淺析碳纖維復合材料的應用現狀與發展趨勢

張雨

關鍵詞：碳纖維復合材料;應用現狀;發展趨勢

一、碳纖維復合材料的分類

碳纖維指的是95%以上的含碳量且具備高強度、高模量的一種特種纖維材料，它通過復合材料的加工而形成。碳纖維復合材料通常以碳纖維、金屬、陶瓷等等進行融合與反復加工，成為符合功能要求的結構性材料。碳纖維復合材料相較于金屬材料，具備著耐腐蝕、耐高溫、便于設計等等諸多優點。按基體的不同，可以將碳纖維復合材料分為樹脂基復合材料、碳復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、橡膠基復合材料等等。碳纖維復合材料在全世界范圍之內擁有著廣泛的材料消費市場，總占比約為80%，可見碳纖維復合材料已經成為了材料市場當中的主流消費材料。本文主要介紹碳纖維復合材料的成型工藝以及具體使用情況。

二、樹脂基復合材料（CFRP）成型工藝

CFRP擁有著許多的成型技術，近些年來，預成型件成型技術通過采用綜合成型形式，減少使用的零件，也能夠一定程度的降低成型的成本，已經得到了廣泛的應用。它避免分層剝離技術的應用難點，在航空飛機結構構造、汽車的構件制備等方面得到充分利用。

2.1模壓成型工藝

模壓成型是一種非常傳統的工藝形式，它是由普通的塑料制品模壓成型逐漸轉化而來。在加工的過程當中，通過將碳纖維預浸料置于上下模之間，從而利用專業的設備進行加工過程。將模具放置在液壓成型臺上，在高溫高壓的作用之下，讓樹脂材料產生固化反應，得到最終的制品。這種工藝加工形式具備著制件質量優、技術處理高效的優勢，而且它能夠在尺寸精度方面得到較高控制，且加工形式不易受周圍環境的影響。但是其總體的投入成本較高，也容易受到機械設備的限制，擁有著前期模具制造復雜的缺點[1]。

2.2熱壓罐成型工藝

熱壓罐成型最早在航空結構復合材料的制作中得到了廣泛的應用，它針對一些大尺寸且形狀結構較為復雜的制件制作具備著一定的優勢。熱壓罐成型工藝通過將單層的預浸料按照特定的方向完成鋪設和疊成，再將復合材料的坯料放置在熱壓罐之內，在高溫高壓的作用之下進行固化。加工時使用的材料如碳纖維預浸料中間體，具備著能夠固化較多層次和復雜曲面的優勢，而且工藝建造的方式較為穩定，應用范圍廣。但是總體而言，設備的投資較高，制品容易受到熱壓罐尺寸的限制。熱壓罐成型工藝能夠作用于飛機艙門、機翼、尾翼、機載雷達罩等等的結構構件制作中，在航空航天方面使用較廣。

2.3樹脂轉移膜塑成型工藝

樹脂轉移膜塑成型也被稱為RTM，它是一種制作復合材料的高效方式，最初應用于飛機次承力結構件，現如今已經廣泛在汽車、飛機等的組件加工當中得到應用。它具備著制件質量優、尺寸精度高、低成本的優勢，而且在結構復雜且體積較大的構件制作中，能夠得到廣泛應用。技術加工時，通過在模腔中鋪放符合設計要求的增強材料，從而形成具體形體，將數值體系注入閉合的模腔完成固化后得到相關構件。它可以通過真空導入模塑工藝、高壓RTM等，完成復合材料的固化過程。工藝形式具備著低成本的優勢，能夠得到大批量的生產。在生產創造時的速度較快，可以利用CAD設計進行精度控制，而且制造能夠達到多次使用的優勢[2]。

三、CFRP的應用現狀

3.1航空航天

CFRP可以在我國的航空航天碳纖維裝置制造當中得到廣泛應用，相較于其他的常規材料，該材料能夠使飛機的自重減輕。克服金屬材料容易被腐蝕的缺點，從而增強飛機整體的耐用性。而且CFRP具備著降低制造成本的優勢，也能夠增強飛機建造的速率，使飛機的制作訂單得以增加，尤其是商用飛機。隨著我國航空制造領域的發展，CFRP部件的制作效率和數量越來越多，比如殲-11B在機翼外翼段＼水平尾翼、直10和直19武裝直升機中的機身框架結構等。目前CFRP材料應用較多的還是軍用飛機、無人飛機、直升機，在未來無人機產量的井噴式增長，也會使得CFRP材料的應用更加廣泛，需求量更大。截止到2020年，我國航空航天領域在CFRP材料的需求量中高達1700t，預計未來還會持續增長。

3.2汽車工業

隨著社會科技的進步，人們經濟水平的提升，汽車工業也在飛速發展。人們對汽車的要求更高，提出了環保、低能耗等多種需求，而碳纖維材料則具備著在節能環保方面發展的潛質。它能夠提高材料的強度，提供較高的安全性，使得車身得到輕量化。據歐洲鋁協研究數據顯示，通過使用碳纖維復合材料，能夠使車身質量降低10%，燃油效率提高6%～8%。為了能夠促進我國汽車工業輕量化的過程，我們必須要使CFRP材料在汽車工業領域的使用概率得到提升。但由于碳纖維復合材料的價格較高，有許多汽車制造商在開展生產創造時不愿意采用高額的復合材料，這也導致了CFRP在汽車輕量化領域的應用得到限制。但是多材料復合車身是汽車制造業的未來發展趨勢，通過提升工藝建造形式，有效降低成本，能夠使得CFRP在車身建造中得到更加廣泛的應用。預計到2025年，汽車輕量化能夠通過利用碳纖維材料的質量成本控制，使得CFRP材料的汽車產量高達60萬輛，CFRP在汽車領域消耗量為6000t[3]。

3.3風電領域

全球的風電容量正在持續增加，據2018年的數據統計顯示，風電容量已經超過51.32GW。出于經濟性的考慮，在使用CFRP大型復合材料利用于風電行業中，應當思考葉片制造的性能。利用部分結構，使用碳纖維或玻璃纖維混合材料，來有效降低成本，進一步推動CFRP在風電領域的發展。2018年，我國國內的風電葉片CFRP消費量約1.2萬t，較2017年增長了一倍，這也證明了風電葉片領域當中，CFRP材料的需求量正在逐年上升。通過研究技術建造形式，能夠有效提升產量并推動材料制造業在風電領域的發展。

3.4體育休閑

碳纖維復合材料可以通過制作球拍、棍球棒等等產品來達到應用于體育休閑業的目的。在該行業當中，CFRP生產量約為2.1t年均，且在持續增加。但由于這些產品多為出口商品，所以在我國的發展速度會逐漸放緩。

行業發展趨勢及建議

復合材料具備著強度高、設計性強等等優勢，相較于其他傳統材料，復合材料也具備耐腐蝕和抗疲勞的優點。復合材料可以在不同科學領域中得到廣泛利用，近些年來，碳纖維復合材料的科學研發工作一直在穩步進展。在未來，CFRP的成型技術和相關設備會逐漸國產化，如3D打印的碳纖維復合材料成型技術。而且，通過使用樹脂基體技術，能夠進一步調節產業需求結構，加強不同企業之間的交流合作，實現產品一體化的生產過程[4]。

結束語

綜上所述，通過深入探究碳纖維復合材料的主流加工工藝，能夠將其更加廣泛的應用于不同的行業當中，從而推動人類社會發展的進程，給予各行各業的生產工作更多的可能性。

參考文獻

[1]李奇輝，劉向陽，房曉斌.碳纖維復合材料的應用現狀及我國碳纖維工業的發展方向[J].價值工程，2016（17）：113—115.

[2]鐘奇，施毅，劉博.鋁合金在汽車輕量化中的應用[J].新材料產業，2015（2）：23—27.

[3]王冰佳，黃強，呼慧.復合材料及碳纖維在風力機葉片中的應用現狀[J]. 電站系統工程， 2019（3）：43—45.

[4]張萬君.劉永琪，錢秀松.碳纖維復合材料的孔加工[J].纖維復合材料，2005.22（3）：50—53.