碳纖維增強樹脂基復合材料的研究探討

付 璐 孟 玲 劉順強

(1. 南京交通職業技術學院，南京 211188；2. 連云港職業技術學院，連云港 222006)

碳纖維(Carbon fiber)是一種纖維狀微晶石墨材料，它的碳含量很高，大概在95%左右[1]。它主要是由有機纖維在惰性氣體保護下，經1 300 ℃～1 800 ℃的高溫碳化及其石墨化制得[2]。與普通材料的物理、化學以及力學性能相比，碳纖維的性能更加優異，例如質輕、高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕以及耐疲勞等。目前，它已被廣泛應用于航空航天、交通運輸和體育休閑等領域[3-7]。碳纖維因其外形呈纖維狀而得名，無法直接使用。但是，柔軟的碳纖維材料可以被加工成很多種織物，然后再與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，制成復合材料，最后再通過加工成型得到我們所需要的結構件進行使用。其中，研究與應用最多的是以碳纖維為增強體，合成樹脂為基體復合而成的碳纖維增強樹脂基復合材料[8]，這種材料在現有的結構材料中的綜合性能最優。目前，這種高性能的復合材料在現代先進復合材料中所處的位置是無可替代的，因此被譽為21世紀最具有生命力的成型材料[9]。

1 發展進程

碳纖維在50年代初期剛開始產生時成本相對比較昂貴，人們一般只將它應用在航空航天等一些尖端科技上，因此，它一開始并不被大眾所熟悉。隨著科技工作者的不斷努力，到80年代初期，碳纖維得到了很大的發展，在性能方面有了很大的提升，在成本方面也有所下降。目前，碳纖維的應用已更趨于民眾化了，我們在機械制造、電工電子以及化學化工等很多產業中都能看到碳纖維的身影。

我們常見的樹脂基體有熱塑性和熱固性兩類，其中熱固性樹脂相比于熱塑性樹脂的產生及應用要早很多，但是，近年來熱塑性復合材料的發展速度卻大幅度超過了熱固性復合材料[10]，成了復合材料研究應用的主要方向。主要是因為熱塑性復合材料不僅擁有優異的力學性能，而且它的生產周期也沒有熱固性復合材料那么長，并且它還可以回收再利用。

有關碳纖維增強樹脂基復合材料的分類,主要有兩種分類方式，其中，按碳纖維增強體形態不同可分為連續纖維和短纖維增強樹基復合材料兩類；按基體種類不同又可分為碳纖維增強熱固性和熱塑性樹脂基復合材料兩類。在選擇材料的過程中，我們可以根據所需要的性能要求，選擇合適的復合材料。

2 制備方法

碳纖維增強樹脂基復合材料的成型方法有很多種，當復合材料的增強體不同時，它的成型方式存在很大差異。當增強體為短纖維時一般會采用熱壓成型，注塑成型和拉擠成型等方法。當增強體為連續纖維時，一般先將纖維制備成預浸料，然后再成型，其中，預浸料一般是采用培融法，粉末法，溶劑法，混纖法[11]等方法制備。

模壓成型是碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料常采用的成型方式，即先將碳纖維制備成預浸料，然后使預浸料在相應的模具中鋪展疊放熔融后，再以相應的壓力壓制成型[12]，如圖1所示。通過設置工藝參數，如調整模壓的時間、模具溫度、以及模壓成型的壓力等，即可快速制得所需的纖維增強熱塑性復合材料板材。

圖1 預浸料模壓成型示意圖

碳纖維增強環氧樹脂基復合材料一般采用樹脂傳遞模塑(RTM)的方式進行成型。也就是先在模腔中按結構和性能將纖維或預成型件鋪放好，然后再采用專用設備使樹脂充分浸潤纖維，最后等固化后進行脫模得到復合材料構件(如圖2所示)[13]。

圖2 樹脂傳遞模塑(RTM)成型過程示意圖

目前，碳纖維也大量應用在新能源制造業中的大型風電葉片的制造中，這里主要采用的是一種大尺寸復合材料制件的液體模塑成型技術，即目前發展較為迅速的真空導入成型工藝[14]。

3 應用領域

3.1 在航空航天中的應用

碳纖維增強樹脂基復合材料的很多性能特點，如質輕、耐熱耐腐蝕等可以滿足航天航空領域對材料性能苛刻的要求。目前，它已經應用在波音747、南方航空等多款飛機上[15]。另外，隨著我國航空航天科技的不斷發展以及科研工作者對碳纖維增強復合材料的不斷研究，它在軍用航空航天領域的應用也會更加頻繁。

3.2 在汽車領域中的應用

隨著時代的發展與進步，汽車的設計制造不僅要具有高性能，其質量也在朝著越來越輕的方向發展。研究者們主要是在優化汽車結構設計，采用先進制造工藝以及應用新型輕量型材料三個方面著手[16-17]。其中，碳纖維增強樹脂基復合材料因其具有質輕、強度高以及減振性好等特點而成為汽車行業首選的新型輕量型材料。它主要用于制造發動機零件、車頂、車底盤、輪轂、轉動軸、剎車盤等汽車重要零部件[18]。目前，碳纖維增強樹脂基復合材料在汽車領域比較受高檔汽車的歡迎，主要是因為它目前的生產工藝還比較復雜，生產周期也相對較長，導致它的應用成本相對其他材料較高。但是，隨著制造工藝的越趨成熟以及成本的不斷降低，它在汽車領域的應用將更加普遍。

3.3 在船舶制造領域中的應用

將碳纖維增強樹脂基復合材料應用在船舶制造領域，也是頗具優勢的，在有效降低船舶的重量的同時，將其用在螺旋槳、風帆等部件上還能顯著增加這些部件的性能，增加其使用壽命。另外，其還是桅桿、船艙、方向舵等船舶重要部件的主要制造材料。

3.4 在電子行業中的應用

對于可移動、可裝卸以及便攜式電子產品，如：攝像機、VR可視眼鏡、戶外可拆卸的大屏幕、LED電視以及筆記本電腦等，因對輕量化要求較高，碳纖維復合材料將成為一種很具潛力的材料。

目前，在筆記本電腦行業中，輕薄型筆記本每年大約有5 000萬～6 000萬臺的銷量，應用較多的還是鋁合金和鎂鋁合金等材料制得的，近年來，隨著碳纖維復合材料的興起，也有部分筆記本電腦采用了碳纖維復合材料，例如：聯想X1顯示器外殼，戴爾XPS13和惠普SPECTRE的底板，以及蘋果公司在ipad設計中使用的共振片都是采用碳纖維復合材料制造的。另外，目前市場上已有碳纖維制作的手機保護套售賣，并有相關的專利已公開。

3.5 在新能源工業制造中的應用

碳纖維增強樹脂基復合材料因其優異的性能，也使得它廣泛出現在新能源制造行業中[19]，如風力發電機的葉片、輸電桿和一些電網設備等。

3.6 體育休閑行業中的應用

目前，碳纖維增強樹脂基復合材料也越來越多的應用在了高爾夫球棒、羽毛球拍、鈞魚竿和自行車等體育休閑用品中。

4 連接技術探索

在結構件的制造過程中，將不同部件連接在一起是不可避免的環節，用碳纖維增強樹脂基復合材料制造的結構件也不例外。然而，碳纖維增強樹脂基復合材料的成型特點決定了它的性能是具有各向異性的，這就成了它層間強度相對較低的主要原因，另外，它本身的延展性還較小，從而導致用這種材料制造的結構件之間的連接相對困難。因此，研究探討連接和固定方式就成了必不可少的環節。

目前，在用碳纖維增強樹脂基復合材料制造的結構件之間的連接一般不會采用單一的連接方式，而是同時采用機械連接和膠接。時間驗證結果表明，這種混合連接的方式強度和可靠性更高。其中，機械連接一般是使用鉚釘和螺栓進行連接，這種連接方式一般具有較高的可靠性，但是它會增加質量以及應力集中等問題。與機械連接相比，膠接技術也是相當成熟的連接技術，它不僅可以避免應力集中，還可以減量。但是，膠接質量控制相對困難，且黏結面的表面處理和黏結工藝要求嚴格等。

焊接也是目前常用的連接方式之一。其基本原理是對熱塑性復合材料表面的樹脂進行加熱熔融，然后搭接加壓，使之接成一體。雖然這種連接方式具有周期短，連接強度高，應力小以及效果好等優點，但是它也存在不易拆卸的缺點。

5 結語

從碳纖維增強樹脂基復合材料得到人們的廣泛關注以來，越來越多的領域開始應用這種新型結構材料。但是其表面處理，機加工等方面存在的問題還有待研究和探討。隨著研究的進一步深入，它在其他領域的應用也將更加廣泛。

另一方面，由于我國碳纖維增強復合材料的起步較晚，導致其發展也相對較慢，其發展水平與世界先進水平相比還很落后[20]。我們要以應用為前提，對這種材料作進一步的研究。