碳纤维增强复合材料的发展。

关键词：碳纤维增强复合材料 现状

前言

碳纤维是一种含碳量在95％以上的特种纤维，具有高强度、高模量的特点，虽然其本身就具有很好的性能，但是仍然需要将碳纤维进一步加工成为增强型的复合材料才能应用到产品中，经过碳纤维增强后的复合材料也就具有了远强于本身性能的高质量产品。碳纤维复合材料一般是以碳纤维作为增强材料，基体材料选用树脂、陶瓷、金属等作为基材，通过一定的工艺复合而成的结构材料，与传统材料相比，具有比重小、强度高、耐腐蚀、耐高温、易于成型等优点，因此碳纤维复合材料已经广泛的融入到日常生活中。目前市面上所用的碳纤维增强复合材料中大部分都是短切纤维、连续纤维、纤维布制作而成，已经成为了我国以及全球的碳纤维主要消费领域，而碳纤维也赋予了基体材料全新的生命。本文主要介绍的就是碳纤维增强复合材料的研究现状与发展趋势。

1.成型工艺

碳纤维增强材料的成形工艺繁多，目前以铺层固化应用较为普遍，也就是采用预浸料的方式进行生产，主要进行压缩模塑成形、热压罐、拉挤成形等过程。最近开发出来的预成型件成形工艺，通过液体注射、整体成形技术，不但能大大减少零部件数量、成本，同时克服了传统分层剥离技术的问题，使层间剪切强度和冲击后的加工质量都获得了大幅度提高，在工程车辆、宇航飞行器等重要结构件的设计制造中获得应用。

1.1模压成型工艺

模压成型是复合材料制造中一个较传统的成形方式，由一般的塑料产品模压成型技术发展而来。其流程是：先将碳纤维预浸料放在上下模板中间，然后合模并将模具放在液压成形台上，再通过规定时间的高温高压使树脂固化，取下碳纤维的复合材料制品。这种成形技术具有生产效率高、制品品质好、尺寸精确、受机械影响小等优势，特别适合于生产批量化、强度高的复合材料制品的成形过程，而弊端则为前期模型制作繁琐，投资高昂，且制品尺寸受压机尺寸的影响较大。

1.2热压罐成型工艺

热压罐成型技术是最先开发于航空结构复合材料生产中并仍应用广泛的一项关键技术，尤其是针对于某些较大规格、形状更复杂的制品。其流程是：把由单层预浸料按规定方位铺叠成的复合坯料放入热压罐中，在规定的温度和压强条件下进行固化。它既具备能固化成各种厚度的层合板、又能生产复杂曲面零部件，并且应用范围广阔、工艺技术流程平稳安全等优势，同时又具有生产设备投入成本费用较高、生产程序成本费用高昂、成型体积受热压罐长度影响大等弊端，适合于生产战斗机舱盖、整流罩、车载雷达盖，飞机支架、翅膀、尾翼等产品。

1.3缠绕成型工艺

纤维缠绕成型是碳纤维增强复合材料的主要制造工艺之一，是在控制张力和预定线型的条件下，将连续的纤维纱或布带浸渍树脂胶液、连续地缠绕在相应于制品内腔尺寸的芯模或内衬上，然后在室温或加热条件下使之固化制成一定形状制品的方法。纤维缠绕技术的发展与增强材料、树脂体系的发展和工艺发明息息相关，但直到20世纪50年代纤维缠绕工艺才真正成为一种复合材料制造技术，在20世纪60年代开始在几乎所有可能的领域都得到了应用。

2应用现状

2.1航空航天

碳纤维增强复合材料也是大型整体式建筑的理想用材，而目前的航空航天碳纤维材料主要使用在飞机装备方面。与传统复合材料比较，碳纤维增强型复合材料能为飞行器减重30%左右，并且能够解决金属材料易于产生疲劳和被侵蚀的缺陷，提高了飞行器的耐久性。碳纤维增强复合材料的良好成形性能，可使结构设计成本和加工生产成本大幅度地降低。航空航天行业对碳纤维增强复合材料的需求量主要来源于二大领域，一是新开发飞机不断提高的碳纤维增强复合材料的使用数量，二是增加的航空客户，特别是商业客机。由于中国飞机生产领域的蓬勃发展，目前国产商业飞机和军用飞机都已在许多部分采用了碳纤维增强复合材料，例如：歼-11B就在飞机外翼段、水平尾部和垂尾广泛采用了碳纤维增强复合材料；新型的洲际弹道导弹巨浪-2也使用了由国产碳纤维制造的碳纤维增强复合材料制成的导弹壳体；翼龙全机体黑色部分材料都是碳纤维增强复合材料；国产的商用大飞机中，碳纤维增强复合材料在全机身构件中的占比已达到了20%。目前，碳纤维增强复合材料的重点消费对象是军用飞机、无人飞行器、直升机和商用航空器的组装部件，预计2022年在我国广泛用于航空航天领域中的碳纤维增强复合材料约为1500t。尽管当前碳纤维材料在航空航天方面有着相当的广泛应用，但当前中国商用航空无论从数量还是航空质量来说，均与海外有着不少差异。未来，碳纤维增强复合材料用于飞机方面的主要增长，将来自于商用航空器量产、军用飞机的更新换代和民用无人驾驶飞机的大量应用等。中国目前的民用无人机材质主要为铝合金、塑料及碳纤维增强复合材料等。到2025年，根据使用碳纤维增强复合材料的民用无人机数量将超过30万架、以及每台无人飞行器碳纤维增强复合材料的平均用量大约0.5kg测算，碳纤维增强复合材料总量将超过15万t。

2.2汽车工业

随着汽车产业的日益发达，消费者对车辆的轻质、节能、环保等有了越来越多的需求。碳纤维拥有比模量和比刚度大、减重能力大、稳定性高的明显优势，成为车辆轻量化的良好选项。在中国汽车产业轻量化需求的带动下，由于中国汽车工业应用领域对碳纤维材料的需求量呈上升态势，因此碳纤维增强复合材料在中国汽车工业领域的使用比重也日益增加。而由于碳纤维产品价格的居高不下，又让不少汽车制造厂商望而却步，尤其是在中低端的家用轿车中很少使用碳纤维增强复合材料，因此可以说成本是碳纤维增强复合材料在轿车等轻量化应用领域进展的重要制约。目前碳纤维增强材料在中国汽车行业的使用较小，预计2022年需求量仅为1500t，折合碳纤维约为1000t。在未来一段时间内，多材料混合汽车仍为主要趋势，而碳纤维增强复合材料除作为部分汽车构件之外，也可作为车内的小部件和装饰材料，至2025年，随着汽车轻量化的逐步推广和碳纤维的材料生产成本减少，根据使用碳纤维增强复合材料的汽车产量将超过60万台、每辆汽车碳纤维复合材料用量约10kg测算，碳纤维增强复合材料需求量将超过6000t。

2.3风电领域

2018年世界规模上新建风电容量达到了51.32GW，世界累计容量超过了591.55GW，中国新建风电能力21.14GW，占当年全球新建装机能力的41.2%，排名全球第一位。而基于经济效益考量，虽然当前大部分的风能叶片都采用了玻璃钢材料，但是由于中低速风机技术和海上风机技术的持续开发，以及叶片直径的日益扩大，玻璃钢在大型复合材料叶片生产上已经逐渐呈现出了稳定性方面的缺陷，其刚性与轻质特点都已无法实现，所以这些建筑上采用的碳纤维或碳纤/玻纤混杂材质，在稳定性和综合成本上都具有优越性。

2.4体育休闲

碳纤维复合材料一般在高尔夫球竿、球棍、冰橇、滑雪场板、曲棍球棒、垂钓竿和自行车等运动及休闲产业中应用，现在世界上重要的出产大国和区域是中国大陆、美洲和台湾。体育娱乐用品为中国当前碳纤维消费第一大领域，但目前，中国国内文体娱乐制品的碳纤维材质消费场景已趋向饱和，产品多以出口国外市场为主，该领域碳纤维增强复合材料总产量约2.1万t，未来市场发展速率将逐渐减缓。同时，随着碳纤维材料在新兴产业领域中使用的范围逐渐扩大，其在中国整体消费结构过程中占的比重也将逐步下降。

2.5其他领域

除了上述的四个主要应用领域，碳纤维增强复合材料还可用作建筑物补强、地铁、气压集装箱和导线光缆等应用领域。2018年，在该领域碳纤维增强复合材料的需求量大约为7100t。预测2022-2025年，中国碳纤维增强复合材料的需求量增长将达10%左右，并估计到2022年，中国碳纤维供应量将达大约5.2万t，到2025年将超过8.2万t。一旦在轨道交通、车辆工业等新产品的车身材质使用碳纤维将实现重大突破，其市场需求增长将更大，不过这个增长过程具有不确定性。

3行业存在的矛盾和问题

3.1产品结构不合理

碳纤维与碳纤维复合材料都属于高科技产物，但中国碳纤维与复材行业目前还处在开发的初级阶段，产品构成也不尽合理，且大多集中在中低端市场，而高档产品对外依存度也很高，与欧美等先进国家的产品构成有着很大差异。中国国内碳纤维产品应用占比前三位的行业依次是运动休闲、风能叶片以及建筑补强，依次为百分之47.5%、24.6%以及5.3%；而中国碳纤维产品消费结构位居前三位的是风能叶片、航空航天和运动休闲，其市场构成占比依次为24.3%、23.2%和16.6%。从居民消费市场价值方面考虑，以航空航天用碳纤维消费市场价值为最大，它在全世界碳纤维消费市场价值中的占比仅为49.5%，而体育运动休闲用品则为13.6%；而在中国碳纤维消费市场价值中，最中低端的运动休闲用碳纤维消费水平占比也超过了51.3%，而航空航天用碳纤维消费水平则只有9.9%。

3.2高端基体产品依赖进口

碳纤维增强复合材料作为生产碳纤维最重要的复材消费行业，其产品在世界碳纤维材料消费市场中的占比已超过了80%以上。聚砜树脂是碳纤维增强复合材料中最主要的环氧树脂基体，但作为碳纤维增强复合材料的聚砜树脂和一般环氧树脂一样，都必须从耐候性、强度、官能性等方面加以改良。目前在中国的高端聚砜环氧树脂领域已经滞后于国外，而用于运动休闲等中低端应用领域的碳纤维增强复合材料环氧树脂基体已经部分自产，但航空航天等高档应用领域的碳纤维增强复合材料环氧树脂基体则大部分依靠进口。

3.3产业链有待完善

碳纤维复合材料产业中完整的产业链，包括"上游原丝—碳纤维—中间体—复合材料—应用—回收"，对于使用寿命已结束的复合材料产品和在生产中所形成的边角余料的收集与再利用是一项重大的工艺难题，也关乎行业的可持续发展。目前海外已有许多回收公司在开展此类项目，而目前中国仅有部分研究院校着力于碳纤维行业以及复材利用技术的相关研发，并没有完全进行工业化。上海交大就在2016年完成并研发了国内首个具有完整自主知识产权的碳纤维复合材料废弃物新型裂解回收技术和装备，已达到的碳纤维复合材料废弃物年处理能力超过200t，弥补了国内外在该行业的技术短板。这种处理工艺在废弃物处置时仍能保持其体积较大，免去了废弃物切割、捣碎等过程，最关键的是保证了新生碳纤维的足够长度，并具备成本小、无三废、质量高的优势。

4.发展趋势及建议

随着国家航空航天、国防军事等战略新兴产业的蓬勃发展，以及对车辆和轨道交通设备轻量化的研究日益深入，碳纤维增强复合材料等行业仍将是中国当前需要迫切发展的重要战略材料。怎样借助高端技术来推动碳纤维复合材料产业的创新，并发展高效率低成本工艺技术，从而迅速增强产业实力，是中国未来产业发展必须着重思考的问题。未来，碳纤维材料的开发会出现以下几大趋势：

(1)成形工艺和装备的中国化。国内公司开始重视新工艺的研发，包括3D打印碳纤维材料成形工艺，同时致力于成形工艺装备的中国化。

(2)树脂基体的开发。中国碳纤维及复材制造公司和树脂合成公司正在加快研制适应于碳纤维材料的改性树脂基体，包括适用于国产及大型飞机的改性高增韧耐湿聚砜树脂等。

(3)积极调整行业需求结构，向更高端化发展。随着中国航空航天的产业化进展和车辆轻量化需求的高速增长，中国航空航天、车辆、城市轨道交通将是中国未来对碳纤维增强复合材料需求的重点拉动力。

针对目前国内外碳纤维复合材料市场的变化和目前国内外市场状况，给出了以下的一些意见：(1)开发低成本碳纤维，大大降低碳纤维复合材料生产成本，提升国产碳纤维复合材料市场竞争力；

(2)促进碳纤维及其复材装备的国产化；

(3)进一步强化生产公司之间的垂直协同，通过产、学、研、用的有机融合，进一步提高碳纤维材料生产公司提出全套解决方案的能力，即提高产品设计开发-复材配比-模具设计-终端应用的能力。

5结语

历经了十几年的发展，目前中国碳纤维增强复合材料行业仍处在起步阶段，受行业门槛过高、行业快速发展等各种因素的影响，与海外市场比较，国内供给和需求量仍以中低端产品居多。目前，中国的碳纤维增强复合材料工业正处于蓬勃发展的关键时期，在宇航、国家军工、车辆生产等重要领域，对发展碳纤维增强复合材料工业提供了迫切要求。所以要根据不同领域需求，通过采取成本质量管理、产业应用示范和产业技术整套解决方案等方法，逐步研制出质量稳定的新型高性能、低成本碳纤维增强复合材料，实现产业链的完整发展，最终实现中国碳纤维增强复合材料行业的高速、稳定发展。

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