于海寧，高長星，王艷華

(威海光威復(fù)合材料股份有限公司,山東 威海 264200)

碳纖維稱之為“21世紀(jì)新材料之王”[1]，是國防建設(shè)不可或缺的戰(zhàn)略材料，作為武器裝備的基礎(chǔ)性原材料，已成為國家“十三五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點。開展碳纖維材料的應(yīng)用研究對于提高我國的綜合國力，實現(xiàn)材料強(qiáng)國的戰(zhàn)略方針，具有劃時代的意義[2]。

碳纖維是一種含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在95%以上的的特種纖維，具有高強(qiáng)質(zhì)輕，耐疲勞、耐腐蝕，導(dǎo)電導(dǎo)熱、電磁屏蔽性等優(yōu)異性能，外形柔軟，可加工成各種織物[3]。按照加工原料的不同，碳纖維可分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維等。市場90%以上的碳纖維都是以聚丙烯腈纖維為原材料，在高溫惰性的氣體環(huán)境中，經(jīng)過氧化、碳化等工藝制成的無機(jī)高分子纖維[4]。同英國、美國、日本等發(fā)達(dá)國家相比，我國的碳纖維研發(fā)起步較晚，但在國家政策的引導(dǎo)下，已進(jìn)入到快速發(fā)展階段，誕生了以威海光威復(fù)合材料股份有限公司、中復(fù)神鷹碳纖維有限公司、江蘇恒神股份有限公司為代表的骨干企業(yè)。目前,國產(chǎn)的T300，T700，T800，M40J級別的碳纖維性能及表觀質(zhì)量已達(dá)到日本東麗公司同級別產(chǎn)品的性能水平，且部分產(chǎn)品已應(yīng)用到國防軍工領(lǐng)域；T1000級別碳纖維已取得突破性進(jìn)展，百噸級生產(chǎn)線可實現(xiàn)投產(chǎn)；M55J級別高強(qiáng)高模的制備技術(shù)已取得重大突破，部分企業(yè)正在開展工程化的技術(shù)攻關(guān)及后續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定性研究。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)體，以樹脂基、陶瓷基、金屬基等為基體制成的功能性材料，其中碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用較為廣泛[5]。作者主要闡述了碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的性能優(yōu)勢、成型工藝及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，并針對其發(fā)展存在的問題提出了建議。

1 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的性能優(yōu)勢

同其他金屬材料相比，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有一系列的性能優(yōu)勢[6]，如表1所示。

密度小，質(zhì)量輕：碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料密度僅為1.6 g/cm3，約為鋼的1/5，鋁合金的3/5，用其取代金屬材質(zhì)可達(dá)到產(chǎn)品“質(zhì)輕”的目標(biāo)。

高強(qiáng)度，高模量：普通的T300系列碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可達(dá)1 800 MPa，約為鋁合金的4倍，拉伸模量130 GPa，約為金屬鋁的2倍。

耐疲勞，壽命長：經(jīng)過數(shù)百萬次的循環(huán)應(yīng)力疲勞試驗，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度仍可達(dá)到其靜強(qiáng)度的80%，不會產(chǎn)生長久變形，安全系數(shù)高、穩(wěn)定性好。

耐化學(xué)腐蝕性好：在一般的堿性環(huán)境下呈惰性，對有機(jī)溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性。

熱膨脹系數(shù)?。涸诔貤l件下，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的膨脹系數(shù)為負(fù)值，在200～400 ℃環(huán)境下，膨脹系數(shù)接近于0，材料尺寸穩(wěn)定性好。

吸能減震，自潤滑，耐磨損：對振動有優(yōu)異的衰減功能，可以降低振動及噪聲；耐磨性好，摩擦系數(shù)接近0，可以提高產(chǎn)品的配合順暢度，減少部件磨損。

導(dǎo)電導(dǎo)熱性優(yōu)異：導(dǎo)電效果良好，電阻率約為10-3Ω·cm；導(dǎo)熱效果優(yōu)異，不蓄熱，最佳狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1 000 W/(m·K)。

X射線透過性強(qiáng)，與生物相容性好：不會分解出小分子等有害物質(zhì)，可作為外植入物替代人體的部分器官。

2 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的成型工藝

碳纖維具有柔軟可加工性，適用于真空熱壓罐、模壓、樹脂傳遞模塑(RTM)、拉擠等多種成型工藝。

真空袋/熱壓罐成型工藝：將已完成預(yù)定鋪層的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料胚料放在專用壓力容器內(nèi)，再依次輔設(shè)隔離膜、透氣氈、真空袋膜等，使胚料密封于容器和真空袋之間，然后在容器內(nèi)施加一定的壓力和溫度，通過抽真空、加壓升溫固化成型。該工藝適用于機(jī)翼、機(jī)身、雷達(dá)等航空航天設(shè)備制作成型。

模壓工藝：將已完成鋪層的胚料放入金屬模具的上、下模模腔內(nèi)，隨后施加一定的壓力(8～10 MPa)，升溫固化成型。該工藝成型快，精度高，適用于表觀光滑，尺寸精度要求高的產(chǎn)品批量生產(chǎn)。

RTM成型工藝：將增強(qiáng)纖維織物預(yù)先在模具中形成相應(yīng)的形狀，再將樹脂注塑于封閉的模腔中完全浸潤纖維織物，然后固化成型。該工藝產(chǎn)品形狀靈活，成型簡捷，多適用于游艇、船體的設(shè)計。

拉擠成型工藝:在一定牽引力作用下，將連續(xù)纖維絲束、纖維帶經(jīng)過樹脂槽進(jìn)行浸漬膠液，然后依次通過擠壓模具固化成型，此過程可實現(xiàn)自動化控制，生產(chǎn)效率高，適用于生產(chǎn)方形、角型、工字型等截面的型材，目前在風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用較多。

3 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料因具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，以及日趨成熟的加工成型工藝，已在航天、醫(yī)療、交通、風(fēng)電、體育等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3.1 航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

傳統(tǒng)的飛機(jī)零部件以鋁、鈦合金材料為主，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料因具有高強(qiáng)輕質(zhì)、耐高溫、耐疲勞的優(yōu)勢，在20世紀(jì)60年代西方發(fā)達(dá)國家就已將其應(yīng)用于航空領(lǐng)域，主要用于制作艙門、口蓋、整流罩等尺寸較小的非承受力結(jié)構(gòu);而在20世紀(jì)80年代，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料逐漸用于制作垂尾、平尾、鴨翼等受力、尺寸較大的次承力結(jié)構(gòu)件;隨著自動鋪放技術(shù)及熱壓罐成型工藝的成熟，復(fù)合材料制件逐漸向機(jī)翼、機(jī)身等受力大、尺寸大的主承力構(gòu)件發(fā)展[7]。美國AV-8B改進(jìn)式軍機(jī)所用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料質(zhì)量約占整機(jī)結(jié)構(gòu)件質(zhì)量的26%，減重約9%[8]，日本OH-1直升機(jī)機(jī)身質(zhì)量的40%為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，我國J-20戰(zhàn)機(jī)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的用量也接近20%。

近年來，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在以安全性和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的民用飛機(jī)中的應(yīng)用也取得了一定進(jìn)展。世界兩大飛機(jī)制造巨頭波音和空客公司，先后推出了以先進(jìn)的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為主受力結(jié)構(gòu)件的商用飛機(jī)，波音787機(jī)體的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料用量占比高達(dá)50%，采用T800級別碳纖維增韌環(huán)氧樹脂(T800S-3900-2B)制作機(jī)身和機(jī)翼，運(yùn)行時可降低空氣阻力，延長機(jī)體壽命，提高疲勞強(qiáng)度，同時節(jié)省燃油消耗。空客A-350中碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(IMA/M21E)結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量超過了53%，空客A380后機(jī)身蒙皮壁板所采用的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料質(zhì)量占20%[9]。國內(nèi)中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司C919客機(jī)中的中央翼、襟翼等部件均采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，克服了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外形公差等技術(shù)難關(guān)，但碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料質(zhì)量僅占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的12%。

在航天方面，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制作的洲際導(dǎo)彈的鼻錐和翼尖，熱力學(xué)性能優(yōu)異，防熱效果好，可保持航空器的氣動外形，降低非制導(dǎo)誤差；碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制作的導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)殼體在滿足減重需求的前提下，提高了導(dǎo)彈的射程，具有質(zhì)量輕、體積小、射程遠(yuǎn)等優(yōu)勢；碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制作的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件，承重能力強(qiáng)，在減重的同時節(jié)省燃料，且在高低溫環(huán)境中變形量極小。

2018年，在航空航天領(lǐng)域碳纖維的需求量為21 kt，比2017年增長9.4%。其中商用飛機(jī)對碳纖維的需求非常大，根據(jù)波音及空客公司的官網(wǎng)信息，波音公司交付了145架采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制造的B787飛機(jī)，比2017年增長了6.6%，而空客公司交付了93架采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制造的A350XWB飛機(jī)，比2017年78架增長了19.2%[11]。

3.2 醫(yī)療器械領(lǐng)域應(yīng)用

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用基本可分為兩類：一類是用于治療、替代人體某個器官組織，修補(bǔ)人體病變?nèi)毕?；另一類是用于制作醫(yī)療用品、醫(yī)療器械設(shè)備及相關(guān)的配套設(shè)施。

碳纖維因化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會與液體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，也不會揮發(fā)有毒物質(zhì)，并具有良好的血液相容性，可以植入人體取代部分發(fā)生病變的器官。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制作的人工骨、關(guān)節(jié)、韌帶、腱、假肢等人體器官，可以與人體的其他組織產(chǎn)生共融[11]。

醫(yī)療設(shè)備因自身的特殊性，要求設(shè)備材料滿足多樣化的性能要求，即在X射線透過性能好、頻率高的前提下，盡量降低放射性物質(zhì)對患者及醫(yī)護(hù)人員的傷害。碳纖維X射線透過性好，可以完全穿透人體，并經(jīng)多次轉(zhuǎn)換后得到高清晰的圖像。部分醫(yī)療設(shè)備廠商采用碳纖維泡沫夾層結(jié)構(gòu)，即使用碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，按照一定的鋪層設(shè)計，使用金屬模具熱壓成型方式，與泡沫進(jìn)行共固化，制作了CT床板、DR平板、血管造影手術(shù)床等多功能床面板[12]。與傳統(tǒng)的鋁合金屬板相比，碳纖維床面板平整光滑，質(zhì)輕抗壓，具有高分辨率，高探測率，高轉(zhuǎn)換率等優(yōu)點，預(yù)計將會成為新一代數(shù)字影像設(shè)備配套板材的首選。

此外，利用碳纖維輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)勢，還可以生產(chǎn)醫(yī)療頭枕、腰板、護(hù)腳、擔(dān)架等醫(yī)療設(shè)備，降低醫(yī)療器械質(zhì)量，提高器械便攜程度和診斷精度。

3.3 軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用

為實現(xiàn)低碳環(huán)保、節(jié)能降耗的目標(biāo)，軌道交通輕量化的設(shè)計理念應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)的鎂、鋁合金相比，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料因質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞、耐腐蝕等性能成為設(shè)計首選材料。

美國、德國、日本在20世紀(jì)90年代已將碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用在軌道交通上，但僅局限于列車的導(dǎo)流罩、裙板、過渡鉤等零部件。21世紀(jì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域得到廣泛的推廣，法國研制的TGV掛車，韓國開發(fā)的TTX擺式列車車體[14]均以不銹鋼為骨架，用碳纖維蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制作頂蓋和墻體，質(zhì)量比采用鋁合金材料降低40%，并且車體的靜強(qiáng)度、安全系數(shù)、阻燃性均符合指標(biāo)要求，現(xiàn)已批量化生產(chǎn)并運(yùn)營。

目前，國內(nèi)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在軌道交通中的應(yīng)用仍然是以轉(zhuǎn)向架、輪架體、司機(jī)臺、座椅等非主承載結(jié)構(gòu)件為主，而在大型主承載力結(jié)構(gòu)件方面的應(yīng)用則寥寥無幾。近期，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司采用模壓及袋壓成型工藝制作了碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料設(shè)備艙，降低了構(gòu)件數(shù)目，易于拆裝，提高了抗沖擊性能及高溫抗侵蝕性。中車長春軌道公司開發(fā)了碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料地鐵殼體，整車車長19 m，車寬2.8 m，比金屬減重約30%，采用機(jī)械連接一體化成型技術(shù)，確保了尺寸精度和表觀質(zhì)量，提高了運(yùn)載能力，降低了軌道損耗及噪聲干擾。

2019年11月底，在珠海舉行的第四屆中國國際復(fù)合材料科技大會上，由中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司、威海光威復(fù)合材料股份有限公司等單位組建成立了“軌道交通復(fù)合材料專業(yè)委員會”，加強(qiáng)復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的融合和發(fā)展。預(yù)計今后碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在高鐵等軌道車輛中的應(yīng)用比例會越來越大。

3.4 風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用

隨著風(fēng)電行業(yè)商業(yè)化及市場競爭的不斷加劇，風(fēng)機(jī)葉片正逐步向大型化、輕量化的方向發(fā)展。而對于功率5 MW(長度40 m)以上機(jī)型的風(fēng)機(jī)葉片，玻璃纖維材質(zhì)的葉片已無法滿足性能需求，且葉片的質(zhì)量劇增會導(dǎo)致生產(chǎn)成本提升[14]。碳纖維具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料葉片不但滿足強(qiáng)度和剛度要求，而且可降低風(fēng)機(jī)負(fù)載，提高葉片抗疲勞性能，提升風(fēng)能利用率。

傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)葉片的制作主要采用手糊成型，操作簡單，但質(zhì)量及效率低下。Vestas公司等國外風(fēng)電商已開始采用先進(jìn)的自動鋪放技術(shù)[15]生產(chǎn)風(fēng)電葉片主梁。即以碳纖維為加工原材料，拉擠成型為一定厚度的碳纖維板材預(yù)制體，然后將預(yù)制體重疊鋪放固定于相應(yīng)的殼體模具中，與殼體、輔料采用RTM工藝進(jìn)行一體化成型，具有效率高、成本低等特點。但中國相關(guān)葉片的復(fù)合材料技術(shù)、設(shè)備不完善，自動數(shù)字化設(shè)施相對簡單，尚處于研究創(chuàng)新階段。

在市場需求方面，2018年全球新增陸上及海上風(fēng)電裝機(jī)容量分別為45.4 GW及4.3 GW，其中中國市場新增裝機(jī)總?cè)萘繛?1 GW(陸上19.3 GW及海上1.7 GW)，占全球市場42%，繼續(xù)領(lǐng)跑全球風(fēng)電市場；在市場供給方面，2018年Vestas公司陸上風(fēng)機(jī)新增裝機(jī)容量高達(dá)10.09 GW，以22%的全球陸上風(fēng)電新增市場份額遙遙領(lǐng)先，已經(jīng)成為全球碳纖維產(chǎn)業(yè)最大的用戶，且增長迅猛。低風(fēng)速風(fēng)場和海上風(fēng)電共同推進(jìn)了葉片的大型化發(fā)展，進(jìn)一步推動了碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域持續(xù)高速增長。

3.5 體育休閑領(lǐng)域應(yīng)用

碳纖維在體育休閑領(lǐng)域應(yīng)用最多的是漁具行業(yè)，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料魚竿占市場總量90%以上，高強(qiáng)輕質(zhì)、抗疲勞的特性已成為現(xiàn)代魚竿行業(yè)的硬性指標(biāo)。采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制作自行車車架和車輪[16]，可降低車體的質(zhì)量和阻力，提高安全度和舒適度；此外，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料自身具備可設(shè)計性，可提高自行車的功能性和新穎性，滿足多樣化的設(shè)計要求。采用碳纖維材質(zhì)制作的高端球拍在比賽中面對復(fù)雜的環(huán)境及工況，不僅滿足彎曲強(qiáng)度的要求，具備良好的剛度和彈性，而且球拍的舒適度高，不易變形。

2018年碳纖維在體育休閑領(lǐng)域的需求量為14.3 kt，預(yù)計2020年將達(dá)到16 kt,其中高爾夫球桿需求量最高占比為27.3%，魚竿、自行車均占22.4%，曲棍球桿占比為7.0%。

此外，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料高爾夫球桿、滑雪板、撐桿等體育用品[17]也已得到運(yùn)動員的普遍青睞?，F(xiàn)代國際體育比賽不但是成績高低的較量，更是國家技術(shù)實力的競爭，預(yù)計具有高性能優(yōu)勢的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料將在體育競技領(lǐng)域扮演重要角色，價值也會越來越大。

4 展望

“一代材料，一代裝備”，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料作為先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和支撐，其產(chǎn)業(yè)化水平已成為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步、綜合國力的重要標(biāo)志[18]。為使我國盡快進(jìn)入材料強(qiáng)國的行列，鞏固國際上的軍事地位，開展新材料的推廣應(yīng)用，具有重要的戰(zhàn)略意義[19]。我國從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行碳纖維的開發(fā)與研究，雖然取得了很大的進(jìn)步，但前期受制于國外技術(shù)、設(shè)備的封鎖，核心競爭力仍處于劣勢。

目前，我國碳纖維復(fù)合材料完整的產(chǎn)業(yè)鏈已基本形成，但與國外發(fā)達(dá)國家相比，在高性能碳纖維復(fù)合材料的高品質(zhì)及低成本化方面仍存在一定差距，整體應(yīng)用技術(shù)方案及產(chǎn)業(yè)相關(guān)的配套系統(tǒng)尚未健全[20]。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展需要國家、企業(yè)的共同努力與支持：加強(qiáng)碳纖維領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的培養(yǎng)和引進(jìn)力度，組織并創(chuàng)建研發(fā)團(tuán)隊，提供專業(yè)裝備的配套設(shè)施服務(wù)，鼓勵參與項目研發(fā)設(shè)計，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量；加大對國產(chǎn)碳纖維企業(yè)的扶持力度，提升企業(yè)的自主創(chuàng)新能力，擴(kuò)大國產(chǎn)纖維的推廣、宣傳力度，盡快實現(xiàn)國家裝備材料的國產(chǎn)化；加強(qiáng)碳纖維基礎(chǔ)性的應(yīng)用研究，擴(kuò)大碳纖維市場的開發(fā)力度；拓寬碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，重點推進(jìn)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域、建筑工程、海洋領(lǐng)域的開發(fā)及應(yīng)用。