浅析碳纤维复合材料的应用现状与发展趋势

张雨

关键词：碳纤维复合材料;应用现状;发展趋势

一、碳纤维复合材料的分类

碳纤维指的是95%以上的含碳量且具备高强度、高模量的一种特种纤维材料，它通过复合材料的加工而形成。碳纤维复合材料通常以碳纤维、金属、陶瓷等等进行融合与反复加工，成为符合功能要求的结构性材料。碳纤维复合材料相较于金属材料，具备着耐腐蚀、耐高温、便于设计等等诸多优点。按基体的不同，可以将碳纤维复合材料分为树脂基复合材料、碳复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、橡胶基复合材料等等。碳纤维复合材料在全世界范围之内拥有着广泛的材料消费市场，总占比约为80%，可见碳纤维复合材料已经成为了材料市场当中的主流消费材料。本文主要介绍碳纤维复合材料的成型工艺以及具体使用情况。

二、树脂基复合材料（CFRP）成型工艺

CFRP拥有着许多的成型技术，近些年来，预成型件成型技术通过采用综合成型形式，减少使用的零件，也能够一定程度的降低成型的成本，已经得到了广泛的应用。它避免分层剥离技术的应用难点，在航空飞机结构构造、汽车的构件制备等方面得到充分利用。

2.1模压成型工艺

模压成型是一种非常传统的工艺形式，它是由普通的塑料制品模压成型逐渐转化而来。在加工的过程当中，通过将碳纤维预浸料置于上下模之间，从而利用专业的设备进行加工过程。将模具放置在液压成型台上，在高温高压的作用之下，让树脂材料产生固化反应，得到最终的制品。这种工艺加工形式具备着制件质量优、技术处理高效的优势，而且它能够在尺寸精度方面得到较高控制，且加工形式不易受周围环境的影响。但是其总体的投入成本较高，也容易受到机械设备的限制，拥有着前期模具制造复杂的缺点[1]。

2.2热压罐成型工艺

热压罐成型最早在航空结构复合材料的制作中得到了广泛的应用，它针对一些大尺寸且形状结构较为复杂的制件制作具备着一定的优势。热压罐成型工艺通过将单层的预浸料按照特定的方向完成铺设和叠成，再将复合材料的坯料放置在热压罐之内，在高温高压的作用之下进行固化。加工时使用的材料如碳纤维预浸料中间体，具备着能够固化较多层次和复杂曲面的优势，而且工艺建造的方式较为稳定，应用范围广。但是总体而言，设备的投资较高，制品容易受到热压罐尺寸的限制。热压罐成型工艺能够作用于飞机舱门、机翼、尾翼、机载雷达罩等等的结构构件制作中，在航空航天方面使用较广。

2.3树脂转移膜塑成型工艺

树脂转移膜塑成型也被称为RTM，它是一种制作复合材料的高效方式，最初应用于飞机次承力结构件，现如今已经广泛在汽车、飞机等的组件加工当中得到应用。它具备着制件质量优、尺寸精度高、低成本的优势，而且在结构复杂且体积较大的构件制作中，能够得到广泛应用。技术加工时，通过在模腔中铺放符合设计要求的增强材料，从而形成具体形体，将数值体系注入闭合的模腔完成固化后得到相关构件。它可以通过真空导入模塑工艺、高压RTM等，完成复合材料的固化过程。工艺形式具备着低成本的优势，能够得到大批量的生产。在生产创造时的速度较快，可以利用CAD设计进行精度控制，而且制造能够达到多次使用的优势[2]。

三、CFRP的应用现状

3.1航空航天

CFRP可以在我国的航空航天碳纤维装置制造当中得到广泛应用，相较于其他的常规材料，该材料能够使飞机的自重减轻。克服金属材料容易被腐蚀的缺点，从而增强飞机整体的耐用性。而且CFRP具备着降低制造成本的优势，也能够增强飞机建造的速率，使飞机的制作订单得以增加，尤其是商用飞机。随着我国航空制造领域的发展，CFRP部件的制作效率和数量越来越多，比如歼-11B在机翼外翼段＼水平尾翼、直10和直19武装直升机中的机身框架结构等。目前CFRP材料应用较多的还是军用飞机、无人飞机、直升机，在未来无人机产量的井喷式增长，也会使得CFRP材料的应用更加广泛，需求量更大。截止到2020年，我国航空航天领域在CFRP材料的需求量中高达1700t，预计未来还会持续增长。

3.2汽车工业

随着社会科技的进步，人们经济水平的提升，汽车工业也在飞速发展。人们对汽车的要求更高，提出了环保、低能耗等多种需求，而碳纤维材料则具备着在节能环保方面发展的潜质。它能够提高材料的强度，提供较高的安全性，使得车身得到轻量化。据欧洲铝协研究数据显示，通过使用碳纤维复合材料，能够使车身质量降低10%，燃油效率提高6%～8%。为了能够促进我国汽车工业轻量化的过程，我们必须要使CFRP材料在汽车工业领域的使用概率得到提升。但由于碳纤维复合材料的价格较高，有许多汽车制造商在开展生产创造时不愿意采用高额的复合材料，这也导致了CFRP在汽车轻量化领域的应用得到限制。但是多材料复合车身是汽车制造业的未来发展趋势，通过提升工艺建造形式，有效降低成本，能够使得CFRP在车身建造中得到更加广泛的应用。预计到2025年，汽车轻量化能够通过利用碳纤维材料的质量成本控制，使得CFRP材料的汽车产量高达60万辆，CFRP在汽车领域消耗量为6000t[3]。

3.3风电领域

全球的风电容量正在持续增加，据2018年的数据统计显示，风电容量已经超过51.32GW。出于经济性的考虑，在使用CFRP大型复合材料利用于风电行业中，应当思考叶片制造的性能。利用部分结构，使用碳纤维或玻璃纤维混合材料，来有效降低成本，进一步推动CFRP在风电领域的发展。2018年，我國国内的风电叶片CFRP消费量约1.2万t，较2017年增长了一倍，这也证明了风电叶片领域当中，CFRP材料的需求量正在逐年上升。通过研究技术建造形式，能够有效提升产量并推动材料制造业在风电领域的发展。

3.4体育休闲

碳纤维复合材料可以通过制作球拍、棍球棒等等产品来达到应用于体育休闲业的目的。在该行业当中，CFRP生产量约为2.1t年均，且在持续增加。但由于这些产品多为出口商品，所以在我国的发展速度会逐渐放缓。

行业发展趋势及建议

复合材料具备着强度高、设计性强等等优势，相较于其他传统材料，复合材料也具备耐腐蚀和抗疲劳的优点。复合材料可以在不同科学领域中得到广泛利用，近些年来，碳纤维复合材料的科学研发工作一直在稳步进展。在未来，CFRP的成型技术和相关设备会逐渐国产化，如3D打印的碳纤维复合材料成型技术。而且，通过使用树脂基体技术，能够进一步调节产业需求结构，加强不同企业之间的交流合作，实现产品一体化的生产过程[4]。

结束语

综上所述，通过深入探究碳纤维复合材料的主流加工工艺，能够将其更加广泛的应用于不同的行业当中，从而推动人类社会发展的进程，给予各行各业的生产工作更多的可能性。

参考文献

[1]李奇辉，刘向阳，房晓斌.碳纤维复合材料的应用现状及我国碳纤维工业的发展方向[J].价值工程，2016（17）：113—115.

[2]钟奇，施毅，刘博.铝合金在汽车轻量化中的应用[J].新材料产业，2015（2）：23—27.

[3]王冰佳，黄强，呼慧.复合材料及碳纤维在风力机叶片中的应用现状[J]. 电站系统工程， 2019（3）：43—45.

[4]张万君.刘永琪，钱秀松.碳纤维复合材料的孔加工[J].纤维复合材料，2005.22（3）：50—53.