碳纖維增強樹脂基復合材料的應用及展望

陳思魁，郭榮輝

(四川大學輕工科學與工程學院，四川成都 610065)

纖維增強聚合物(FRP)復合材料由聚合物基體和增強纖維組成，使CFRP 成為FRP 的一個子組。 與熱塑性聚合物相比，基質通常是熱固性聚合物，因為它具有更好的機械性能和更好的纖維基體附著力，但熱塑性塑料也可以用作基質。 用作基質的最常見聚合物是聚酯、丙烯酸和環氧樹脂[1－2]。CFRP 由CF 作為增強材料組成，以提高復合材料的機械性能，聚合物作為基體將纖維粘合在一起并保護它們免受環境影響。 近年來，碳纖維增強聚合物(CFRP)復合材料因其高比強度、高剛度和高耐腐蝕性等優越性能，它們非常適合高強度和剛度、更輕的重量和出色的疲勞特性，是關鍵要求的應用。 與鋁和鋼相比，碳纖維的比強度(取決于所使用的纖維)高出約十倍。 在過去二十年中，全球CFRP 的復合年增長率(CAGR)約為12.5%。 十多年來，CFRP 已成功應用于航空航天、汽車、鐵路運輸和風能領域[3]。

1 碳纖維增強樹脂基復合材料的成型工藝

CFRP 的常用制備方法主要包括手糊、樹脂傳遞模塑(RTM)、拉擠成型、增材制造(AM)和壓縮成型(CM)。

1.1 手糊工藝

手糊是最簡單的復合材料制造工藝，包括幾個簡單的加工階段和基礎設施，但主要限于熱固性聚合物。 這是一個手動過程，其中每個碳纖維板以所需的方向逐層放置，直到首選厚度，并通過滾筒和刷子在層之間使用樹脂。 然而，這是一個勞動密集型的過程，很難通過這個過程制造像飛機部件這樣的復雜結構。 此外，該技術制備的復合材料由于界面處的粘結較弱，抗沖擊性和抗彎強度較差。 使用真空袋法，可以大大減少夾帶的氣泡，并在一定程度上改善機械性能。 手動加工的CFRP 的機械性能取決于空隙百分比、纖維排列的大小、使用的樹脂、最佳溫度、輥壓和纖維之間的摩擦。

1.2 樹脂傳遞模塑(RTM)

自1980 年代初以來，樹脂傳遞模塑(RTM)工藝一直是航空航天應用的大量實踐和理論發展的主題[4]。 樹脂傳遞模塑(RTM)工藝的優化是一種廣泛采用的復合材料制造工藝，隨著對輕質結構部件的需求增長[5]。 RTM 是一種封閉模具工藝，其中樹脂通過注射澆口注入模腔，以浸漬其中的干增強材料。 然后允許空氣、揮發物和多余的樹脂通過通風口逸出模具。 模具填充完成后，零件在脫模之前在模具內固化。 模具填充是RTM 工藝中的關鍵階段，因為它對最終產品質量和工藝效率有很大影響[6]。

1.3 拉擠成型工藝

拉擠成型是一種連續制造技術，用于生產具有緊密尺寸和均勻橫截面的CFRP。 該工藝包括連續的纖維材料，這些材料通過導軌成型和組織，然后用樹脂浸漬，最后通過預成型模具連續拉動型材。 因此，型材的幾何選擇有限，這是該過程的一個關鍵缺點。 拉擠成型的優點是生產率高，自動化程度高，能源效率和成本效益，在結構中提供更高的FVF 和尺寸公差。

1.4 增材制造(AM)

近年來，增材制造(AM)的使用(通常稱為3D打印)已被研究為制造基于CFRP 的產品的現代方法。 與一般的制造方法相比，增材制造可以快速將設計轉化為有形產品，而不會浪費材料、工具、成本或時間，并且易于更換材料。 在AM 中，通過鋪設熔融聚合物或其復合材料層來制造零件，直到形成最終零件。 該技術已被用于制造從原型到最終產品的聚合物復合材料部件。 在該技術中，CF 濃度增加，纖維與纖維接觸增加，限制了纖維與基質的接觸并導致裂紋。 因此，確定和優化纖維的濃度在此方法中是至關重要的[7－9]。

1.5 壓縮成型工藝(CM)

壓縮成型(CM)是通過在已經由基體和增強材料填充的模具中同時施加熱量和壓力來進行的，將逐層鋪疊的預浸料放置于上下平板模之間加壓加溫固化，這種工藝可以直接繼承木膠合板的生產方法和設備，并根據樹脂的流變性能，進行改進與完善。 這種工藝能合理控制每個組件的體積分數，并在受限應用中進行大規模制造的可能性。 在產品零件的批量生產中，特別是在大批量生產中具有較強的競爭優勢。

在現有的CFRP 制備方法中，RTM 工藝可以形成復雜、高精度的部件，具有制備效率高、污染小、工藝適應性強等優點[10－11]。 但是，當纖維體積分數較高時，存在滲透效果差、產品孔隙率高、實時可控性差等缺點。 拉擠成型被認為是纖維雜化復合材料制造的最佳方法，因為它通過在CF 和其他增強纖維之間建立適當的協同關系來產生無與倫比的復合增強效果，從而大大提高了機械性能。 增材制造工藝適用于制備大型部件。 它具有制備工藝穩定、產品孔隙率低[12]的優點，但要求設備成本高，能耗大，不能滿足目前低成本、無污染的復合材料制造理念。 與這些工藝方法相比，CM 工藝具有成本低、產品內應力小、工藝易于控制等優點[13]。然而，在制備復合材料時容易受到尺寸限制，缺乏樹脂填充模具能力導致最終滲透效果差。 現有的制備工藝方法存在浸潤效果差、樹脂填充纖維壓力不足、工藝柔韌性和適應性差、制備復合材料時無法實時控制制備工藝等問題。

2 碳纖維增強樹脂基復合材料的應用

CFRP 在航空航天，交通運輸等領域中得到了普遍應用。 傳統的金屬結構不斷被這些基于CFRP 的現代結構所取代，主要是因為它們的輕質特性。 據統計，航空航天工業就占需求的36%，占全球營業額的56%。 高質量的復合材料模仿了最終航空航天產品的多樣化特性。 汽車行業是第二大行業，因為它占全球需求的24%和全球營業額的18%。 CFRP 材料也在體育領域站穩了腳跟，它產生的需求和營業額分別為13%和11%[14]。

2.1 航空航天領域

近幾十年來，碳纖維增強聚合物(CFRP)復合材料因其重量輕、強度高、耐腐蝕等優點，這可以讓機身重量減輕，從而降低燃油消耗，CFR 一直是航空航天和能源設備不可或缺的材料[15－17]。 它成為在許多重量關鍵部件(如新型A350 和B787 飛機)中替代金屬的主要結構材料，復合材料含量超過50%，如CFRP 開發的航空航天部件包括飛機門、制動器、夾子、油箱、機身、機身駕駛艙、肋骨、機翼、起落架、擾流板、龍骨梁、尾部組件、水平和垂直穩定器[18]。 在1960 年代，碳纖維增強塑料(CFRP)首次用于制造航空航天工程中的結構部件[19]。CFRP 復合材料用于F/A－18 E/F 軍用飛機的水平穩定器、機翼組件、機身、垂直尾翼，占結構重量的19%，覆蓋60%的外表面。 在CH－53K 直升機中，通過使用FRP 復合材料(重量>75%)，部分增加了三倍的外部負載能力。 在現代戰斗機中，例如歐洲戰斗機，由于質量減輕，40%的復合材料重量和70%的外部蒙皮復合材料覆蓋率增強了飛機的敏捷性。 在新一代飛機中，CFRP 復合材料的百分比顯著增加，在某些情況下達到車輛整體重量的50%以上。 這種趨勢將在未來持續[20]。 最近的兩架遠程飛機，空中客車A350 和波音787，在機身中廣泛使用了CFRP，重量超過50%。 碳纖維增強聚合物復合材料(CFRP)由于石墨纖維具有相當大的導電性，能夠屏蔽電磁輻射[21－22]。 MadelineA 等[23]研究了由碳纖維增強聚合物(CFRP)層壓板和額外的銅網層組成的多功能復合材料結構，用于在航空航天應用中用作電磁干擾(EMI)屏蔽。 結果發現，加入反射損耗屏蔽的組件(Cu 網格)和吸收損耗屏蔽的組件(CFRP)，SE 在更寬的頻率范圍內得到了改善。

2.2 交通運輸領域

過去十年以來，全球更嚴格的車輛排放標準和電動汽車的快速增長相結合，推動該行業重新轉向碳纖維，以擺脫重量。 汽車行業目前專注于使用輕質材料來提高能源效率并減少CO2的排放。 通常，重量減輕100 kg 相當于CO2減排7.5 克/公里~12.5克/公里。 因此，減輕重量在汽車行業變得越來越重要[24－25]。 在汽車結構中采用CFRP 復合材料等輕質材料是最直接的輕量化方法。 CFRP 復合材料還具有許多優點，例如更高的耐撞性，根據現代車身的發展趨勢，未來車身將由鋼、鋁鎂合金、塑料、碳纖維增強聚合物(CFRP)等輕質材料組成。 混合材料車身代表了未來車身結構的最新發展趨勢。 隨著輕量化技術的發展，碳纖維復合材料以其優異的性能在汽車車身中的應用日益增多[26]。 例如像沃爾沃這樣的汽車公司用碳纖維替換一些鋼制車身面板，使用CFRP 作為電池盒，甚至使用CFRP 面板來存儲電池車輛等電力。

除在汽車領域中的應用，碳纖維在高鐵中可用作高速列車的車身結構、動力學前端、內飾、承重結構件或其它零部件。 與鋁合金和鑄鋼相比，機械強度提高了35%，抗沖擊強度提高了20%。 并且列車的整體重量降低了不少，能夠有效的減少能耗。

2.3 醫療領域

在CFRP 引入抗菌、導電性和導熱性之后，正在研究其在醫療、能源和電子材料中的應用[27－29]。特別是，CFRP 的醫療應用對于改善人類健康和福利非常重要。 由于用于固定手術部位的傳統金屬基醫療設備的X 射線透射率低，因此在外科手術過程中通常需要重復多次X 射線掃描才能提供完整的信息。 然而，由于CFRP 具有出色的X 射線透射率，只需一個X 射線照射步驟即可獲得完整的數據，從而最大限度地減少了人體對X 射線的暴露[30]。 因此，預計用于醫療器械的傳統材料將迅速被CFRP 取代[31]。 根據聚合物和制造技術的不同，CFRP 可以達到與人體骨骼相當的密度，以增強應力傳遞，這是生物醫學用作骨科植入物或假體的令人垂涎的功能[32]通常，使用金屬板植入物進行骨科穩定治療，以解決骨腫瘤病變、骨切除或骨折，然后進行術后放療[33]。 金屬硬件的存在會干擾溶骨性病變的CT 引導放療，導致輻射散射，導致目標劃定不準確和劑量衰減[33－34]。 此外，金屬偽影會影響治療后的后續成像。 這些挑戰延伸到金屬脊柱或牙科植入物的患者，其中脊柱腫瘤病變或頭頸癌分別需要放療[35－36]。 因此，CFRP 的射線可透性是用作醫療植入物的一個有吸引力的特征。

2.4 電纜領域

碳纖維增強聚合物(CFRP)是一種先進的復合材料，具有高強度、輕質、無腐蝕、優異的抗疲勞性，線膨脹系數和松弛性更低，以及改變彈性模量的能力等優點。 因此，單向CFRP 在電纜和替代電纜結構中的鋼電纜方面具有巨大的潛力[37－38]。 它具有許多優越的性能，例如高強度、輕質、無腐蝕和高抗疲勞性。 因此，CFRP 具有巨大的潛力，可以制成電纜并替代電纜結構中的鋼電纜，這可能會大大促進其發展。

由于上述高性能，CFRP 自1982 年以來一直被認為是電纜并用于電纜結構。 1987 年，EMPA 的Meier 教授提出了建造一座主跨為8400 m 的CFRP斜拉橋的概念，橫跨直布羅陀海峽[39]。 CFRP 電纜在實際電纜結構中的首次使用可以追溯到1996年。 從那時到現在，全世界已經有十個CFRP 電纜結構，盡管它們都或多或少是實驗性的。 Yang等[40]提出了一種基于光電共感知的新型智能CFRP 電纜，用于結構的全過程預應力監測。 在預應力梁的荷載試驗中，這種智能電纜可以有效監測鋼筋受力和梁的中跨缺陷，從而獲得預應力梁在不同荷載作用下的剛度退化。

2.5 建筑領域

碳纖維增強聚合物(CFRP)復合材料最近在不同的工程應用中越來越受歡迎，特別是土木工程。 CFRP 復合材料因其優異的機械性能、高耐用性和輕質而非常適合土木工程結構。 在過去的幾十年中，CFRP 復合材料在橋梁、建筑物和其他基礎設施項目的建設中的使用顯著增加[41]。 CFRP復合材料由碳纖維編織在一起，然后用樹脂浸漬而成，形成堅固耐用的材料。 碳纖維具有高拉伸強度、剛度和抗疲勞性，而樹脂基體可防止濕氣和紫外線輻射等環境因素，所得復合材料重量輕、強度重量比高，是結構應用的理想選擇[42－43]。 CFRP 工程應用以及建筑和混凝土的未來發展將推動該行業的發展。 CFRP 復合材料用于加固、改造和修復混凝土結構，提高其承載能力和耐用性。 CFRP 的輕質結構潛力使高層建筑和大跨度橋梁更加高效和可持續。 未來的發展使用CFRP 進行獨特的配置和創新的結構系統，以創建有彈性和環保的基礎設施。

2.6 風電領域

風能作為可再生能源之一，擁有良好的發展前景。 風電葉片作為利用風能的核心組件，正逐步向大型化、輕量化的方向發展。 CFRP 及其石墨烯和CNT 納米填料基多級復合材料廣泛用于風力渦輪機葉片的制造，主要是因為它們抗斷裂、疲勞失效以及通過改變其形狀而不影響剛度和穩定性來獲得高能量的杠桿作用[44]。 盡管環氧基熱固性復合材料提供更好的強度和剛度，但在實踐中，熱塑性聚合物基復合材料被廣泛用于避免葉片的間歇性處置。

2.7 運動休閑領域

運動和休閑是最早成功使用碳纖維復合材料的行業。 由碳纖維制成的主要產品是高爾夫球桿、釣魚竿和網球拍[45]。 最近的趨勢表明，自行車使用的應用正在迅速擴大。 自2010 年以來，全球碳纖維在運動和休閑設備中的使用量穩步增長。2021 年，運動中使用的碳纖維達到了令人印象深刻的18.5 kt。 高爾夫球桿和自行車是碳纖維的最大消費量，分別占總消費量的27.6%和25.4%。 受疫情影響，對曲棍球棒等團隊運動器材的需求大幅下降，但對高爾夫球桿、自行車和釣魚竿等個人運動器材的需求卻有所增加。 因此，未來幾年(2021年以后)碳纖維消費的預測趨勢仍在增加。 隨著可持續交通的倡導，電動自行車對碳纖維使用的需求也在增加[46]。

3 展望

CFRP 的新興市場，如電子產品，也正在采用CFRP 薄層壓板和短碳纖維塑料，以實現輕量化和美觀性。 此外，高速列車和電池電極材料市場正在使用更多的碳纖維材料，如混合復合材料和碳纖維紙[47]。 碳纖維增強聚合物(CFRP)復合材料由于其許多優異性能而在各種應用中是必不可少的。CFRP 通常由碳纖維作為增強材料，交聯聚合物作為粘合劑構成。 由于交聯聚合物的不可逆性，CFRP 既不可修復也不可回收。 一旦材料損壞或無法使用，填埋或焚燒是處理廢物的典型方法。 這些方法沒有利用廢物的殘余價值，并增加了環境的負擔[48]。 纖維增強聚合物(CFRP)復合材料應用的快速增長對廢物回收提出了挑戰。 循環經濟方法加上以更低的成本和更低的能耗從CFRP 廢物中回收具有與原始碳纖維相似特性的碳纖維的可能性，激發了CFRP 回收的研究。