碳纤维增强热塑性树脂复合材料的应用推广探讨

李 晨

（山西省科技成果转移转化促进与数据监测中心， 山西 太原 030000）

引言

高性能碳纤维及其复合材料具有轻质、高强、高模、抗冲击、抗疲劳、耐高温和耐腐蚀等优异的性能，是航空航天、国家防御等国家战略领域的关键核心材料，同时也是风力发电、交通运输、海洋开发和安全防护等高技术领域的关键基础材料。新一代国防武器装备和新型民用高端装备的研发，对高性能碳纤维及其复合材料提出了新的要求，高性能化和结构一体化成为其发展的重要趋势和前沿领域。

碳纤维复合材料分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。传统的碳纤维复合材料是指热固性树脂基复合材料；而热塑性树脂基复合材料是近年来应轻量化汽车等民用领域的需求正在发展的新型碳纤维复合材料。

1 国家和山西省政策背景

国务院印发《关于中国制造2025 的通知》中明确将碳纤维及其复合材料列为重点基础材料；另外，在《通知》中列出的十大重点发展领域，如高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、生物医药及高性能医疗器械等十个重点发展领域中，碳纤维复合材料特别是碳纤维增强热塑性树脂基复合材料（CFRTP）在这些领域中均有重要的应用。碳纤维增强热塑性树脂基复合材料在轨道交通和新能源汽车领域，尤其体现了“节能环保”与“轻量化”[1]。在轨道车辆中的内饰部件都可以使用CFRTP，在实现车体大幅度减重的同时，还减少了燃料使用成本和废气排放指标，提升了车速。材料的高强度、高拉伸载荷力以及极小的变形性等特性也在一定程度上保障了车体安全。新能源汽车在继承传统汽车对碳纤维复合材料积极应用的基础上，在降自重、降能耗、减少充电频率、延长电池寿命等方面有更强的研究需求，这也是新能源车区别于传统汽车的价值与意义所在[2]。与此同时，政府制定的有关车辆燃料经济性严格标准和二氧化碳排放法规进一步促进了新能源汽车必须优先选择碳纤维复合材料。电动汽车的车身重量比传统汽车要超200～300 kg，为保证电动汽车有更好的续驶里程，电动汽车的车身重量必须减重50%以上。CFRTP 是当前唯一能替代钢质零部件，减重达50%～60%，并提供同等强度或更优力学性能，并且可回收再用的新型材料。

《山西省加快推进新材料产业发展实施方案》中提出推动T800 级碳纤维等高端纤维工程化应用和产业化，积极开展聚丙烯腈原丝—碳纤维—预浸料或预制件—复合材料零件—终应用的全产业链技术攻关，加快聚丙烯腈基碳纤维向规模化、高水平炭化、高端制品发展[3]。开发高性能纤维及其复合材料等下游产品应用，打造从基础原料、复合材料到制品构件的碳纤维完整产业链。大力开发新能源汽车、航空航天、高速列车、风力发电、压力容器、建筑补强和高压输电等领域的应用产品[4]。

2 国内外产业发展现状

从全球来看，碳纤维制造的主力军是日本和他们在欧美设立的工厂，其次是依靠欧美航空航天市场的美国HEXCEL 和CYTEC 公司，及其依靠强大工业制造体系的德国SGL 公司[5]。近年来，随着中国在碳纤维领域市场中的不断投入，中国碳纤维产量在全球的市场份额也在持续提高。

随着各行业对轻量化技术的需求量增加，碳纤维及复合材料的市场需求高速增长。据日本富士经济调查预测，2030 年PAN 基碳纤维的全球市场规模将达到49 亿美元，而相应的复合材料全球市场规模则将达到403 亿美元。在碳纤维复合材料的应用市场中，航空领域占据了四成以上，仍然是主要增长[6]。另外，随着碳纤维及复合材料的成本逐渐降低，风电叶片、压力容器等将成为未来市场的活跃新增增长点。在区域市场增长方面，欧美地区对轻量化材料的需求刺激了碳纤维在新能源汽车工业等领域的应用，亚太地区则以中国为重要增长点，主要集中在航空、航天领域。

碳纤维复合材料巨大的市场需求带动着相关行业的迅速发展。碳纤维产业链的相关产品中，碳纤维编织预制体是从原材料到碳纤维复合材料的中间产品。采用纺织加工方法将碳纤维交织交叉而形成具有二维平面或三维立体的多维编织预制体，就像钢结构框架一样，从结构和性能上强化了复合材料，同时可以实现复杂结构一体化制造，在复合材料成型工艺中起着十分重要作用。碳纤维复合材料的增强结构形式包括短切纤维、连续长丝和多维编织预制体。

3 国内外技术发展现状

在碳纤维增强热塑性树脂复合材料中，受到广泛关注的是不连续碳纤维（长度为3～12 mm）增强复合材料。这是因为：该复合材料的综合力学性能高（远高于注塑成型品），且可快速成型（＜1 min），特别是可直接成型复杂形状，因而可作为面板材料广泛应用于汽车、电子电器、高速轨道列车、工业机器人等领域中。

在国际上，由碳纤维纱与热塑性树脂膜的复合材料在欧美和日本等发达国家得到广泛的关注。美国纽约州立大学布法罗分校D.D.L.Chung 教授采用镀镍碳纤维纱进行电磁屏蔽效能测试，当面密度为20～30 g/m2时，电磁波在300 kHz 附近衰减50 dB 以上[7]。日本东丽株式会社桥本雅宏等将长度为2～20 mm的短切碳纤维利用抄纸工艺制成碳纤维纱，并与聚苯乙烯树脂膜热压成型制成复合材料；结果表明：当碳纤维长度为7.5 mm，含量为20%时，制成的复合材料抗拉强度可达到160 MPa，弹性模量可达到15 GPa。东京大学的Jun Takahashi 教授通过三菱公司生产的CF TR50S 短切碳纤维带与尼龙6 树脂复合，得到抗拉强度为180 MPa 以上，弹性模量为20 GPa 以上的复合材料[8]。以上方法采用的均是将碳纤维纱与树脂膜铺层热压的方法。由于热塑性树脂的熔融粘度大，树脂的扩散路径长，难以均匀浸润到碳纤维丝束之间，且高压下碳纤维易在高压下热滑移，形成局部不均匀现象，将严重降低复合材料的力学性能和电磁屏蔽性能。2016 年，日本阿波制纸公司采用湿法混抄的工艺，制备出了力学性能优异的碳纤维预浸料，比强度和比模量均优于传统的金属材料。

目前国内仅有中科院山西煤炭化学研究所进行不连续碳纤维增强热塑性树脂预浸料的研究，未见其他单位进行相关研究。

中科院山西煤炭化学研究所采用将不连续碳纤维（8～12 mm）与聚丙烯树脂粉体采用特殊的表面活性剂分子开关技术，使树脂粉末均匀分散在碳纤维纱中，并通过热压形成预浸料，进而通过预浸料叠层、热压使聚醚酰亚胺树脂熔融浸润碳纤维/镀镍碳纤维并形成复合材料。该方法得到的复合材料具有以下特征：碳纤维长度可为8～12 mm，根据Cox-Kelly 公式，可得到高抗拉强度的复合材料；将热塑性树脂粉末均匀分布到碳纤维表面附近，可提高两者的浸润性，因而可提高碳纤维的用量，进而提高复合材料的弹性模量；由于碳纤维与聚丙烯树脂均匀混合，减少了碳纤维丝间空隙的存在，可避免热压过程中受力不匀而产生的纤维位移问题，可保证碳纤维中在复合材料中均匀分布，有利于保证良好的力学性能（对于镀镍碳纤维，也可保障优异的电磁屏蔽性能）；工艺路线简单，可高速成型。

4 山西省产业发展现状

从产业领域看，山西当前已有太钢在生产T800聚丙烯腈基碳纤维，大同晋投玄武岩纤维有限公司已投产玄武岩纤维，尽管情况有所不同，但均存在民用市场未打开，下游需求乏力的问题。总体来看，碳纤维仍是原材料，必须开拓下游产品，将碳纤维制成复合材料才能真正发挥其效用，打开市场并推动产业发展。

5 山西省技术发展现状

从研究领域看，山西当前有中科院山西煤炭化学研究所在从事从碳纤维到复合材料的全产业链研究，中北大学从事功能复合材料的研究。山西煤化所关于碳纤维增强热塑性/热固性树脂复合材料的性能及界面有多年研究基础，相关论文有上百篇。

6 结论

自2015 年起，日本汽车工业协会正式将碳纤维增强热塑性树脂基复合材料确认为轻量化汽车的首选材料以来，碳纤维增强热塑性树脂得到了前所未有的发展，国际上日本、美国、欧洲等企业纷纷进行研发和专利布局，例如德国宝马公司在轻量化汽车中采用了大量碳纤维热塑性树脂基复合材料；而日本近年连续推出很多新型热塑性树脂复合材料的新技术、新工艺。

国内汽车工业碳纤维复合材料的应用尚处于起步阶段，以奇瑞、观致、北汽为代表的国内汽车厂商已初步探索在其推出的新能源电动汽车上使用碳纤维复合材料。