碳纤维增强树脂基复合材料的应用及展望

陈思魁，郭荣辉

(四川大学轻工科学与工程学院，四川成都 610065)

纤维增强聚合物(FRP)复合材料由聚合物基体和增强纤维组成，使CFRP 成为FRP 的一个子组。 与热塑性聚合物相比，基质通常是热固性聚合物，因为它具有更好的机械性能和更好的纤维基体附着力，但热塑性塑料也可以用作基质。 用作基质的最常见聚合物是聚酯、丙烯酸和环氧树脂[1－2]。CFRP 由CF 作为增强材料组成，以提高复合材料的机械性能，聚合物作为基体将纤维粘合在一起并保护它们免受环境影响。 近年来，碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料因其高比强度、高刚度和高耐腐蚀性等优越性能，它们非常适合高强度和刚度、更轻的重量和出色的疲劳特性，是关键要求的应用。 与铝和钢相比，碳纤维的比强度(取决于所使用的纤维)高出约十倍。 在过去二十年中，全球CFRP 的复合年增长率(CAGR)约为12.5%。 十多年来，CFRP 已成功应用于航空航天、汽车、铁路运输和风能领域[3]。

1 碳纤维增强树脂基复合材料的成型工艺

CFRP 的常用制备方法主要包括手糊、树脂传递模塑(RTM)、拉挤成型、增材制造(AM)和压缩成型(CM)。

1.1 手糊工艺

手糊是最简单的复合材料制造工艺，包括几个简单的加工阶段和基础设施，但主要限于热固性聚合物。 这是一个手动过程，其中每个碳纤维板以所需的方向逐层放置，直到首选厚度，并通过滚筒和刷子在层之间使用树脂。 然而，这是一个劳动密集型的过程，很难通过这个过程制造像飞机部件这样的复杂结构。 此外，该技术制备的复合材料由于界面处的粘结较弱，抗冲击性和抗弯强度较差。 使用真空袋法，可以大大减少夹带的气泡，并在一定程度上改善机械性能。 手动加工的CFRP 的机械性能取决于空隙百分比、纤维排列的大小、使用的树脂、最佳温度、辊压和纤维之间的摩擦。

1.2 树脂传递模塑(RTM)

自1980 年代初以来，树脂传递模塑(RTM)工艺一直是航空航天应用的大量实践和理论发展的主题[4]。 树脂传递模塑(RTM)工艺的优化是一种广泛采用的复合材料制造工艺，随着对轻质结构部件的需求增长[5]。 RTM 是一种封闭模具工艺，其中树脂通过注射浇口注入模腔，以浸渍其中的干增强材料。 然后允许空气、挥发物和多余的树脂通过通风口逸出模具。 模具填充完成后，零件在脱模之前在模具内固化。 模具填充是RTM 工艺中的关键阶段，因为它对最终产品质量和工艺效率有很大影响[6]。

1.3 拉挤成型工艺

拉挤成型是一种连续制造技术，用于生产具有紧密尺寸和均匀横截面的CFRP。 该工艺包括连续的纤维材料，这些材料通过导轨成型和组织，然后用树脂浸渍，最后通过预成型模具连续拉动型材。 因此，型材的几何选择有限，这是该过程的一个关键缺点。 拉挤成型的优点是生产率高，自动化程度高，能源效率和成本效益，在结构中提供更高的FVF 和尺寸公差。

1.4 增材制造(AM)

近年来，增材制造(AM)的使用(通常称为3D打印)已被研究为制造基于CFRP 的产品的现代方法。 与一般的制造方法相比，增材制造可以快速将设计转化为有形产品，而不会浪费材料、工具、成本或时间，并且易于更换材料。 在AM 中，通过铺设熔融聚合物或其复合材料层来制造零件，直到形成最终零件。 该技术已被用于制造从原型到最终产品的聚合物复合材料部件。 在该技术中，CF 浓度增加，纤维与纤维接触增加，限制了纤维与基质的接触并导致裂纹。 因此，确定和优化纤维的浓度在此方法中是至关重要的[7－9]。

1.5 压缩成型工艺(CM)

压缩成型(CM)是通过在已经由基体和增强材料填充的模具中同时施加热量和压力来进行的，将逐层铺叠的预浸料放置于上下平板模之间加压加温固化，这种工艺可以直接继承木胶合板的生产方法和设备，并根据树脂的流变性能，进行改进与完善。 这种工艺能合理控制每个组件的体积分数，并在受限应用中进行大规模制造的可能性。 在产品零件的批量生产中，特别是在大批量生产中具有较强的竞争优势。

在现有的CFRP 制备方法中，RTM 工艺可以形成复杂、高精度的部件，具有制备效率高、污染小、工艺适应性强等优点[10－11]。 但是，当纤维体积分数较高时，存在渗透效果差、产品孔隙率高、实时可控性差等缺点。 拉挤成型被认为是纤维杂化复合材料制造的最佳方法，因为它通过在CF 和其他增强纤维之间建立适当的协同关系来产生无与伦比的复合增强效果，从而大大提高了机械性能。 增材制造工艺适用于制备大型部件。 它具有制备工艺稳定、产品孔隙率低[12]的优点，但要求设备成本高，能耗大，不能满足目前低成本、无污染的复合材料制造理念。 与这些工艺方法相比，CM 工艺具有成本低、产品内应力小、工艺易于控制等优点[13]。然而，在制备复合材料时容易受到尺寸限制，缺乏树脂填充模具能力导致最终渗透效果差。 现有的制备工艺方法存在浸润效果差、树脂填充纤维压力不足、工艺柔韧性和适应性差、制备复合材料时无法实时控制制备工艺等问题。

2 碳纤维增强树脂基复合材料的应用

CFRP 在航空航天，交通运输等领域中得到了普遍应用。 传统的金属结构不断被这些基于CFRP 的现代结构所取代，主要是因为它们的轻质特性。 据统计，航空航天工业就占需求的36%，占全球营业额的56%。 高质量的复合材料模仿了最终航空航天产品的多样化特性。 汽车行业是第二大行业，因为它占全球需求的24%和全球营业额的18%。 CFRP 材料也在体育领域站稳了脚跟，它产生的需求和营业额分别为13%和11%[14]。

2.1 航空航天领域

近几十年来，碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料因其重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，这可以让机身重量减轻，从而降低燃油消耗，CFR 一直是航空航天和能源设备不可或缺的材料[15－17]。 它成为在许多重量关键部件(如新型A350 和B787 飞机)中替代金属的主要结构材料，复合材料含量超过50%，如CFRP 开发的航空航天部件包括飞机门、制动器、夹子、油箱、机身、机身驾驶舱、肋骨、机翼、起落架、扰流板、龙骨梁、尾部组件、水平和垂直稳定器[18]。 在1960 年代，碳纤维增强塑料(CFRP)首次用于制造航空航天工程中的结构部件[19]。CFRP 复合材料用于F/A－18 E/F 军用飞机的水平稳定器、机翼组件、机身、垂直尾翼，占结构重量的19%，覆盖60%的外表面。 在CH－53K 直升机中，通过使用FRP 复合材料(重量>75%)，部分增加了三倍的外部负载能力。 在现代战斗机中，例如欧洲战斗机，由于质量减轻，40%的复合材料重量和70%的外部蒙皮复合材料覆盖率增强了飞机的敏捷性。 在新一代飞机中，CFRP 复合材料的百分比显着增加，在某些情况下达到车辆整体重量的50%以上。 这种趋势将在未来持续[20]。 最近的两架远程飞机，空中客车A350 和波音787，在机身中广泛使用了CFRP，重量超过50%。 碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)由于石墨纤维具有相当大的导电性，能够屏蔽电磁辐射[21－22]。 MadelineA 等[23]研究了由碳纤维增强聚合物(CFRP)层压板和额外的铜网层组成的多功能复合材料结构，用于在航空航天应用中用作电磁干扰(EMI)屏蔽。 结果发现，加入反射损耗屏蔽的组件(Cu 网格)和吸收损耗屏蔽的组件(CFRP)，SE 在更宽的频率范围内得到了改善。

2.2 交通运输领域

过去十年以来，全球更严格的车辆排放标准和电动汽车的快速增长相结合，推动该行业重新转向碳纤维，以摆脱重量。 汽车行业目前专注于使用轻质材料来提高能源效率并减少CO2的排放。 通常，重量减轻100 kg 相当于CO2减排7.5 克/公里~12.5克/公里。 因此，减轻重量在汽车行业变得越来越重要[24－25]。 在汽车结构中采用CFRP 复合材料等轻质材料是最直接的轻量化方法。 CFRP 复合材料还具有许多优点，例如更高的耐撞性，根据现代车身的发展趋势，未来车身将由钢、铝镁合金、塑料、碳纤维增强聚合物(CFRP)等轻质材料组成。 混合材料车身代表了未来车身结构的最新发展趋势。 随着轻量化技术的发展，碳纤维复合材料以其优异的性能在汽车车身中的应用日益增多[26]。 例如像沃尔沃这样的汽车公司用碳纤维替换一些钢制车身面板，使用CFRP 作为电池盒，甚至使用CFRP 面板来存储电池车辆等电力。

除在汽车领域中的应用，碳纤维在高铁中可用作高速列车的车身结构、动力学前端、内饰、承重结构件或其它零部件。 与铝合金和铸钢相比，机械强度提高了35%，抗冲击强度提高了20%。 并且列车的整体重量降低了不少，能够有效的减少能耗。

2.3 医疗领域

在CFRP 引入抗菌、导电性和导热性之后，正在研究其在医疗、能源和电子材料中的应用[27－29]。特别是，CFRP 的医疗应用对于改善人类健康和福利非常重要。 由于用于固定手术部位的传统金属基医疗设备的X 射线透射率低，因此在外科手术过程中通常需要重复多次X 射线扫描才能提供完整的信息。 然而，由于CFRP 具有出色的X 射线透射率，只需一个X 射线照射步骤即可获得完整的数据，从而最大限度地减少了人体对X 射线的暴露[30]。 因此，预计用于医疗器械的传统材料将迅速被CFRP 取代[31]。 根据聚合物和制造技术的不同，CFRP 可以达到与人体骨骼相当的密度，以增强应力传递，这是生物医学用作骨科植入物或假体的令人垂涎的功能[32]通常，使用金属板植入物进行骨科稳定治疗，以解决骨肿瘤病变、骨切除或骨折，然后进行术后放疗[33]。 金属硬件的存在会干扰溶骨性病变的CT 引导放疗，导致辐射散射，导致目标划定不准确和剂量衰减[33－34]。 此外，金属伪影会影响治疗后的后续成像。 这些挑战延伸到金属脊柱或牙科植入物的患者，其中脊柱肿瘤病变或头颈癌分别需要放疗[35－36]。 因此，CFRP 的射线可透性是用作医疗植入物的一个有吸引力的特征。

2.4 电缆领域

碳纤维增强聚合物(CFRP)是一种先进的复合材料，具有高强度、轻质、无腐蚀、优异的抗疲劳性，线膨胀系数和松弛性更低，以及改变弹性模量的能力等优点。 因此，单向CFRP 在电缆和替代电缆结构中的钢电缆方面具有巨大的潜力[37－38]。 它具有许多优越的性能，例如高强度、轻质、无腐蚀和高抗疲劳性。 因此，CFRP 具有巨大的潜力，可以制成电缆并替代电缆结构中的钢电缆，这可能会大大促进其发展。

由于上述高性能，CFRP 自1982 年以来一直被认为是电缆并用于电缆结构。 1987 年，EMPA 的Meier 教授提出了建造一座主跨为8400 m 的CFRP斜拉桥的概念，横跨直布罗陀海峡[39]。 CFRP 电缆在实际电缆结构中的首次使用可以追溯到1996年。 从那时到现在，全世界已经有十个CFRP 电缆结构，尽管它们都或多或少是实验性的。 Yang等[40]提出了一种基于光电共感知的新型智能CFRP 电缆，用于结构的全过程预应力监测。 在预应力梁的荷载试验中，这种智能电缆可以有效监测钢筋受力和梁的中跨缺陷，从而获得预应力梁在不同荷载作用下的刚度退化。

2.5 建筑领域

碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料最近在不同的工程应用中越来越受欢迎，特别是土木工程。 CFRP 复合材料因其优异的机械性能、高耐用性和轻质而非常适合土木工程结构。 在过去的几十年中，CFRP 复合材料在桥梁、建筑物和其他基础设施项目的建设中的使用显著增加[41]。 CFRP复合材料由碳纤维编织在一起，然后用树脂浸渍而成，形成坚固耐用的材料。 碳纤维具有高拉伸强度、刚度和抗疲劳性，而树脂基体可防止湿气和紫外线辐射等环境因素，所得复合材料重量轻、强度重量比高，是结构应用的理想选择[42－43]。 CFRP 工程应用以及建筑和混凝土的未来发展将推动该行业的发展。 CFRP 复合材料用于加固、改造和修复混凝土结构，提高其承载能力和耐用性。 CFRP 的轻质结构潜力使高层建筑和大跨度桥梁更加高效和可持续。 未来的发展使用CFRP 进行独特的配置和创新的结构系统，以创建有弹性和环保的基础设施。

2.6 风电领域

风能作为可再生能源之一，拥有良好的发展前景。 风电叶片作为利用风能的核心组件，正逐步向大型化、轻量化的方向发展。 CFRP 及其石墨烯和CNT 纳米填料基多级复合材料广泛用于风力涡轮机叶片的制造，主要是因为它们抗断裂、疲劳失效以及通过改变其形状而不影响刚度和稳定性来获得高能量的杠杆作用[44]。 尽管环氧基热固性复合材料提供更好的强度和刚度，但在实践中，热塑性聚合物基复合材料被广泛用于避免叶片的间歇性处置。

2.7 运动休闲领域

运动和休闲是最早成功使用碳纤维复合材料的行业。 由碳纤维制成的主要产品是高尔夫球杆、钓鱼竿和网球拍[45]。 最近的趋势表明，自行车使用的应用正在迅速扩大。 自2010 年以来，全球碳纤维在运动和休闲设备中的使用量稳步增长。2021 年，运动中使用的碳纤维达到了令人印象深刻的18.5 kt。 高尔夫球杆和自行车是碳纤维的最大消费量，分别占总消费量的27.6%和25.4%。 受疫情影响，对曲棍球棒等团队运动器材的需求大幅下降，但对高尔夫球杆、自行车和钓鱼竿等个人运动器材的需求却有所增加。 因此，未来几年(2021年以后)碳纤维消费的预测趋势仍在增加。 随着可持续交通的倡导，电动自行车对碳纤维使用的需求也在增加[46]。

3 展望

CFRP 的新兴市场，如电子产品，也正在采用CFRP 薄层压板和短碳纤维塑料，以实现轻量化和美观性。 此外，高速列车和电池电极材料市场正在使用更多的碳纤维材料，如混合复合材料和碳纤维纸[47]。 碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料由于其许多优异性能而在各种应用中是必不可少的。CFRP 通常由碳纤维作为增强材料，交联聚合物作为粘合剂构成。 由于交联聚合物的不可逆性，CFRP 既不可修复也不可回收。 一旦材料损坏或无法使用，填埋或焚烧是处理废物的典型方法。 这些方法没有利用废物的残余价值，并增加了环境的负担[48]。 纤维增强聚合物(CFRP)复合材料应用的快速增长对废物回收提出了挑战。 循环经济方法加上以更低的成本和更低的能耗从CFRP 废物中回收具有与原始碳纤维相似特性的碳纤维的可能性，激发了CFRP 回收的研究。