碳纤维增强树脂基复合材料的研究探讨

付 璐 孟 玲 刘顺强

(1. 南京交通职业技术学院，南京 211188；2. 连云港职业技术学院，连云港 222006)

碳纤维(Carbon fiber)是一种纤维状微晶石墨材料，它的碳含量很高，大概在95%左右[1]。它主要是由有机纤维在惰性气体保护下，经1 300 ℃～1 800 ℃的高温碳化及其石墨化制得[2]。与普通材料的物理、化学以及力学性能相比，碳纤维的性能更加优异，例如质轻、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀以及耐疲劳等。目前，它已被广泛应用于航空航天、交通运输和体育休闲等领域[3-7]。碳纤维因其外形呈纤维状而得名，无法直接使用。但是，柔软的碳纤维材料可以被加工成很多种织物，然后再与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成复合材料，最后再通过加工成型得到我们所需要的结构件进行使用。其中，研究与应用最多的是以碳纤维为增强体，合成树脂为基体复合而成的碳纤维增强树脂基复合材料[8]，这种材料在现有的结构材料中的综合性能最优。目前，这种高性能的复合材料在现代先进复合材料中所处的位置是无可替代的，因此被誉为21世纪最具有生命力的成型材料[9]。

1 发展进程

碳纤维在50年代初期刚开始产生时成本相对比较昂贵，人们一般只将它应用在航空航天等一些尖端科技上，因此，它一开始并不被大众所熟悉。随着科技工作者的不断努力，到80年代初期，碳纤维得到了很大的发展，在性能方面有了很大的提升，在成本方面也有所下降。目前，碳纤维的应用已更趋于民众化了，我们在机械制造、电工电子以及化学化工等很多产业中都能看到碳纤维的身影。

我们常见的树脂基体有热塑性和热固性两类，其中热固性树脂相比于热塑性树脂的产生及应用要早很多，但是，近年来热塑性复合材料的发展速度却大幅度超过了热固性复合材料[10]，成了复合材料研究应用的主要方向。主要是因为热塑性复合材料不仅拥有优异的力学性能，而且它的生产周期也没有热固性复合材料那么长，并且它还可以回收再利用。

有关碳纤维增强树脂基复合材料的分类,主要有两种分类方式，其中，按碳纤维增强体形态不同可分为连续纤维和短纤维增强树基复合材料两类；按基体种类不同又可分为碳纤维增强热固性和热塑性树脂基复合材料两类。在选择材料的过程中，我们可以根据所需要的性能要求，选择合适的复合材料。

2 制备方法

碳纤维增强树脂基复合材料的成型方法有很多种，当复合材料的增强体不同时，它的成型方式存在很大差异。当增强体为短纤维时一般会采用热压成型，注塑成型和拉挤成型等方法。当增强体为连续纤维时，一般先将纤维制备成预浸料，然后再成型，其中，预浸料一般是采用培融法，粉末法，溶剂法，混纤法[11]等方法制备。

模压成型是碳纤维增强热塑性树脂基复合材料常采用的成型方式，即先将碳纤维制备成预浸料，然后使预浸料在相应的模具中铺展叠放熔融后，再以相应的压力压制成型[12]，如图1所示。通过设置工艺参数，如调整模压的时间、模具温度、以及模压成型的压力等，即可快速制得所需的纤维增强热塑性复合材料板材。

图1 预浸料模压成型示意图

碳纤维增强环氧树脂基复合材料一般采用树脂传递模塑(RTM)的方式进行成型。也就是先在模腔中按结构和性能将纤维或预成型件铺放好，然后再采用专用设备使树脂充分浸润纤维，最后等固化后进行脱模得到复合材料构件(如图2所示)[13]。

图2 树脂传递模塑(RTM)成型过程示意图

目前，碳纤维也大量应用在新能源制造业中的大型风电叶片的制造中，这里主要采用的是一种大尺寸复合材料制件的液体模塑成型技术，即目前发展较为迅速的真空导入成型工艺[14]。

3 应用领域

3.1 在航空航天中的应用

碳纤维增强树脂基复合材料的很多性能特点，如质轻、耐热耐腐蚀等可以满足航天航空领域对材料性能苛刻的要求。目前，它已经应用在波音747、南方航空等多款飞机上[15]。另外，随着我国航空航天科技的不断发展以及科研工作者对碳纤维增强复合材料的不断研究，它在军用航空航天领域的应用也会更加频繁。

3.2 在汽车领域中的应用

随着时代的发展与进步，汽车的设计制造不仅要具有高性能，其质量也在朝着越来越轻的方向发展。研究者们主要是在优化汽车结构设计，采用先进制造工艺以及应用新型轻量型材料三个方面着手[16-17]。其中，碳纤维增强树脂基复合材料因其具有质轻、强度高以及减振性好等特点而成为汽车行业首选的新型轻量型材料。它主要用于制造发动机零件、车顶、车底盘、轮毂、转动轴、刹车盘等汽车重要零部件[18]。目前，碳纤维增强树脂基复合材料在汽车领域比较受高档汽车的欢迎，主要是因为它目前的生产工艺还比较复杂，生产周期也相对较长，导致它的应用成本相对其他材料较高。但是，随着制造工艺的越趋成熟以及成本的不断降低，它在汽车领域的应用将更加普遍。

3.3 在船舶制造领域中的应用

将碳纤维增强树脂基复合材料应用在船舶制造领域，也是颇具优势的，在有效降低船舶的重量的同时，将其用在螺旋桨、风帆等部件上还能显著增加这些部件的性能，增加其使用寿命。另外，其还是桅杆、船舱、方向舵等船舶重要部件的主要制造材料。

3.4 在电子行业中的应用

对于可移动、可装卸以及便携式电子产品，如：摄像机、VR可视眼镜、户外可拆卸的大屏幕、LED电视以及笔记本电脑等，因对轻量化要求较高，碳纤维复合材料将成为一种很具潜力的材料。

目前，在笔记本电脑行业中，轻薄型笔记本每年大约有5 000万～6 000万台的销量，应用较多的还是铝合金和镁铝合金等材料制得的，近年来，随着碳纤维复合材料的兴起，也有部分笔记本电脑采用了碳纤维复合材料，例如：联想X1显示器外壳，戴尔XPS13和惠普SPECTRE的底板，以及苹果公司在ipad设计中使用的共振片都是采用碳纤维复合材料制造的。另外，目前市场上已有碳纤维制作的手机保护套售卖，并有相关的专利已公开。

3.5 在新能源工业制造中的应用

碳纤维增强树脂基复合材料因其优异的性能，也使得它广泛出现在新能源制造行业中[19]，如风力发电机的叶片、输电杆和一些电网设备等。

3.6 体育休闲行业中的应用

目前，碳纤维增强树脂基复合材料也越来越多的应用在了高尔夫球棒、羽毛球拍、钧鱼竿和自行车等体育休闲用品中。

4 连接技术探索

在结构件的制造过程中，将不同部件连接在一起是不可避免的环节，用碳纤维增强树脂基复合材料制造的结构件也不例外。然而，碳纤维增强树脂基复合材料的成型特点决定了它的性能是具有各向异性的，这就成了它层间强度相对较低的主要原因，另外，它本身的延展性还较小，从而导致用这种材料制造的结构件之间的连接相对困难。因此，研究探讨连接和固定方式就成了必不可少的环节。

目前，在用碳纤维增强树脂基复合材料制造的结构件之间的连接一般不会采用单一的连接方式，而是同时采用机械连接和胶接。时间验证结果表明，这种混合连接的方式强度和可靠性更高。其中，机械连接一般是使用铆钉和螺栓进行连接，这种连接方式一般具有较高的可靠性，但是它会增加质量以及应力集中等问题。与机械连接相比，胶接技术也是相当成熟的连接技术，它不仅可以避免应力集中，还可以减量。但是，胶接质量控制相对困难，且黏结面的表面处理和黏结工艺要求严格等。

焊接也是目前常用的连接方式之一。其基本原理是对热塑性复合材料表面的树脂进行加热熔融，然后搭接加压，使之接成一体。虽然这种连接方式具有周期短，连接强度高，应力小以及效果好等优点，但是它也存在不易拆卸的缺点。

5 结语

从碳纤维增强树脂基复合材料得到人们的广泛关注以来，越来越多的领域开始应用这种新型结构材料。但是其表面处理，机加工等方面存在的问题还有待研究和探讨。随着研究的进一步深入，它在其他领域的应用也将更加广泛。

另一方面，由于我国碳纤维增强复合材料的起步较晚，导致其发展也相对较慢，其发展水平与世界先进水平相比还很落后[20]。我们要以应用为前提，对这种材料作进一步的研究。