碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用及展望

于海寧，高長星，王艷華

(威海光威復(fù)合材料股份有限公司,山東 威海 264200)

碳纖維稱之為“21世紀新材料之王”[1]，是國防建設(shè)不可或缺的戰(zhàn)略材料，作為武器裝備的基礎(chǔ)性原材料，已成為國家“十三五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點。開展碳纖維材料的應(yīng)用研究對于提高我國的綜合國力，實現(xiàn)材料強國的戰(zhàn)略方針，具有劃時代的意義[2]。

碳纖維是一種含碳質(zhì)量分數(shù)在95%以上的的特種纖維，具有高強質(zhì)輕，耐疲勞、耐腐蝕，導(dǎo)電導(dǎo)熱、電磁屏蔽性等優(yōu)異性能，外形柔軟，可加工成各種織物[3]。按照加工原料的不同，碳纖維可分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維等。市場90%以上的碳纖維都是以聚丙烯腈纖維為原材料，在高溫惰性的氣體環(huán)境中，經(jīng)過氧化、碳化等工藝制成的無機高分子纖維[4]。同英國、美國、日本等發(fā)達國家相比，我國的碳纖維研發(fā)起步較晚，但在國家政策的引導(dǎo)下，已進入到快速發(fā)展階段，誕生了以威海光威復(fù)合材料股份有限公司、中復(fù)神鷹碳纖維有限公司、江蘇恒神股份有限公司為代表的骨干企業(yè)。目前,國產(chǎn)的T300，T700，T800，M40J級別的碳纖維性能及表觀質(zhì)量已達到日本東麗公司同級別產(chǎn)品的性能水平，且部分產(chǎn)品已應(yīng)用到國防軍工領(lǐng)域；T1000級別碳纖維已取得突破性進展，百噸級生產(chǎn)線可實現(xiàn)投產(chǎn)；M55J級別高強高模的制備技術(shù)已取得重大突破，部分企業(yè)正在開展工程化的技術(shù)攻關(guān)及后續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定性研究。

碳纖維增強復(fù)合材料是以碳纖維為增強體，以樹脂基、陶瓷基、金屬基等為基體制成的功能性材料，其中碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用較為廣泛[5]。作者主要闡述了碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的性能優(yōu)勢、成型工藝及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，并針對其發(fā)展存在的問題提出了建議。

1 碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的性能優(yōu)勢

同其他金屬材料相比，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料具有一系列的性能優(yōu)勢[6]，如表1所示。

密度小，質(zhì)量輕：碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料密度僅為1.6 g/cm3，約為鋼的1/5，鋁合金的3/5，用其取代金屬材質(zhì)可達到產(chǎn)品“質(zhì)輕”的目標。

高強度，高模量：普通的T300系列碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的拉伸強度可達1 800 MPa，約為鋁合金的4倍，拉伸模量130 GPa，約為金屬鋁的2倍。

耐疲勞，壽命長：經(jīng)過數(shù)百萬次的循環(huán)應(yīng)力疲勞試驗，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的疲勞強度仍可達到其靜強度的80%，不會產(chǎn)生長久變形，安全系數(shù)高、穩(wěn)定性好。

耐化學(xué)腐蝕性好：在一般的堿性環(huán)境下呈惰性，對有機溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性。

熱膨脹系數(shù)?。涸诔貤l件下，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的膨脹系數(shù)為負值，在200～400 ℃環(huán)境下，膨脹系數(shù)接近于0，材料尺寸穩(wěn)定性好。

吸能減震，自潤滑，耐磨損：對振動有優(yōu)異的衰減功能，可以降低振動及噪聲；耐磨性好，摩擦系數(shù)接近0，可以提高產(chǎn)品的配合順暢度，減少部件磨損。

導(dǎo)電導(dǎo)熱性優(yōu)異：導(dǎo)電效果良好，電阻率約為10-3Ω·cm；導(dǎo)熱效果優(yōu)異，不蓄熱，最佳狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)可達1 000 W/(m·K)。

X射線透過性強，與生物相容性好：不會分解出小分子等有害物質(zhì)，可作為外植入物替代人體的部分器官。

2 碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的成型工藝

碳纖維具有柔軟可加工性，適用于真空熱壓罐、模壓、樹脂傳遞模塑(RTM)、拉擠等多種成型工藝。

真空袋/熱壓罐成型工藝：將已完成預(yù)定鋪層的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料胚料放在專用壓力容器內(nèi)，再依次輔設(shè)隔離膜、透氣氈、真空袋膜等，使胚料密封于容器和真空袋之間，然后在容器內(nèi)施加一定的壓力和溫度，通過抽真空、加壓升溫固化成型。該工藝適用于機翼、機身、雷達等航空航天設(shè)備制作成型。

模壓工藝：將已完成鋪層的胚料放入金屬模具的上、下模模腔內(nèi)，隨后施加一定的壓力(8～10 MPa)，升溫固化成型。該工藝成型快，精度高，適用于表觀光滑，尺寸精度要求高的產(chǎn)品批量生產(chǎn)。

RTM成型工藝：將增強纖維織物預(yù)先在模具中形成相應(yīng)的形狀，再將樹脂注塑于封閉的模腔中完全浸潤纖維織物，然后固化成型。該工藝產(chǎn)品形狀靈活，成型簡捷，多適用于游艇、船體的設(shè)計。

拉擠成型工藝:在一定牽引力作用下，將連續(xù)纖維絲束、纖維帶經(jīng)過樹脂槽進行浸漬膠液，然后依次通過擠壓模具固化成型，此過程可實現(xiàn)自動化控制，生產(chǎn)效率高，適用于生產(chǎn)方形、角型、工字型等截面的型材，目前在風電領(lǐng)域應(yīng)用較多。

3 碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料因具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，以及日趨成熟的加工成型工藝，已在航天、醫(yī)療、交通、風電、體育等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，促進了國民經(jīng)濟的發(fā)展。

3.1 航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

傳統(tǒng)的飛機零部件以鋁、鈦合金材料為主，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料因具有高強輕質(zhì)、耐高溫、耐疲勞的優(yōu)勢，在20世紀60年代西方發(fā)達國家就已將其應(yīng)用于航空領(lǐng)域，主要用于制作艙門、口蓋、整流罩等尺寸較小的非承受力結(jié)構(gòu);而在20世紀80年代，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料逐漸用于制作垂尾、平尾、鴨翼等受力、尺寸較大的次承力結(jié)構(gòu)件;隨著自動鋪放技術(shù)及熱壓罐成型工藝的成熟，復(fù)合材料制件逐漸向機翼、機身等受力大、尺寸大的主承力構(gòu)件發(fā)展[7]。美國AV-8B改進式軍機所用碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料質(zhì)量約占整機結(jié)構(gòu)件質(zhì)量的26%，減重約9%[8]，日本OH-1直升機機身質(zhì)量的40%為碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料，我國J-20戰(zhàn)機碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的用量也接近20%。

近年來，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料在以安全性和經(jīng)濟性為目標的民用飛機中的應(yīng)用也取得了一定進展。世界兩大飛機制造巨頭波音和空客公司，先后推出了以先進的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料為主受力結(jié)構(gòu)件的商用飛機，波音787機體的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料用量占比高達50%，采用T800級別碳纖維增韌環(huán)氧樹脂(T800S-3900-2B)制作機身和機翼，運行時可降低空氣阻力，延長機體壽命，提高疲勞強度，同時節(jié)省燃油消耗。空客A-350中碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(IMA/M21E)結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量超過了53%，空客A380后機身蒙皮壁板所采用的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料質(zhì)量占20%[9]。國內(nèi)中國商用飛機有限責任公司C919客機中的中央翼、襟翼等部件均采用碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料，克服了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外形公差等技術(shù)難關(guān)，但碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料質(zhì)量僅占飛機結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的12%。

在航天方面，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料制作的洲際導(dǎo)彈的鼻錐和翼尖，熱力學(xué)性能優(yōu)異，防熱效果好，可保持航空器的氣動外形，降低非制導(dǎo)誤差；碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料制作的導(dǎo)彈發(fā)動機殼體在滿足減重需求的前提下，提高了導(dǎo)彈的射程，具有質(zhì)量輕、體積小、射程遠等優(yōu)勢；碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料制作的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件，承重能力強，在減重的同時節(jié)省燃料，且在高低溫環(huán)境中變形量極小。

2018年，在航空航天領(lǐng)域碳纖維的需求量為21 kt，比2017年增長9.4%。其中商用飛機對碳纖維的需求非常大，根據(jù)波音及空客公司的官網(wǎng)信息，波音公司交付了145架采用碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料制造的B787飛機，比2017年增長了6.6%，而空客公司交付了93架采用碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料制造的A350XWB飛機，比2017年78架增長了19.2%[11]。

3.2 醫(yī)療器械領(lǐng)域應(yīng)用

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用基本可分為兩類：一類是用于治療、替代人體某個器官組織，修補人體病變?nèi)毕?；另一類是用于制作醫(yī)療用品、醫(yī)療器械設(shè)備及相關(guān)的配套設(shè)施。

碳纖維因化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會與液體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，也不會揮發(fā)有毒物質(zhì)，并具有良好的血液相容性，可以植入人體取代部分發(fā)生病變的器官。碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料制作的人工骨、關(guān)節(jié)、韌帶、腱、假肢等人體器官，可以與人體的其他組織產(chǎn)生共融[11]。

醫(yī)療設(shè)備因自身的特殊性，要求設(shè)備材料滿足多樣化的性能要求，即在X射線透過性能好、頻率高的前提下，盡量降低放射性物質(zhì)對患者及醫(yī)護人員的傷害。碳纖維X射線透過性好，可以完全穿透人體，并經(jīng)多次轉(zhuǎn)換后得到高清晰的圖像。部分醫(yī)療設(shè)備廠商采用碳纖維泡沫夾層結(jié)構(gòu)，即使用碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，按照一定的鋪層設(shè)計，使用金屬模具熱壓成型方式，與泡沫進行共固化，制作了CT床板、DR平板、血管造影手術(shù)床等多功能床面板[12]。與傳統(tǒng)的鋁合金屬板相比，碳纖維床面板平整光滑，質(zhì)輕抗壓，具有高分辨率，高探測率，高轉(zhuǎn)換率等優(yōu)點，預(yù)計將會成為新一代數(shù)字影像設(shè)備配套板材的首選。

此外，利用碳纖維輕質(zhì)高強的優(yōu)勢，還可以生產(chǎn)醫(yī)療頭枕、腰板、護腳、擔架等醫(yī)療設(shè)備，降低醫(yī)療器械質(zhì)量，提高器械便攜程度和診斷精度。

3.3 軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用

為實現(xiàn)低碳環(huán)保、節(jié)能降耗的目標，軌道交通輕量化的設(shè)計理念應(yīng)運而生。與傳統(tǒng)的鎂、鋁合金相比，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料因質(zhì)量輕、強度高、抗疲勞、耐腐蝕等性能成為設(shè)計首選材料。

美國、德國、日本在20世紀90年代已將碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用在軌道交通上，但僅局限于列車的導(dǎo)流罩、裙板、過渡鉤等零部件。21世紀碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域得到廣泛的推廣，法國研制的TGV掛車，韓國開發(fā)的TTX擺式列車車體[14]均以不銹鋼為骨架，用碳纖維蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制作頂蓋和墻體，質(zhì)量比采用鋁合金材料降低40%，并且車體的靜強度、安全系數(shù)、阻燃性均符合指標要求，現(xiàn)已批量化生產(chǎn)并運營。

目前，國內(nèi)碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料在軌道交通中的應(yīng)用仍然是以轉(zhuǎn)向架、輪架體、司機臺、座椅等非主承載結(jié)構(gòu)件為主，而在大型主承載力結(jié)構(gòu)件方面的應(yīng)用則寥寥無幾。近期，中車青島四方機車車輛股份有限公司采用模壓及袋壓成型工藝制作了碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料設(shè)備艙，降低了構(gòu)件數(shù)目，易于拆裝，提高了抗沖擊性能及高溫抗侵蝕性。中車長春軌道公司開發(fā)了碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料地鐵殼體，整車車長19 m，車寬2.8 m，比金屬減重約30%，采用機械連接一體化成型技術(shù)，確保了尺寸精度和表觀質(zhì)量，提高了運載能力，降低了軌道損耗及噪聲干擾。

2019年11月底，在珠海舉行的第四屆中國國際復(fù)合材料科技大會上，由中車青島四方機車車輛股份有限公司、威海光威復(fù)合材料股份有限公司等單位組建成立了“軌道交通復(fù)合材料專業(yè)委員會”，加強復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，推進相關(guān)產(chǎn)業(yè)的融合和發(fā)展。預(yù)計今后碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料在高鐵等軌道車輛中的應(yīng)用比例會越來越大。

3.4 風電領(lǐng)域應(yīng)用

隨著風電行業(yè)商業(yè)化及市場競爭的不斷加劇，風機葉片正逐步向大型化、輕量化的方向發(fā)展。而對于功率5 MW(長度40 m)以上機型的風機葉片，玻璃纖維材質(zhì)的葉片已無法滿足性能需求，且葉片的質(zhì)量劇增會導(dǎo)致生產(chǎn)成本提升[14]。碳纖維具有輕質(zhì)高強的特性，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料葉片不但滿足強度和剛度要求，而且可降低風機負載，提高葉片抗疲勞性能，提升風能利用率。

傳統(tǒng)風機葉片的制作主要采用手糊成型，操作簡單，但質(zhì)量及效率低下。Vestas公司等國外風電商已開始采用先進的自動鋪放技術(shù)[15]生產(chǎn)風電葉片主梁。即以碳纖維為加工原材料，拉擠成型為一定厚度的碳纖維板材預(yù)制體，然后將預(yù)制體重疊鋪放固定于相應(yīng)的殼體模具中，與殼體、輔料采用RTM工藝進行一體化成型，具有效率高、成本低等特點。但中國相關(guān)葉片的復(fù)合材料技術(shù)、設(shè)備不完善，自動數(shù)字化設(shè)施相對簡單，尚處于研究創(chuàng)新階段。

在市場需求方面，2018年全球新增陸上及海上風電裝機容量分別為45.4 GW及4.3 GW，其中中國市場新增裝機總?cè)萘繛?1 GW(陸上19.3 GW及海上1.7 GW)，占全球市場42%，繼續(xù)領(lǐng)跑全球風電市場；在市場供給方面，2018年Vestas公司陸上風機新增裝機容量高達10.09 GW，以22%的全球陸上風電新增市場份額遙遙領(lǐng)先，已經(jīng)成為全球碳纖維產(chǎn)業(yè)最大的用戶，且增長迅猛。低風速風場和海上風電共同推進了葉片的大型化發(fā)展，進一步推動了碳纖維在風電領(lǐng)域持續(xù)高速增長。

3.5 體育休閑領(lǐng)域應(yīng)用

碳纖維在體育休閑領(lǐng)域應(yīng)用最多的是漁具行業(yè)，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料魚竿占市場總量90%以上，高強輕質(zhì)、抗疲勞的特性已成為現(xiàn)代魚竿行業(yè)的硬性指標。采用碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料制作自行車車架和車輪[16]，可降低車體的質(zhì)量和阻力，提高安全度和舒適度；此外，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料自身具備可設(shè)計性，可提高自行車的功能性和新穎性，滿足多樣化的設(shè)計要求。采用碳纖維材質(zhì)制作的高端球拍在比賽中面對復(fù)雜的環(huán)境及工況，不僅滿足彎曲強度的要求，具備良好的剛度和彈性，而且球拍的舒適度高，不易變形。

2018年碳纖維在體育休閑領(lǐng)域的需求量為14.3 kt，預(yù)計2020年將達到16 kt,其中高爾夫球桿需求量最高占比為27.3%，魚竿、自行車均占22.4%，曲棍球桿占比為7.0%。

此外，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料高爾夫球桿、滑雪板、撐桿等體育用品[17]也已得到運動員的普遍青睞。現(xiàn)代國際體育比賽不但是成績高低的較量，更是國家技術(shù)實力的競爭，預(yù)計具有高性能優(yōu)勢的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料將在體育競技領(lǐng)域扮演重要角色，價值也會越來越大。

4 展望

“一代材料，一代裝備”，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料作為先進技術(shù)的發(fā)展和支撐，其產(chǎn)業(yè)化水平已成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展、科技進步、綜合國力的重要標志[18]。為使我國盡快進入材料強國的行列，鞏固國際上的軍事地位，開展新材料的推廣應(yīng)用，具有重要的戰(zhàn)略意義[19]。我國從20世紀80年代開始進行碳纖維的開發(fā)與研究，雖然取得了很大的進步，但前期受制于國外技術(shù)、設(shè)備的封鎖，核心競爭力仍處于劣勢。

目前，我國碳纖維復(fù)合材料完整的產(chǎn)業(yè)鏈已基本形成，但與國外發(fā)達國家相比，在高性能碳纖維復(fù)合材料的高品質(zhì)及低成本化方面仍存在一定差距，整體應(yīng)用技術(shù)方案及產(chǎn)業(yè)相關(guān)的配套系統(tǒng)尚未健全[20]。碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展需要國家、企業(yè)的共同努力與支持：加強碳纖維領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的培養(yǎng)和引進力度，組織并創(chuàng)建研發(fā)團隊，提供專業(yè)裝備的配套設(shè)施服務(wù)，鼓勵參與項目研發(fā)設(shè)計，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量；加大對國產(chǎn)碳纖維企業(yè)的扶持力度，提升企業(yè)的自主創(chuàng)新能力，擴大國產(chǎn)纖維的推廣、宣傳力度，盡快實現(xiàn)國家裝備材料的國產(chǎn)化；加強碳纖維基礎(chǔ)性的應(yīng)用研究，擴大碳纖維市場的開發(fā)力度；拓寬碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，重點推進碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域、建筑工程、海洋領(lǐng)域的開發(fā)及應(yīng)用。