碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料的應用推廣探討

李 晨

（山西省科技成果轉移轉化促進與數據監測中心， 山西 太原 030000）

引言

高性能碳纖維及其復合材料具有輕質、高強、高模、抗沖擊、抗疲勞、耐高溫和耐腐蝕等優異的性能，是航空航天、國家防御等國家戰略領域的關鍵核心材料，同時也是風力發電、交通運輸、海洋開發和安全防護等高技術領域的關鍵基礎材料。新一代國防武器裝備和新型民用高端裝備的研發，對高性能碳纖維及其復合材料提出了新的要求，高性能化和結構一體化成為其發展的重要趨勢和前沿領域。

碳纖維復合材料分為熱固性樹脂基復合材料和熱塑性樹脂基復合材料。傳統的碳纖維復合材料是指熱固性樹脂基復合材料；而熱塑性樹脂基復合材料是近年來應輕量化汽車等民用領域的需求正在發展的新型碳纖維復合材料。

1 國家和山西省政策背景

國務院印發《關于中國制造2025 的通知》中明確將碳纖維及其復合材料列為重點基礎材料；另外，在《通知》中列出的十大重點發展領域，如高檔數控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、先進軌道交通裝備、節能與新能源汽車、電力裝備、農機裝備、生物醫藥及高性能醫療器械等十個重點發展領域中，碳纖維復合材料特別是碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料（CFRTP）在這些領域中均有重要的應用。碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料在軌道交通和新能源汽車領域，尤其體現了“節能環保”與“輕量化”[1]。在軌道車輛中的內飾部件都可以使用CFRTP，在實現車體大幅度減重的同時，還減少了燃料使用成本和廢氣排放指標，提升了車速。材料的高強度、高拉伸載荷力以及極小的變形性等特性也在一定程度上保障了車體安全。新能源汽車在繼承傳統汽車對碳纖維復合材料積極應用的基礎上，在降自重、降能耗、減少充電頻率、延長電池壽命等方面有更強的研究需求，這也是新能源車區別于傳統汽車的價值與意義所在[2]。與此同時，政府制定的有關車輛燃料經濟性嚴格標準和二氧化碳排放法規進一步促進了新能源汽車必須優先選擇碳纖維復合材料。電動汽車的車身重量比傳統汽車要超200～300 kg，為保證電動汽車有更好的續駛里程，電動汽車的車身重量必須減重50%以上。CFRTP 是當前唯一能替代鋼質零部件，減重達50%～60%，并提供同等強度或更優力學性能，并且可回收再用的新型材料。

《山西省加快推進新材料產業發展實施方案》中提出推動T800 級碳纖維等高端纖維工程化應用和產業化，積極開展聚丙烯腈原絲—碳纖維—預浸料或預制件—復合材料零件—終應用的全產業鏈技術攻關，加快聚丙烯腈基碳纖維向規模化、高水平炭化、高端制品發展[3]。開發高性能纖維及其復合材料等下游產品應用，打造從基礎原料、復合材料到制品構件的碳纖維完整產業鏈。大力開發新能源汽車、航空航天、高速列車、風力發電、壓力容器、建筑補強和高壓輸電等領域的應用產品[4]。

2 國內外產業發展現狀

從全球來看，碳纖維制造的主力軍是日本和他們在歐美設立的工廠，其次是依靠歐美航空航天市場的美國HEXCEL 和CYTEC 公司，及其依靠強大工業制造體系的德國SGL 公司[5]。近年來，隨著中國在碳纖維領域市場中的不斷投入，中國碳纖維產量在全球的市場份額也在持續提高。

隨著各行業對輕量化技術的需求量增加，碳纖維及復合材料的市場需求高速增長。據日本富士經濟調查預測，2030 年PAN 基碳纖維的全球市場規模將達到49 億美元，而相應的復合材料全球市場規模則將達到403 億美元。在碳纖維復合材料的應用市場中，航空領域占據了四成以上，仍然是主要增長[6]。另外，隨著碳纖維及復合材料的成本逐漸降低，風電葉片、壓力容器等將成為未來市場的活躍新增增長點。在區域市場增長方面，歐美地區對輕量化材料的需求刺激了碳纖維在新能源汽車工業等領域的應用，亞太地區則以中國為重要增長點，主要集中在航空、航天領域。

碳纖維復合材料巨大的市場需求帶動著相關行業的迅速發展。碳纖維產業鏈的相關產品中，碳纖維編織預制體是從原材料到碳纖維復合材料的中間產品。采用紡織加工方法將碳纖維交織交叉而形成具有二維平面或三維立體的多維編織預制體，就像鋼結構框架一樣，從結構和性能上強化了復合材料，同時可以實現復雜結構一體化制造，在復合材料成型工藝中起著十分重要作用。碳纖維復合材料的增強結構形式包括短切纖維、連續長絲和多維編織預制體。

3 國內外技術發展現狀

在碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料中，受到廣泛關注的是不連續碳纖維（長度為3～12 mm）增強復合材料。這是因為：該復合材料的綜合力學性能高（遠高于注塑成型品），且可快速成型（＜1 min），特別是可直接成型復雜形狀，因而可作為面板材料廣泛應用于汽車、電子電器、高速軌道列車、工業機器人等領域中。

在國際上，由碳纖維紗與熱塑性樹脂膜的復合材料在歐美和日本等發達國家得到廣泛的關注。美國紐約州立大學布法羅分校D.D.L.Chung 教授采用鍍鎳碳纖維紗進行電磁屏蔽效能測試，當面密度為20～30 g/m2時，電磁波在300 kHz 附近衰減50 dB 以上[7]。日本東麗株式會社橋本雅宏等將長度為2～20 mm的短切碳纖維利用抄紙工藝制成碳纖維紗，并與聚苯乙烯樹脂膜熱壓成型制成復合材料；結果表明：當碳纖維長度為7.5 mm，含量為20%時，制成的復合材料抗拉強度可達到160 MPa，彈性模量可達到15 GPa。東京大學的Jun Takahashi 教授通過三菱公司生產的CF TR50S 短切碳纖維帶與尼龍6 樹脂復合，得到抗拉強度為180 MPa 以上，彈性模量為20 GPa 以上的復合材料[8]。以上方法采用的均是將碳纖維紗與樹脂膜鋪層熱壓的方法。由于熱塑性樹脂的熔融粘度大，樹脂的擴散路徑長，難以均勻浸潤到碳纖維絲束之間，且高壓下碳纖維易在高壓下熱滑移，形成局部不均勻現象，將嚴重降低復合材料的力學性能和電磁屏蔽性能。2016 年，日本阿波制紙公司采用濕法混抄的工藝，制備出了力學性能優異的碳纖維預浸料，比強度和比模量均優于傳統的金屬材料。

目前國內僅有中科院山西煤炭化學研究所進行不連續碳纖維增強熱塑性樹脂預浸料的研究，未見其他單位進行相關研究。

中科院山西煤炭化學研究所采用將不連續碳纖維（8～12 mm）與聚丙烯樹脂粉體采用特殊的表面活性劑分子開關技術，使樹脂粉末均勻分散在碳纖維紗中，并通過熱壓形成預浸料，進而通過預浸料疊層、熱壓使聚醚酰亞胺樹脂熔融浸潤碳纖維/鍍鎳碳纖維并形成復合材料。該方法得到的復合材料具有以下特征：碳纖維長度可為8～12 mm，根據Cox-Kelly 公式，可得到高抗拉強度的復合材料；將熱塑性樹脂粉末均勻分布到碳纖維表面附近，可提高兩者的浸潤性，因而可提高碳纖維的用量，進而提高復合材料的彈性模量；由于碳纖維與聚丙烯樹脂均勻混合，減少了碳纖維絲間空隙的存在，可避免熱壓過程中受力不勻而產生的纖維位移問題，可保證碳纖維中在復合材料中均勻分布，有利于保證良好的力學性能（對于鍍鎳碳纖維，也可保障優異的電磁屏蔽性能）；工藝路線簡單，可高速成型。

4 山西省產業發展現狀

從產業領域看，山西當前已有太鋼在生產T800聚丙烯腈基碳纖維，大同晉投玄武巖纖維有限公司已投產玄武巖纖維，盡管情況有所不同，但均存在民用市場未打開，下游需求乏力的問題。總體來看，碳纖維仍是原材料，必須開拓下游產品，將碳纖維制成復合材料才能真正發揮其效用，打開市場并推動產業發展。

5 山西省技術發展現狀

從研究領域看，山西當前有中科院山西煤炭化學研究所在從事從碳纖維到復合材料的全產業鏈研究，中北大學從事功能復合材料的研究。山西煤化所關于碳纖維增強熱塑性/熱固性樹脂復合材料的性能及界面有多年研究基礎，相關論文有上百篇。

6 結論

自2015 年起，日本汽車工業協會正式將碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料確認為輕量化汽車的首選材料以來，碳纖維增強熱塑性樹脂得到了前所未有的發展，國際上日本、美國、歐洲等企業紛紛進行研發和專利布局，例如德國寶馬公司在輕量化汽車中采用了大量碳纖維熱塑性樹脂基復合材料；而日本近年連續推出很多新型熱塑性樹脂復合材料的新技術、新工藝。

國內汽車工業碳纖維復合材料的應用尚處于起步階段，以奇瑞、觀致、北汽為代表的國內汽車廠商已初步探索在其推出的新能源電動汽車上使用碳纖維復合材料。