連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制備與應(yīng)用研究進(jìn)展

馮冰濤，王曉珂，張 信，孫國華，汪殿龍，侯連龍，馬勁松

（河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北省柔性功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050018）

0 前言

碳纖維（CF）是由聚丙烯腈、瀝青、黏膠等原料經(jīng)預(yù)氧化、炭化或石墨化等工序制得，具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)［1］。通常把CF作為增強(qiáng)體，與基體樹脂制成復(fù)合材料，根據(jù)樹脂種類的不同，主要有熱塑性和熱固性復(fù)合材料2種。過去人們基本選用熱固性樹脂作為基體來制備碳纖維復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的強(qiáng)度、耐熱性與耐化學(xué)性均較好，但是其不可反復(fù)加工、成型速度慢，并且會(huì)對環(huán)境造成污染，不符合當(dāng)今綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢，因此人們把目光轉(zhuǎn)向了碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料中CF的存在形式主要有短碳纖維（SCF）、長碳纖維（LCF）和連續(xù)碳纖維（CCF）。短碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料和長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料中CF是不連續(xù)的，所得的復(fù)合材料的力學(xué)性能滿足不了高性能的需求，而CCFRP中CF是連續(xù)的，這種CCF可以充分發(fā)揮其作為增強(qiáng)體高強(qiáng)度和高模量的力學(xué)特性，可以制備出綜合性能優(yōu)異的復(fù)合材料。

CCFRP 具有以下優(yōu)點(diǎn)［2-3］：（1）質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高模量；（2）耐腐蝕和耐熱性好；（3）設(shè)計(jì)靈活、生產(chǎn)效率高；（4）生產(chǎn)廢料和制品可以回收利用。近些年來，以熱塑性樹脂為基體的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)展迅速，其在汽車輕量化、航空航天、風(fēng)電葉片等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［4-5］。本文基于采用CCF 作為增強(qiáng)體和熱塑性樹脂為基體制備的CCFRP，從界面處理方法、浸漬工藝和成型工藝等方面，對CCFRP 的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了較全面的介紹和總結(jié)，同時(shí)對其應(yīng)用現(xiàn)況進(jìn)行了介紹，并且對未來CCFRP的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 界面改性

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料由纖維和熱塑性樹脂組成，纖維承擔(dān)載荷，樹脂傳遞載荷，并且纖維和樹脂之間的界面在載荷傳遞過程中也發(fā)揮重要作用。CCF 表面光滑且呈化學(xué)惰性，表面能比較低，導(dǎo)致了CCF 與熱塑性樹脂基體較差的界面黏附性［6-7］。目前，主要通過增加CCF 的化學(xué)活性、表面粗糙度以及表面自由能來提高基體對CCF 的浸漬性、基體樹脂與CCF的機(jī)械咬合力及它們之間的鍵合力，從而達(dá)到對復(fù)合材料界面進(jìn)行增強(qiáng)的目的［8］。CCF 表面改性常用的方法有表面涂層法、等離子體法、氧化法、納米粒子改性法和界面結(jié)晶調(diào)控法。

1.1 表面涂層法

Hassan 等［9］把聚醚酮酮（PEKK）作為上漿劑對活化后的碳纖維織物（CFF）進(jìn)行上漿涂覆，以對碳纖維織物增強(qiáng)聚醚醚酮（PEEK/CFF）復(fù)合材料的界面黏附性進(jìn)行改善，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和模量得到增強(qiáng)，分別提高了70%、37%和48%。因?yàn)镻EKK 可以與活化CFF 形成氫鍵，PEKK 和PEEK的相容性較好，這些都可以增強(qiáng)復(fù)合材料的界面黏附，使得最終復(fù)合材料的性能得以提高。

朱姝等［10］把PEKK/氧化石墨烯（GO）作為上漿劑，對CFF 進(jìn)行表面改性，制備了PEKK/CFF 復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)GO 含量低于0.5 %時(shí)，可以良好的分散在PEKK 中，復(fù)合材料的界面黏附性得到增強(qiáng)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、模量和層間剪切強(qiáng)度均得到顯著增強(qiáng)。當(dāng)GO 含量高于0.5 %時(shí)，容易在PEKK 中發(fā)生團(tuán)聚，不利于復(fù)合材料界面的黏附，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。

1.2 等離子體法

采用等離子體法可以增加CCF表面的粗糙度和比表面體積，也可以在CCF表面引入活性基團(tuán)，從而增加CCF和基體樹脂間的界面結(jié)合能力。并且這種方法操作簡單、綠色環(huán)保，近些年來許多研究者采用這種方法來處理CCF。

Jiang［11］采用電感耦合射頻等離子體和介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體對CCF進(jìn)行表面改性，結(jié)果表明，經(jīng)等離子體改性后，大量的羧基、羥基等極性官能團(tuán)被接枝在了CCF上，增加了纖維的表面粗糙度和表面自由能，導(dǎo)致了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)雙馬來酰亞胺復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度得到提高。

Lu等［12］采用射頻等離子體同時(shí)處理CCF 和PEEK 纖維絲束，以增強(qiáng)PEEK/CCF 復(fù)合材料的界面強(qiáng)度。經(jīng)等離子體改性后，CCF 的表面粗糙度得到增加，同時(shí)也增加了CCF 和PEEK 纖維的氧含量和活性基團(tuán)數(shù)量，這都有利于提高復(fù)合材料的界面強(qiáng)度，并且用氬氣和空氣等離子體對復(fù)合材料處理1 min 后，其界面剪切強(qiáng)度得到顯著提高。

Cho 等［13］采用等離子體法對CFF 進(jìn)行改性，制備了聚碳酸酯（PC）/CFF/碳納米管（CNT）復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)等離子體改性可以提高PC/CCF 復(fù)合材料的力學(xué)性能，并且CNT 雜化有利于增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，相比于未改性的PC/CFF/CNT 復(fù)合材料，等離子體改性后復(fù)合材料的最高室溫儲(chǔ)能模量和吸收沖擊能提高了387%和194%。

1.3 氧化法

氧化法主要是在CCF 表面引入羥基、羧基和羰基等活性基團(tuán)，可以使CCF 的表面活性和表面能得到提高，從而增強(qiáng)連續(xù)碳纖維復(fù)合材料的界面黏附性。氧化法主要分為3種：液相氧化法、電化學(xué)氧化法、氣相氧化法［8］。

喬允允等［14］采用丙酮和硝酸（HNO3）分別對CFF進(jìn)行表面處理，制備了碳纖維平紋織物增強(qiáng)聚苯硫醚（PPS/CFF）復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)丙酮處理可以把CFF 的上漿劑去除，可以使PPS/CFF 復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提高，HNO3處理可以增加PPS/CFF 復(fù)合材料的界面黏附性，也可以使復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提高，這主要是因?yàn)镠NO3處理可以增加CFF的表面粗糙度。

董廣雨等［15］用超聲波-雙氧水法對CCF 進(jìn)行表面改性，并且通過熱壓法制備了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚酰胺（PA/CCF）復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)氧化處理可以使CCF的表面粗糙度和羥基、羰基等官能團(tuán)數(shù)得到增加，從而增強(qiáng)PA/CCF復(fù)合材料的界面黏附性，并且氧化處理20 min可以使復(fù)合材料的綜合性能最好。

1.4 納米粒子改性法

通過納米粒子改性可以在CCF 表面引入納米顆粒，以增加CCF的表面粗糙度，從而增強(qiáng)連續(xù)碳纖維復(fù)合材料的界面結(jié)合能力，并且確保納米顆粒在CCF 表面分散均勻可以進(jìn)一步提高復(fù)合材料的界面性能。

Chen 等［16］把納米二氧化硅（SiO2）引入PEEK/CCF 復(fù)合材料中，以改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)納米SiO2的加入可以使PEEK/CCF 復(fù)合材料的力學(xué)性能提高，并且其加入量達(dá)到2.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，對復(fù)合材料的改性效果最好。

Su 等［17］采用預(yù)浸噴涂的方法將CNT 懸浮液噴涂到PEEK/CCF 預(yù)浸料上，制備了性能優(yōu)良的PEEK/CCF 復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)CNT 在預(yù)浸料中分散均勻，復(fù)合材料的界面黏附性得到了提高，同時(shí)也增強(qiáng)了PEEK/CCF復(fù)合材料的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能。

王國超等［18］在PA6樹脂中加入納米Al2O3，采用模壓法制備了PA6/CFF 復(fù)合材料。確定了最佳的工藝參數(shù)，并且發(fā)現(xiàn)納米Al2O3的加入可以使復(fù)合材料的力學(xué)性能得到增強(qiáng)，并且其含量達(dá)到6%時(shí)，復(fù)合材料具有最佳的力學(xué)性能。

1.5 界面結(jié)晶調(diào)控法

通過這種方法可以在CCF 表面附近形成橫晶，這可以增強(qiáng)CCF 與樹脂基體的界面黏附，因此可以通過調(diào)控CCF表面基體樹脂的結(jié)晶行為來改善復(fù)合材料的界面黏附性。

Batista 等［19］用不同的冷卻速度處理PPS/CFF 復(fù)合材料，研究了不同結(jié)晶度的復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)在較低冷卻速度下，復(fù)合材料的結(jié)晶度增加，這改善了復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致了復(fù)合材料儲(chǔ)能模量和層間剪切強(qiáng)度的增加。

國內(nèi)也進(jìn)行了相關(guān)的研究，曹碩等［20］研究了非等溫結(jié)晶行為對PPS/CCF 復(fù)合材料的結(jié)晶度和力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的結(jié)晶速率隨著冷卻速率的增加而提高，但是復(fù)合材料的結(jié)晶度減小，同時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量得到了降低，而其缺口沖擊強(qiáng)度明顯增加。這主要是因?yàn)槔鋮s過快使復(fù)合材料界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，這會(huì)使復(fù)合材料的界面黏附受到影響。

通過退火處理的方法可以消除復(fù)合材料界面處產(chǎn)生的應(yīng)力，改善復(fù)合材料的界面性能。郭兵兵等［21］制備了PPS/CCF 管材，發(fā)現(xiàn)熱處理可以增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，當(dāng)熱處理溫度為240 ℃、熱處理時(shí)間為2 h 時(shí)，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度增加了7.1%。Zhao等［22］通過熱壓復(fù)合法制備了PPS/CFF 復(fù)合材料，研究了硅烷偶聯(lián)劑和熱處理對復(fù)合材料結(jié)晶度和力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)適當(dāng)熱處理可以增強(qiáng)復(fù)合材料的界面結(jié)合，在240 ℃熱處理1 h時(shí)，復(fù)合材料具有較好的結(jié)晶度和力學(xué)性能。

2 浸漬工藝

由于熱塑性基體樹脂的黏度較大，很難對增強(qiáng)纖維進(jìn)行良好浸漬，另外，纖維在樹脂基體中是否均勻分散也會(huì)對復(fù)合材料的性能產(chǎn)生一定影響。對此，各國專家和學(xué)者進(jìn)行了大量研究，開發(fā)了多種預(yù)浸漬工藝，主要有溶液浸漬法、熔融浸漬法、粉末浸漬法、纖維混編法和聚合法等。

2.1 溶液浸漬法

溶液浸漬法工藝簡單，并且避開了熱塑性樹脂黏度高、浸漬難的缺點(diǎn)，但是這種方法也存在一些缺陷：熱塑性樹脂耐溶劑性好，溶劑的選擇具有局限性，揮發(fā)的溶劑會(huì)污染環(huán)境，并且在揮發(fā)的過程中可能會(huì)有氣泡在預(yù)浸料中產(chǎn)生，導(dǎo)致材料性能降低。目前這種工藝只適合一些高性能的特定的熱塑性樹脂的浸漬。

Zhang 等［23］通過親核取代反應(yīng)在PEEK 中引入可交聯(lián)的苯基乙基基團(tuán)，并且在PEEK/CCF 復(fù)合材料的制備中使用了溶液浸漬法。發(fā)現(xiàn)制備的復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐溶劑性、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。Yao 等［24］將PC 粉末制成噴涂液，采用噴涂法將PC 樹脂噴涂在CCF 表面，研究了CCF 與PC 涂層間界面的相互作用。發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的界面黏附性與涂層厚度有關(guān)，當(dāng)涂層厚度小于0.15 μm 時(shí)，復(fù)合材料的界面黏附性和力學(xué)性能較差；當(dāng)涂層厚度為0.15～0.32 μm 時(shí)，界面浸漬良好，進(jìn)一步熱壓增強(qiáng)界面結(jié)合，復(fù)合材料的界面黏附性和力學(xué)性能均得到顯著增強(qiáng)。

Chukov等［25］對CFF 表面進(jìn)行熱氧化處理，并且采用溶液浸漬法制備了碳纖維織物增強(qiáng)聚砜基復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱氧改性后，CFF 表面形成了羥基、羧基和羰基等官能團(tuán)，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度得到了顯著增強(qiáng)。

Wu 等［26］采用電泳沉積工藝和溶液預(yù)浸漬工藝相結(jié)合的方法制備了PC 浸漬的碳纖維-碳納米管（CFCNT）雜化纖維氈，經(jīng)電泳沉積處理后，CNT 均勻地包覆在CF 氈表面。發(fā)現(xiàn)提高了復(fù)合材料的界面黏附性，復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯增強(qiáng)。

2.2 熔融浸漬法

熔融浸漬工藝簡單，可連續(xù)生產(chǎn)，成本低，并且生產(chǎn)過程中無揮發(fā)物，缺點(diǎn)是熱塑性樹脂要有較低的熔融溫度和熔融黏度，并且在生產(chǎn)過程中可能會(huì)發(fā)生斷絲現(xiàn)象。U?un 等［27］基于熔融浸漬法設(shè)計(jì)了一條生產(chǎn)不同纖維組分的連續(xù)碳纖維復(fù)合材料長絲的生產(chǎn)線，采用3D 打印法把制造的長絲成型成樣品，發(fā)現(xiàn)采用這種方法可以生產(chǎn)出高強(qiáng)度的長絲。

馬曉敏等［28］利用熔融浸漬法制備CCF增強(qiáng)聚酰胺66（PA66/CCF）預(yù)浸帶，發(fā)現(xiàn)CCF 的加入促進(jìn)了PA66的異相成核，提高了結(jié)晶溫度。同時(shí)，纖維含量的增加導(dǎo)致了PA66/CCF 復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、損耗模量、儲(chǔ)能模量和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的增加。田小永等［29］設(shè)計(jì)制造出了熔融浸漬纖維預(yù)處理裝置，并且采用該裝置制備了用于3D 打印的PA/CCF 預(yù)浸絲，研究了浸漬與擠出成型關(guān)鍵工藝參數(shù)對制備的預(yù)浸絲和復(fù)合材料的影響。發(fā)現(xiàn)預(yù)浸絲的最大拉伸強(qiáng)度為813.9 MPa；對打印的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)制備的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到了558 MPa，拉伸模量達(dá)到了56 GPa。

2.3 粉末浸漬法

粉末浸漬對纖維損傷小，基體樹脂不分解，難點(diǎn)是樹脂的粉末化處理，纖維和樹脂粉末的均勻分散和吸附。Zhu 等［30］采用濕法粉末浸漬方法制備了PEEK/CCF 預(yù)浸帶，研究了2 種不同性質(zhì)的CCF 對其結(jié)構(gòu)性能的影響。發(fā)現(xiàn)這2 種CCF 均能使預(yù)浸帶的力學(xué)性能得到增強(qiáng)，并且復(fù)合材料中CCF含量的增加，可以增大復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量，同時(shí)，復(fù)合材料在290 ℃時(shí)仍然具有較好的抗變形能力。Qiao等［31］同樣使用濕法粉末浸漬法制備了PEEK/CCF 預(yù)浸帶，并且在制備過程中添加了CNT，對預(yù)浸帶的拉伸性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)行為等性能進(jìn)行了研究。CNT 的加入增加了預(yù)浸帶的界面黏附性，并且使預(yù)浸帶的拉伸強(qiáng)度得到了顯著增強(qiáng)，同時(shí)，預(yù)浸帶的抗變形能力也得到了進(jìn)一步的加強(qiáng)。

鄭利杭等［32］自主設(shè)計(jì)和組裝了制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的粉末浸漬裝置，也制備了PEEK/CCF 預(yù)浸帶，又把預(yù)浸帶采用熱壓成型工藝制成了層合板。發(fā)現(xiàn)基體樹脂緊密的包覆著纖維，并且纖維在基體樹脂中呈均勻的分散，復(fù)合材料的界面黏附性好。隨著纖維含量的增加，制備的板材的彎曲和沖擊強(qiáng)度得到增強(qiáng)，并且當(dāng)預(yù)浸帶鋪放角度為0 °和CCF含量為60%時(shí)，板材具有較好的力學(xué)性能。

2.4 纖維混編法

此方法可以對增強(qiáng)纖維充分浸漬，并且制備的預(yù)浸料具有優(yōu)良的柔順性與可紡性，但是直徑小的熱塑性纖維難以制備，并且纖維在編織過程中可能會(huì)發(fā)生斷裂，從而使復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。Xu 等［33］通過包繞紗法制備了PEEK/CCF 復(fù)合材料，并對其力學(xué)性能進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)成型溫度和時(shí)間的增加，會(huì)導(dǎo)致基體樹脂對纖維的浸潤性增強(qiáng)，進(jìn)而使復(fù)合材料的力學(xué)性能增強(qiáng)，但是當(dāng)成型溫度太高和浸漬時(shí)間太長時(shí)，可能會(huì)使基體發(fā)生降解，比較緩慢的冷卻速度對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響不大。

Baek 等［34］采用PC 薄膜和PC 纖維制備了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚碳酸酯（PC/CCF）復(fù)合材料，研究了其浸漬效果。從其復(fù)合材料的截面形貌和滲透量發(fā)現(xiàn)，相比于PC 薄膜，PC 纖維的浸漬效果更好，可以提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。Mizuki等［35］用沖壓成型工藝把CCF和PA 纖維混紡紗制成層壓板，研究了成型時(shí)間和壓力對制品性能的影響。發(fā)現(xiàn)PA 樹脂可以對CCF 快速浸漬，當(dāng)成型壓力為5 MPa 和成型時(shí)間為5 min 時(shí)，PA 樹脂可以完全浸漬到CF 束中，并且樣品的拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變隨成型時(shí)間的增加而有所下降，但是成型時(shí)間不會(huì)對其彎曲性能產(chǎn)生影響。

2.5 聚合法

聚合法可以避免樹脂的高黏度，并且單體和低聚物能快速反應(yīng)，反應(yīng)可以控制，但是聚合反應(yīng)對加工工藝參數(shù)要求嚴(yán)格，因此這種方法只在反應(yīng)注塑和樹脂傳遞模塑等特定成型工藝中使用。

周佳慧等［36］采用陰離子聚合工藝制備了PA6/CCF復(fù)合材料單向板，并對其陰離子聚合工藝進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)聚合反應(yīng)速率與引發(fā)劑、活化劑和聚合溫度有關(guān)，引發(fā)劑濃度提高，聚合反應(yīng)速率增加，分子量降低；活化劑濃度增加會(huì)導(dǎo)致聚合反應(yīng)不完全；聚合溫度提高會(huì)加快反應(yīng)速率，增大分子量，降低結(jié)晶度。胡斌斌等［37］也通過己內(nèi)酰胺原位陰離子聚合的方法來制備碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，并采用丙酮去漿處理、氣相氧化處理、偶聯(lián)劑處理和火焰處理4 種方法對CFF 進(jìn)行表面處理。發(fā)現(xiàn)相比于其他處理方法，偶聯(lián)劑處理可以更好的改善碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，經(jīng)偶聯(lián)劑處理的復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別達(dá)到了30.6、330.7、595.5 MPa。

3 成型工藝

CCFRP 制備的成型工藝主要有：熱壓成型、拉擠成型、纏繞成型，除此之外，還開發(fā)了自動(dòng)纖維鋪放成型和3D 打印成型技術(shù)。這些成型方法各有特點(diǎn)，可以根據(jù)不同需求選擇合適的成型方法。

3.1 熱壓成型

Nakamura 等［38］通過馬來化聚丙烯改善了CCF 增強(qiáng)聚丙烯（PP/CCF）復(fù)合材料的界面性能，采用熱壓法制備了PP/CCF 復(fù)合板材，研究了施膠劑對復(fù)合材料界面和浸漬的影響。研究發(fā)現(xiàn)施膠劑含量增加會(huì)降低復(fù)合材料的界面性能，這是因?yàn)槭┠z劑會(huì)抑制復(fù)合材料界面黏附，不利于PP 樹脂對CCF 的浸漬。另外，馬來化聚丙烯的使用增強(qiáng)了復(fù)合材料的界面黏附，但是會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料較差的濕潤性。Ma 等［39］用熱壓法制備了PA6 板材和不同纖維取向的單向PA6/CCF 層合板，研究了濕熱老化對其力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)PA6板材和單向PA6/CCF 層合板在熱水中浸泡后，其力學(xué)性能均有所降低。主要是因?yàn)镻A6中的主鏈發(fā)生裂解反應(yīng)，從而使基體塑化，熱水侵蝕復(fù)合材料的界面，從而降低了復(fù)合材料的界面性能。

張照等［40］采用熱壓成型法制備了紡織結(jié)構(gòu)PEEK/CCF復(fù)合材料，并且用磺化PEEK對去漿、活化后的CCF 改性處理。對工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，并且復(fù)合材料經(jīng)界面改性后，基體與纖維具有良好的浸潤性和結(jié)合性，PEEK/CCF 復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度得到了顯著增強(qiáng)。

3.2 拉擠成型

這種工藝可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，制品性能穩(wěn)定，適用于幾何形狀較為規(guī)整制品的成型制備。李雪芹等［41］研究開發(fā)了高通量制備技術(shù)平臺(tái)，其主要是運(yùn)用了復(fù)合材料真空熱壓工藝和先進(jìn)預(yù)浸料拉擠工藝連續(xù)制備連續(xù)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的特點(diǎn)，并且平臺(tái)不同的溫度和壓力可以用來大量制備各種工藝流程的復(fù)合材料。

Budiyantoro 等［42］使用擠出-拉擠的方法制備了PP/CCF 復(fù)合纖維長絲，對加工變量（熔體溫度、拉擠速度、浸漬模具中插針數(shù)和纖維處理）進(jìn)行了優(yōu)化，以使復(fù)合材料具有較高的界面剪切強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)纖維處理對PP/CCF 復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度影響最顯著，其次是拉擠速度和熔體溫度，并且研究得出了最佳工藝參數(shù)。

3.3 纏繞成型

纏繞成型工藝也可以連續(xù)生產(chǎn)，成品結(jié)構(gòu)密實(shí)，孔隙率低，可以進(jìn)行機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)。Gabrion 等［43］采用纏繞成型工藝制備了單向CCF增強(qiáng)熱塑性聚酰亞胺（TPI/CCF）復(fù)合材料，研究了溫度對TPI/CCF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)在400 ℃以上時(shí)復(fù)合材料發(fā)生熱降解。復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為250 ℃。在-50～200 ℃的溫度范圍內(nèi)，復(fù)合材料力學(xué)性能的穩(wěn)定性良好。

單毫等［44］采用粉末浸漬法制備了PEEK/CCF 單向預(yù)浸帶，并且自主設(shè)計(jì)了高功率紅外加熱熱塑性復(fù)合材料纏繞成型設(shè)備，通過這種設(shè)備把預(yù)浸帶制成了PEEK/CCF管道，確定了最佳工藝參數(shù)。

3.4 自動(dòng)纖維鋪放成型

自動(dòng)纖維鋪放成型工藝可以根據(jù)制件形狀進(jìn)行纖維鋪放，無邊角廢料產(chǎn)生，節(jié)省原料，適用于制造形狀復(fù)雜和大尺寸的制件。Martín 等［45］采用自動(dòng)鋪放技術(shù)制備了PEEK/CCF 復(fù)合材料，確定了PEEK/CCF 復(fù)合材料的鋪層和原位固結(jié)的最佳工藝條件。Sebaey等［46］采用激光輔助自動(dòng)鋪帶技術(shù)制備了CCF 增強(qiáng)的PEEK 和PA 復(fù)合材料。與熱固性復(fù)合材料相比，這種技術(shù)得到的熱塑性復(fù)合材料空隙含量更高，熱塑性復(fù)合材料基體內(nèi)部的纖維分布和纖維錯(cuò)位方面都得到了改善。

楊洋等［47］對基于PPS/CCF 預(yù)浸料的自動(dòng)鋪絲工藝進(jìn)行了研究，總結(jié)了不同工藝條件對結(jié)晶的影響及控制方法，研究了不同自動(dòng)鋪絲參數(shù)對鋪放品質(zhì)的影響，得到了可靠的工藝方法。

3.5 3D打印成型

3D 打印成型具有成本低、產(chǎn)品尺寸精準(zhǔn)和原料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于形狀復(fù)雜材料的成型。Ueda等［48］采用3D 壓實(shí)打印制備了單向PA/CCF 復(fù)合材料貼片，研究了其拉伸和彎曲性能。在3D 打印過程中，熱壓可以降低復(fù)合材料空洞含量，增強(qiáng)CCF 復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能。Zhang 等［49］采用3D打印成型CCFRP，并對打印過程中產(chǎn)生的纖維錯(cuò)位和斷裂進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)CCF與基體較弱的界面和噴嘴的壓力不均勻?qū)е铝死w維錯(cuò)位，并且當(dāng)轉(zhuǎn)彎角度大于120°或曲率半徑小于5 mm 時(shí)，纖維會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?cái)嗔?，同時(shí)，噴嘴速度和偏移距離也會(huì)對CCFRP的品質(zhì)產(chǎn)生影響。

胡家榮［50］采用3D 打印成型工藝制備了CCF 增強(qiáng)聚乳酸（PLA/CCF）復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)其彎曲性能和彎曲破壞形式與打印工藝參數(shù)（打印層高和相對擠出率）有關(guān)，確定了最佳打印工藝參數(shù)，此時(shí)復(fù)合材料具有最好的彎曲性能，塑性變形、層離和CCF 與PLA 的脫離是復(fù)合材料的主要彎曲破壞形式。

4 應(yīng)用

CCFRP 具有質(zhì)輕、高剛度、高韌性、成型周期短、耐腐蝕等特點(diǎn)，在汽車輕量化、航空航天、軍工、體育休閑等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并且隨著對CCFRP 的深入研究，其應(yīng)用范圍將會(huì)變得更加廣泛。

CCFRP 在汽車中的應(yīng)用主要是在保證性能的前提下減輕汽車質(zhì)量，主要用于汽車懸掛系統(tǒng)的彈簧元件，此外CCFRP 可以用于汽車底盤、碰撞元件、賽車座椅、擋泥板等部位［51-52］。在航空航天和軍事領(lǐng)域，CCFRP 可以用于航空電子設(shè)備和航空航天外殼和基板，以減輕質(zhì)量和降低制造成本［53］，還可以用于軍用直升機(jī)尾梁，以減輕直升機(jī)質(zhì)量。另外，還可以用來制造戰(zhàn)斗機(jī)的零部件，如機(jī)身蒙皮和腹部壁板、尾翼、前起落架門等［54］。在體育休閑領(lǐng)域，CCFRP 可以用于高端運(yùn)動(dòng)鞋和筆記本電腦外殼［55］。CCFRP 還可以被用于制作風(fēng)力機(jī)葉片，不僅可以減輕葉片質(zhì)量，而且在葉片報(bào)廢后可以回收利用［56］。

5 結(jié)語

CCFRP 的研究主要集中在材料性能、界面改性處理、浸漬和成型工藝等方面，界面改性方法多種多樣，這些方法各有特點(diǎn)，通過界面改性可以增強(qiáng)復(fù)合材料的界面黏附性，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。另外，為了提高熱塑性樹脂對CCF的浸潤性，開發(fā)了溶液浸漬、熔融浸漬、粉末浸漬、纖維混編法和聚合法等浸漬工藝，以制備性能優(yōu)良的預(yù)浸帶材料，但是這些浸漬工藝都存在一定缺陷，需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。近些年來，CCFRP 的成型技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，開發(fā)了自動(dòng)纖維鋪放成型和3D 打印等新的成型工藝，可以用來成型一些大的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制件。通過對CCF 進(jìn)行表面改性，再選用合適的浸漬與成型工藝，制備出的CCFRP具有優(yōu)異的性能。

基于CCFRP 的研究現(xiàn)狀，做出以下展望：（1）CCFRP 高的生產(chǎn)成本限制了其大規(guī)模使用，還需要對碳纖維的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行深入研究，以降低其生產(chǎn)成本。（2）目前，CCFRP 的界面改性方法各有利弊，還需要對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對CCFRP 的界面結(jié)構(gòu)調(diào)控及其機(jī)理進(jìn)行深入研究。（3）為了使CCFRP 具有更好的性能，還需要對其材料制備技術(shù)、浸漬與成型工藝展開深入研究，清楚其機(jī)理。（4）CCFRP 可以回收利用，復(fù)合材料的回收途徑和方法以及如何提高回收的復(fù)合材料利用率，將會(huì)成為研究的熱點(diǎn)之一。CCFRP 的性能優(yōu)異，可以代替一些金屬承力部件，從而降低制品品質(zhì)，也可以減少能耗，符合國家倡導(dǎo)的“以塑代鋼”、“節(jié)能減排”、“綠色環(huán)?！钡陌l(fā)展政策，助力雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，市場發(fā)展前景廣闊。