碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用及展望

陳思魁，郭榮輝

(四川大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065)

纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)復(fù)合材料由聚合物基體和增強(qiáng)纖維組成，使CFRP 成為FRP 的一個(gè)子組。 與熱塑性聚合物相比，基質(zhì)通常是熱固性聚合物，因?yàn)樗哂懈玫臋C(jī)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(zhì)。 用作基質(zhì)的最常見(jiàn)聚合物是聚酯、丙烯酸和環(huán)氧樹(shù)脂[1－2]。CFRP 由CF 作為增強(qiáng)材料組成，以提高復(fù)合材料的機(jī)械性能，聚合物作為基體將纖維粘合在一起并保護(hù)它們免受環(huán)境影響。 近年來(lái)，碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度、高剛度和高耐腐蝕性等優(yōu)越性能，它們非常適合高強(qiáng)度和剛度、更輕的重量和出色的疲勞特性，是關(guān)鍵要求的應(yīng)用。 與鋁和鋼相比，碳纖維的比強(qiáng)度(取決于所使用的纖維)高出約十倍。 在過(guò)去二十年中，全球CFRP 的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)約為12.5%。 十多年來(lái)，CFRP 已成功應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、鐵路運(yùn)輸和風(fēng)能領(lǐng)域[3]。

1 碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的成型工藝

CFRP 的常用制備方法主要包括手糊、樹(shù)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(jiǎn)單的復(fù)合材料制造工藝，包括幾個(gè)簡(jiǎn)單的加工階段和基礎(chǔ)設(shè)施，但主要限于熱固性聚合物。 這是一個(gè)手動(dòng)過(guò)程，其中每個(gè)碳纖維板以所需的方向逐層放置，直到首選厚度，并通過(guò)滾筒和刷子在層之間使用樹(shù)脂。 然而，這是一個(gè)勞動(dòng)密集型的過(guò)程，很難通過(guò)這個(gè)過(guò)程制造像飛機(jī)部件這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。 此外，該技術(shù)制備的復(fù)合材料由于界面處的粘結(jié)較弱，抗沖擊性和抗彎強(qiáng)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(jī)械性能。 手動(dòng)加工的CFRP 的機(jī)械性能取決于空隙百分比、纖維排列的大小、使用的樹(shù)脂、最佳溫度、輥壓和纖維之間的摩擦。

1.2 樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)

自1980 年代初以來(lái)，樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)工藝一直是航空航天應(yīng)用的大量實(shí)踐和理論發(fā)展的主題[4]。 樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)工藝的優(yōu)化是一種廣泛采用的復(fù)合材料制造工藝，隨著對(duì)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件的需求增長(zhǎng)[5]。 RTM 是一種封閉模具工藝，其中樹(shù)脂通過(guò)注射澆口注入模腔，以浸漬其中的干增強(qiáng)材料。 然后允許空氣、揮發(fā)物和多余的樹(shù)脂通過(guò)通風(fēng)口逸出模具。 模具填充完成后，零件在脫模之前在模具內(nèi)固化。 模具填充是RTM 工藝中的關(guān)鍵階段，因?yàn)樗鼘?duì)最終產(chǎn)品質(zhì)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(xù)制造技術(shù)，用于生產(chǎn)具有緊密尺寸和均勻橫截面的CFRP。 該工藝包括連續(xù)的纖維材料，這些材料通過(guò)導(dǎo)軌成型和組織，然后用樹(shù)脂浸漬，最后通過(guò)預(yù)成型模具連續(xù)拉動(dòng)型材。 因此，型材的幾何選擇有限，這是該過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)。 拉擠成型的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高，自動(dòng)化程度高，能源效率和成本效益，在結(jié)構(gòu)中提供更高的FVF 和尺寸公差。

1.4 增材制造(AM)

近年來(lái)，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(chǎn)品的現(xiàn)代方法。 與一般的制造方法相比，增材制造可以快速將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為有形產(chǎn)品，而不會(huì)浪費(fèi)材料、工具、成本或時(shí)間，并且易于更換材料。 在AM 中，通過(guò)鋪設(shè)熔融聚合物或其復(fù)合材料層來(lái)制造零件，直到形成最終零件。 該技術(shù)已被用于制造從原型到最終產(chǎn)品的聚合物復(fù)合材料部件。 在該技術(shù)中，CF 濃度增加，纖維與纖維接觸增加，限制了纖維與基質(zhì)的接觸并導(dǎo)致裂紋。 因此，確定和優(yōu)化纖維的濃度在此方法中是至關(guān)重要的[7－9]。

1.5 壓縮成型工藝(CM)

壓縮成型(CM)是通過(guò)在已經(jīng)由基體和增強(qiáng)材料填充的模具中同時(shí)施加熱量和壓力來(lái)進(jìn)行的，將逐層鋪疊的預(yù)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(chǎn)方法和設(shè)備，并根據(jù)樹(shù)脂的流變性能，進(jìn)行改進(jìn)與完善。 這種工藝能合理控制每個(gè)組件的體積分?jǐn)?shù)，并在受限應(yīng)用中進(jìn)行大規(guī)模制造的可能性。 在產(chǎn)品零件的批量生產(chǎn)中，特別是在大批量生產(chǎn)中具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

在現(xiàn)有的CFRP 制備方法中，RTM 工藝可以形成復(fù)雜、高精度的部件，具有制備效率高、污染小、工藝適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[10－11]。 但是，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，存在滲透效果差、產(chǎn)品孔隙率高、實(shí)時(shí)可控性差等缺點(diǎn)。 拉擠成型被認(rèn)為是纖維雜化復(fù)合材料制造的最佳方法，因?yàn)樗ㄟ^(guò)在CF 和其他增強(qiáng)纖維之間建立適當(dāng)?shù)膮f(xié)同關(guān)系來(lái)產(chǎn)生無(wú)與倫比的復(fù)合增強(qiáng)效果，從而大大提高了機(jī)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(wěn)定、產(chǎn)品孔隙率低[12]的優(yōu)點(diǎn)，但要求設(shè)備成本高，能耗大，不能滿足目前低成本、無(wú)污染的復(fù)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(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力小、工藝易于控制等優(yōu)點(diǎn)[13]。然而，在制備復(fù)合材料時(shí)容易受到尺寸限制，缺乏樹(shù)脂填充模具能力導(dǎo)致最終滲透效果差。 現(xiàn)有的制備工藝方法存在浸潤(rùn)效果差、樹(shù)脂填充纖維壓力不足、工藝柔韌性和適應(yīng)性差、制備復(fù)合材料時(shí)無(wú)法實(shí)時(shí)控制制備工藝等問(wèn)題。

2 碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用

CFRP 在航空航天，交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域中得到了普遍應(yīng)用。 傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)不斷被這些基于CFRP 的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)所取代，主要是因?yàn)樗鼈兊妮p質(zhì)特性。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空航天工業(yè)就占需求的36%，占全球營(yíng)業(yè)額的56%。 高質(zhì)量的復(fù)合材料模仿了最終航空航天產(chǎn)品的多樣化特性。 汽車(chē)行業(yè)是第二大行業(yè)，因?yàn)樗既蛐枨蟮?4%和全球營(yíng)業(yè)額的18%。 CFRP 材料也在體育領(lǐng)域站穩(wěn)了腳跟，它產(chǎn)生的需求和營(yíng)業(yè)額分別為13%和11%[14]。

2.1 航空航天領(lǐng)域

近幾十年來(lái)，碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)復(fù)合材料因其重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，這可以讓機(jī)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(shè)備不可或缺的材料[15－17]。 它成為在許多重量關(guān)鍵部件(如新型A350 和B787 飛機(jī))中替代金屬的主要結(jié)構(gòu)材料，復(fù)合材料含量超過(guò)50%，如CFRP 開(kāi)發(fā)的航空航天部件包括飛機(jī)門(mén)、制動(dòng)器、夾子、油箱、機(jī)身、機(jī)身駕駛艙、肋骨、機(jī)翼、起落架、擾流板、龍骨梁、尾部組件、水平和垂直穩(wěn)定器[18]。 在1960 年代，碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)首次用于制造航空航天工程中的結(jié)構(gòu)部件[19]。CFRP 復(fù)合材料用于F/A－18 E/F 軍用飛機(jī)的水平穩(wěn)定器、機(jī)翼組件、機(jī)身、垂直尾翼，占結(jié)構(gòu)重量的19%，覆蓋60%的外表面。 在CH－53K 直升機(jī)中，通過(guò)使用FRP 復(fù)合材料(重量>75%)，部分增加了三倍的外部負(fù)載能力。 在現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)中，例如歐洲戰(zhàn)斗機(jī)，由于質(zhì)量減輕，40%的復(fù)合材料重量和70%的外部蒙皮復(fù)合材料覆蓋率增強(qiáng)了飛機(jī)的敏捷性。 在新一代飛機(jī)中，CFRP 復(fù)合材料的百分比顯著增加，在某些情況下達(dá)到車(chē)輛整體重量的50%以上。 這種趨勢(shì)將在未來(lái)持續(xù)[20]。 最近的兩架遠(yuǎn)程飛機(jī)，空中客車(chē)A350 和波音787，在機(jī)身中廣泛使用了CFRP，重量超過(guò)50%。 碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料(CFRP)由于石墨纖維具有相當(dāng)大的導(dǎo)電性，能夠屏蔽電磁輻射[21－22]。 MadelineA 等[23]研究了由碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)層壓板和額外的銅網(wǎng)層組成的多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，用于在航空航天應(yīng)用中用作電磁干擾(EMI)屏蔽。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入反射損耗屏蔽的組件(Cu 網(wǎng)格)和吸收損耗屏蔽的組件(CFRP)，SE 在更寬的頻率范圍內(nèi)得到了改善。

2.2 交通運(yùn)輸領(lǐng)域

過(guò)去十年以來(lái)，全球更嚴(yán)格的車(chē)輛排放標(biāo)準(zhǔn)和電動(dòng)汽車(chē)的快速增長(zhǎng)相結(jié)合，推動(dòng)該行業(yè)重新轉(zhuǎn)向碳纖維，以擺脫重量。 汽車(chē)行業(yè)目前專注于使用輕質(zhì)材料來(lái)提高能源效率并減少CO2的排放。 通常，重量減輕100 kg 相當(dāng)于CO2減排7.5 克/公里~12.5克/公里。 因此，減輕重量在汽車(chē)行業(yè)變得越來(lái)越重要[24－25]。 在汽車(chē)結(jié)構(gòu)中采用CFRP 復(fù)合材料等輕質(zhì)材料是最直接的輕量化方法。 CFRP 復(fù)合材料還具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如更高的耐撞性，根據(jù)現(xiàn)代車(chē)身的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)車(chē)身將由鋼、鋁鎂合金、塑料、碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)等輕質(zhì)材料組成。 混合材料車(chē)身代表了未來(lái)車(chē)身結(jié)構(gòu)的最新發(fā)展趨勢(shì)。 隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能在汽車(chē)車(chē)身中的應(yīng)用日益增多[26]。 例如像沃爾沃這樣的汽車(chē)公司用碳纖維替換一些鋼制車(chē)身面板，使用CFRP 作為電池盒，甚至使用CFRP 面板來(lái)存儲(chǔ)電池車(chē)輛等電力。

除在汽車(chē)領(lǐng)域中的應(yīng)用，碳纖維在高鐵中可用作高速列車(chē)的車(chē)身結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)前端、內(nèi)飾、承重結(jié)構(gòu)件或其它零部件。 與鋁合金和鑄鋼相比，機(jī)械強(qiáng)度提高了35%，抗沖擊強(qiáng)度提高了20%。 并且列車(chē)的整體重量降低了不少，能夠有效的減少能耗。

2.3 醫(yī)療領(lǐng)域

在CFRP 引入抗菌、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性之后，正在研究其在醫(yī)療、能源和電子材料中的應(yīng)用[27－29]。特別是，CFRP 的醫(yī)療應(yīng)用對(duì)于改善人類健康和福利非常重要。 由于用于固定手術(shù)部位的傳統(tǒng)金屬基醫(yī)療設(shè)備的X 射線透射率低，因此在外科手術(shù)過(guò)程中通常需要重復(fù)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(gè)X 射線照射步驟即可獲得完整的數(shù)據(jù)，從而最大限度地減少了人體對(duì)X 射線的暴露[30]。 因此，預(yù)計(jì)用于醫(yī)療器械的傳統(tǒng)材料將迅速被CFRP 取代[31]。 根據(jù)聚合物和制造技術(shù)的不同，CFRP 可以達(dá)到與人體骨骼相當(dāng)?shù)拿芏?，以增?qiáng)應(yīng)力傳遞，這是生物醫(yī)學(xué)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(jìn)行骨科穩(wěn)定治療，以解決骨腫瘤病變、骨切除或骨折，然后進(jìn)行術(shù)后放療[33]。 金屬硬件的存在會(huì)干擾溶骨性病變的CT 引導(dǎo)放療，導(dǎo)致輻射散射，導(dǎo)致目標(biāo)劃定不準(zhǔn)確和劑量衰減[33－34]。 此外，金屬偽影會(huì)影響治療后的后續(xù)成像。 這些挑戰(zhàn)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(yī)療植入物的一個(gè)有吸引力的特征。

2.4 電纜領(lǐng)域

碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)是一種先進(jìn)的復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)、無(wú)腐蝕、優(yōu)異的抗疲勞性，線膨脹系數(shù)和松弛性更低，以及改變彈性模量的能力等優(yōu)點(diǎn)。 因此，單向CFRP 在電纜和替代電纜結(jié)構(gòu)中的鋼電纜方面具有巨大的潛力[37－38]。 它具有許多優(yōu)越的性能，例如高強(qiáng)度、輕質(zhì)、無(wú)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(jié)構(gòu)中的鋼電纜，這可能會(huì)大大促進(jìn)其發(fā)展。

由于上述高性能，CFRP 自1982 年以來(lái)一直被認(rèn)為是電纜并用于電纜結(jié)構(gòu)。 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(shí)際電纜結(jié)構(gòu)中的首次使用可以追溯到1996年。 從那時(shí)到現(xiàn)在，全世界已經(jīng)有十個(gè)CFRP 電纜結(jié)構(gòu)，盡管它們都或多或少是實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)的全過(guò)程預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)。 在預(yù)應(yīng)力梁的荷載試驗(yàn)中，這種智能電纜可以有效監(jiān)測(cè)鋼筋受力和梁的中跨缺陷，從而獲得預(yù)應(yīng)力梁在不同荷載作用下的剛度退化。

2.5 建筑領(lǐng)域

碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)復(fù)合材料最近在不同的工程應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎，特別是土木工程。 CFRP 復(fù)合材料因其優(yōu)異的機(jī)械性能、高耐用性和輕質(zhì)而非常適合土木工程結(jié)構(gòu)。 在過(guò)去的幾十年中，CFRP 復(fù)合材料在橋梁、建筑物和其他基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的建設(shè)中的使用顯著增加[41]。 CFRP復(fù)合材料由碳纖維編織在一起，然后用樹(shù)脂浸漬而成，形成堅(jiān)固耐用的材料。 碳纖維具有高拉伸強(qiáng)度、剛度和抗疲勞性，而樹(shù)脂基體可防止?jié)駳夂妥贤饩€輻射等環(huán)境因素，所得復(fù)合材料重量輕、強(qiáng)度重量比高，是結(jié)構(gòu)應(yīng)用的理想選擇[42－43]。 CFRP 工程應(yīng)用以及建筑和混凝土的未來(lái)發(fā)展將推動(dòng)該行業(yè)的發(fā)展。 CFRP 復(fù)合材料用于加固、改造和修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)，提高其承載能力和耐用性。 CFRP 的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)潛力使高層建筑和大跨度橋梁更加高效和可持續(xù)。 未來(lái)的發(fā)展使用CFRP 進(jìn)行獨(dú)特的配置和創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，以創(chuàng)建有彈性和環(huán)保的基礎(chǔ)設(shè)施。

2.6 風(fēng)電領(lǐng)域

風(fēng)能作為可再生能源之一，擁有良好的發(fā)展前景。 風(fēng)電葉片作為利用風(fēng)能的核心組件，正逐步向大型化、輕量化的方向發(fā)展。 CFRP 及其石墨烯和CNT 納米填料基多級(jí)復(fù)合材料廣泛用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的制造，主要是因?yàn)樗鼈兛箶嗔?、疲勞失效以及通過(guò)改變其形狀而不影響剛度和穩(wěn)定性來(lái)獲得高能量的杠桿作用[44]。 盡管環(huán)氧基熱固性復(fù)合材料提供更好的強(qiáng)度和剛度，但在實(shí)踐中，熱塑性聚合物基復(fù)合材料被廣泛用于避免葉片的間歇性處置。

2.7 運(yùn)動(dòng)休閑領(lǐng)域

運(yùn)動(dòng)和休閑是最早成功使用碳纖維復(fù)合材料的行業(yè)。 由碳纖維制成的主要產(chǎn)品是高爾夫球桿、釣魚(yú)竿和網(wǎng)球拍[45]。 最近的趨勢(shì)表明，自行車(chē)使用的應(yīng)用正在迅速擴(kuò)大。 自2010 年以來(lái)，全球碳纖維在運(yùn)動(dòng)和休閑設(shè)備中的使用量穩(wěn)步增長(zhǎng)。2021 年，運(yùn)動(dòng)中使用的碳纖維達(dá)到了令人印象深刻的18.5 kt。 高爾夫球桿和自行車(chē)是碳纖維的最大消費(fèi)量，分別占總消費(fèi)量的27.6%和25.4%。 受疫情影響，對(duì)曲棍球棒等團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)器材的需求大幅下降，但對(duì)高爾夫球桿、自行車(chē)和釣魚(yú)竿等個(gè)人運(yùn)動(dòng)器材的需求卻有所增加。 因此，未來(lái)幾年(2021年以后)碳纖維消費(fèi)的預(yù)測(cè)趨勢(shì)仍在增加。 隨著可持續(xù)交通的倡導(dǎo)，電動(dòng)自行車(chē)對(duì)碳纖維使用的需求也在增加[46]。

3 展望

CFRP 的新興市場(chǎng)，如電子產(chǎn)品，也正在采用CFRP 薄層壓板和短碳纖維塑料，以實(shí)現(xiàn)輕量化和美觀性。 此外，高速列車(chē)和電池電極材料市場(chǎng)正在使用更多的碳纖維材料，如混合復(fù)合材料和碳纖維紙[47]。 碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)復(fù)合材料由于其許多優(yōu)異性能而在各種應(yīng)用中是必不可少的。CFRP 通常由碳纖維作為增強(qiáng)材料，交聯(lián)聚合物作為粘合劑構(gòu)成。 由于交聯(lián)聚合物的不可逆性，CFRP 既不可修復(fù)也不可回收。 一旦材料損壞或無(wú)法使用，填埋或焚燒是處理廢物的典型方法。 這些方法沒(méi)有利用廢物的殘余價(jià)值，并增加了環(huán)境的負(fù)擔(dān)[48]。 纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)復(fù)合材料應(yīng)用的快速增長(zhǎng)對(duì)廢物回收提出了挑戰(zhàn)。 循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(fā)了CFRP 回收的研究。