碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的應(yīng)用推廣探討

李 晨

（山西省科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化促進(jìn)與數(shù)據(jù)監(jiān)測中心， 山西 太原 030000）

引言

高性能碳纖維及其復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、抗沖擊、抗疲勞、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)異的性能，是航空航天、國家防御等國家戰(zhàn)略領(lǐng)域的關(guān)鍵核心材料，同時(shí)也是風(fēng)力發(fā)電、交通運(yùn)輸、海洋開發(fā)和安全防護(hù)等高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。新一代國防武器裝備和新型民用高端裝備的研發(fā)，對高性能碳纖維及其復(fù)合材料提出了新的要求，高性能化和結(jié)構(gòu)一體化成為其發(fā)展的重要趨勢和前沿領(lǐng)域。

碳纖維復(fù)合材料分為熱固性樹脂基復(fù)合材料和熱塑性樹脂基復(fù)合材料。傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料是指熱固性樹脂基復(fù)合材料；而熱塑性樹脂基復(fù)合材料是近年來應(yīng)輕量化汽車等民用領(lǐng)域的需求正在發(fā)展的新型碳纖維復(fù)合材料。

1 國家和山西省政策背景

國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于中國制造2025 的通知》中明確將碳纖維及其復(fù)合材料列為重點(diǎn)基礎(chǔ)材料；另外，在《通知》中列出的十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，如高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、先進(jìn)軌道交通裝備、節(jié)能與新能源汽車、電力裝備、農(nóng)機(jī)裝備、生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械等十個(gè)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域中，碳纖維復(fù)合材料特別是碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料（CFRTP）在這些領(lǐng)域中均有重要的應(yīng)用。碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料在軌道交通和新能源汽車領(lǐng)域，尤其體現(xiàn)了“節(jié)能環(huán)?！迸c“輕量化”[1]。在軌道車輛中的內(nèi)飾部件都可以使用CFRTP，在實(shí)現(xiàn)車體大幅度減重的同時(shí)，還減少了燃料使用成本和廢氣排放指標(biāo)，提升了車速。材料的高強(qiáng)度、高拉伸載荷力以及極小的變形性等特性也在一定程度上保障了車體安全。新能源汽車在繼承傳統(tǒng)汽車對碳纖維復(fù)合材料積極應(yīng)用的基礎(chǔ)上，在降自重、降能耗、減少充電頻率、延長電池壽命等方面有更強(qiáng)的研究需求，這也是新能源車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的價(jià)值與意義所在[2]。與此同時(shí)，政府制定的有關(guān)車輛燃料經(jīng)濟(jì)性嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)和二氧化碳排放法規(guī)進(jìn)一步促進(jìn)了新能源汽車必須優(yōu)先選擇碳纖維復(fù)合材料。電動汽車的車身重量比傳統(tǒng)汽車要超200～300 kg，為保證電動汽車有更好的續(xù)駛里程，電動汽車的車身重量必須減重50%以上。CFRTP 是當(dāng)前唯一能替代鋼質(zhì)零部件，減重達(dá)50%～60%，并提供同等強(qiáng)度或更優(yōu)力學(xué)性能，并且可回收再用的新型材料。

《山西省加快推進(jìn)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案》中提出推動T800 級碳纖維等高端纖維工程化應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化，積極開展聚丙烯腈原絲—碳纖維—預(yù)浸料或預(yù)制件—復(fù)合材料零件—終應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)攻關(guān)，加快聚丙烯腈基碳纖維向規(guī)?；?、高水平炭化、高端制品發(fā)展[3]。開發(fā)高性能纖維及其復(fù)合材料等下游產(chǎn)品應(yīng)用，打造從基礎(chǔ)原料、復(fù)合材料到制品構(gòu)件的碳纖維完整產(chǎn)業(yè)鏈。大力開發(fā)新能源汽車、航空航天、高速列車、風(fēng)力發(fā)電、壓力容器、建筑補(bǔ)強(qiáng)和高壓輸電等領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)品[4]。

2 國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

從全球來看，碳纖維制造的主力軍是日本和他們在歐美設(shè)立的工廠，其次是依靠歐美航空航天市場的美國HEXCEL 和CYTEC 公司，及其依靠強(qiáng)大工業(yè)制造體系的德國SGL 公司[5]。近年來，隨著中國在碳纖維領(lǐng)域市場中的不斷投入，中國碳纖維產(chǎn)量在全球的市場份額也在持續(xù)提高。

隨著各行業(yè)對輕量化技術(shù)的需求量增加，碳纖維及復(fù)合材料的市場需求高速增長。據(jù)日本富士經(jīng)濟(jì)調(diào)查預(yù)測，2030 年P(guān)AN 基碳纖維的全球市場規(guī)模將達(dá)到49 億美元，而相應(yīng)的復(fù)合材料全球市場規(guī)模則將達(dá)到403 億美元。在碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用市場中，航空領(lǐng)域占據(jù)了四成以上，仍然是主要增長[6]。另外，隨著碳纖維及復(fù)合材料的成本逐漸降低，風(fēng)電葉片、壓力容器等將成為未來市場的活躍新增增長點(diǎn)。在區(qū)域市場增長方面，歐美地區(qū)對輕量化材料的需求刺激了碳纖維在新能源汽車工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用，亞太地區(qū)則以中國為重要增長點(diǎn)，主要集中在航空、航天領(lǐng)域。

碳纖維復(fù)合材料巨大的市場需求帶動著相關(guān)行業(yè)的迅速發(fā)展。碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈的相關(guān)產(chǎn)品中，碳纖維編織預(yù)制體是從原材料到碳纖維復(fù)合材料的中間產(chǎn)品。采用紡織加工方法將碳纖維交織交叉而形成具有二維平面或三維立體的多維編織預(yù)制體，就像鋼結(jié)構(gòu)框架一樣，從結(jié)構(gòu)和性能上強(qiáng)化了復(fù)合材料，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化制造，在復(fù)合材料成型工藝中起著十分重要作用。碳纖維復(fù)合材料的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式包括短切纖維、連續(xù)長絲和多維編織預(yù)制體。

3 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料中，受到廣泛關(guān)注的是不連續(xù)碳纖維（長度為3～12 mm）增強(qiáng)復(fù)合材料。這是因?yàn)椋涸搹?fù)合材料的綜合力學(xué)性能高（遠(yuǎn)高于注塑成型品），且可快速成型（＜1 min），特別是可直接成型復(fù)雜形狀，因而可作為面板材料廣泛應(yīng)用于汽車、電子電器、高速軌道列車、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域中。

在國際上，由碳纖維紗與熱塑性樹脂膜的復(fù)合材料在歐美和日本等發(fā)達(dá)國家得到廣泛的關(guān)注。美國紐約州立大學(xué)布法羅分校D.D.L.Chung 教授采用鍍鎳碳纖維紗進(jìn)行電磁屏蔽效能測試，當(dāng)面密度為20～30 g/m2時(shí)，電磁波在300 kHz 附近衰減50 dB 以上[7]。日本東麗株式會社橋本雅宏等將長度為2～20 mm的短切碳纖維利用抄紙工藝制成碳纖維紗，并與聚苯乙烯樹脂膜熱壓成型制成復(fù)合材料；結(jié)果表明：當(dāng)碳纖維長度為7.5 mm，含量為20%時(shí)，制成的復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度可達(dá)到160 MPa，彈性模量可達(dá)到15 GPa。東京大學(xué)的Jun Takahashi 教授通過三菱公司生產(chǎn)的CF TR50S 短切碳纖維帶與尼龍6 樹脂復(fù)合，得到抗拉強(qiáng)度為180 MPa 以上，彈性模量為20 GPa 以上的復(fù)合材料[8]。以上方法采用的均是將碳纖維紗與樹脂膜鋪層熱壓的方法。由于熱塑性樹脂的熔融粘度大，樹脂的擴(kuò)散路徑長，難以均勻浸潤到碳纖維絲束之間，且高壓下碳纖維易在高壓下熱滑移，形成局部不均勻現(xiàn)象，將嚴(yán)重降低復(fù)合材料的力學(xué)性能和電磁屏蔽性能。2016 年，日本阿波制紙公司采用濕法混抄的工藝，制備出了力學(xué)性能優(yōu)異的碳纖維預(yù)浸料，比強(qiáng)度和比模量均優(yōu)于傳統(tǒng)的金屬材料。

目前國內(nèi)僅有中科院山西煤炭化學(xué)研究所進(jìn)行不連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸料的研究，未見其他單位進(jìn)行相關(guān)研究。

中科院山西煤炭化學(xué)研究所采用將不連續(xù)碳纖維（8～12 mm）與聚丙烯樹脂粉體采用特殊的表面活性劑分子開關(guān)技術(shù)，使樹脂粉末均勻分散在碳纖維紗中，并通過熱壓形成預(yù)浸料，進(jìn)而通過預(yù)浸料疊層、熱壓使聚醚酰亞胺樹脂熔融浸潤碳纖維/鍍鎳碳纖維并形成復(fù)合材料。該方法得到的復(fù)合材料具有以下特征：碳纖維長度可為8～12 mm，根據(jù)Cox-Kelly 公式，可得到高抗拉強(qiáng)度的復(fù)合材料；將熱塑性樹脂粉末均勻分布到碳纖維表面附近，可提高兩者的浸潤性，因而可提高碳纖維的用量，進(jìn)而提高復(fù)合材料的彈性模量；由于碳纖維與聚丙烯樹脂均勻混合，減少了碳纖維絲間空隙的存在，可避免熱壓過程中受力不勻而產(chǎn)生的纖維位移問題，可保證碳纖維中在復(fù)合材料中均勻分布，有利于保證良好的力學(xué)性能（對于鍍鎳碳纖維，也可保障優(yōu)異的電磁屏蔽性能）；工藝路線簡單，可高速成型。

4 山西省產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

從產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域看，山西當(dāng)前已有太鋼在生產(chǎn)T800聚丙烯腈基碳纖維，大同晉投玄武巖纖維有限公司已投產(chǎn)玄武巖纖維，盡管情況有所不同，但均存在民用市場未打開，下游需求乏力的問題。總體來看，碳纖維仍是原材料，必須開拓下游產(chǎn)品，將碳纖維制成復(fù)合材料才能真正發(fā)揮其效用，打開市場并推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

5 山西省技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

從研究領(lǐng)域看，山西當(dāng)前有中科院山西煤炭化學(xué)研究所在從事從碳纖維到復(fù)合材料的全產(chǎn)業(yè)鏈研究，中北大學(xué)從事功能復(fù)合材料的研究。山西煤化所關(guān)于碳纖維增強(qiáng)熱塑性/熱固性樹脂復(fù)合材料的性能及界面有多年研究基礎(chǔ)，相關(guān)論文有上百篇。

6 結(jié)論

自2015 年起，日本汽車工業(yè)協(xié)會正式將碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料確認(rèn)為輕量化汽車的首選材料以來，碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂得到了前所未有的發(fā)展，國際上日本、美國、歐洲等企業(yè)紛紛進(jìn)行研發(fā)和專利布局，例如德國寶馬公司在輕量化汽車中采用了大量碳纖維熱塑性樹脂基復(fù)合材料；而日本近年連續(xù)推出很多新型熱塑性樹脂復(fù)合材料的新技術(shù)、新工藝。

國內(nèi)汽車工業(yè)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用尚處于起步階段，以奇瑞、觀致、北汽為代表的國內(nèi)汽車廠商已初步探索在其推出的新能源電動汽車上使用碳纖維復(fù)合材料。