碳纤维复合材料范文第1篇

关键词：聚丙烯腈；碳纤维；复合材料

中图分类号：TQ342+.74 文献标志码：A

Current Situation of the Carbon Fiber and Related Composites Industry

Abstract： By discussing the spinning， pre-oxidation， carbonization， compounding and recycling technologies for making carbon fiber and related composites， the paper discussed the present situation of technological development in the field of carbon fiber and related composites； analyzed the market situation of such products and their application prospects in aerospace， national defense， wind turbine， sport and leisure， transportation vehicles， civil-engineering， etc. It also pointed out some problems existing in China’s carbon fiber industry and gave related solutions.

Key words： polyacrylonitrile； carbon fiber； composites

碳纤维分为PAN基碳纤维、粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维，其中PAN基碳纤维市场占有率超过90%，其生产流程包括纤维纺丝，预氧化、碳化，复合成型和回收利用等流程。

1 碳纤维及复合材料生产技术现状

1.1 原丝生产技术现状

原丝的高纯化、高强化、致密化以及表面光洁是制备高性能碳纤维的首要条件。在PAN基碳纤维生产中，原丝约占总成本的50% ～ 60%，原丝质量既影响碳纤维的质量，又制约其生产成本。

原丝生产包括聚合和纺丝。原丝聚合是丙烯腈和第二单体、第三单体在引发剂作用下进行共聚反应，生成PAN纺丝液。日本东丽采用AIBN（偶氮二异丁腈）作引发剂，二甲基亚砜（DMSO）作溶剂，DMSO+AIBN体系凭借其操作安全和高质量产品，成为碳纤维丙烯腈聚合的主流方法。PAN基碳纤维原丝通过湿法和干喷湿纺纺丝工艺制造。湿法纺丝是碳纤维生产普遍采用的方法，其技术成熟，易工程化，所得原丝纤度均匀且纤维表面沟槽结构易于后道复合加工；干喷湿纺是将干法和湿法结合的新方法，可实现高品质原丝的细纤化和均质化，纺丝速度是湿法纺丝的 5 ～ 10倍，是高性能原丝生产最好方法之一。东丽、三菱丽阳，美国赫氏和韩国晓星都拥有干喷湿纺纺丝技术，中国中复神鹰、中油吉化等少数企业掌握干喷湿纺T700级碳纤维原丝生产技术，但产品的稳定性有待提高。

1.2 碳纤维的生产技术现状

原丝经预氧化、碳化和后处理等工艺制得碳纤维。预氧化是纤维组织结构转变的过渡阶段，在保证丝条均质化的前提下，缩短预氧化时间，可以降低生产成本。碳化是纤维乱层石墨结构的成形阶段，可使纤维强度大幅提升，碳化条件控制不当会造成纤维结构中有空隙、裂纹等缺陷，影响碳纤维性能。石墨化即高温下牵伸，使纤维由乱层石墨结构向三维石墨结构转化，提高碳纤维弹性模量。

碳化炉是制造碳纤维的关键设备，国产碳化炉发热体最高耐热温度1 400 ℃，而国外大规模高温碳化炉对我国实行出口限制，中等规模碳化炉价格又很高，提高了国内碳纤维的建设成本，导致国产碳纤维市场竞争力不足，研发高强级碳纤维生产线的国产设备迫在眉睫。

1.3 碳纤维增强复合材料技术现状

碳纤维增强复合材料是以碳纤维及织物为增强体、树脂为基体制成，其代表是以三维编织物为增强体，采用树脂传递模塑工艺（RTM）进行浸胶固化而成的三维编织复合材料。三维编织技术具有较强的仿形编织能力，可以实现复杂结构的整体编织，常用编织工艺有四步法、二步法及多层联锁编织工艺。四步法操作灵活性强，编织物整体结构好，但编织速度较慢，对设备要求较高；二步法织造简单，易实现自动化，适合编织较厚制件，但其执行机构以间断的离散方式运动；多层联锁编织工艺编织的织物机械性能好，设备可平稳连续工作，但不易实现自动化生产。目前可满足大而厚预制件编织需求的大型三维编织机不多，设计与研发高水平的三维编织机仍是努力的方向。

三维编织实现了增强材料的整体成型，而RTM工艺正是适于整体成型的工艺方法。RTM工艺是将液态树脂注入闭合模具中浸润增强材料并固化成型的工艺方法，是接近最终形状部件的生产方法，基本无需后续加工。由于其效率高、能耗低、工艺适应性强等优点，适宜多品种、高质量的先进复合材料加工。RTM-三维编织复合材料是完全整体结构，与传统复合材料相比，具有较高的损伤容限、强度和模量，为复合材料应用于承力结构件，特别是应用于航天航空等领域提供了广阔前景。

1.4 碳纤维增强复合材料回收利用现状

回收利用碳纤维可降低能耗、节约能源，主要方法有高温热解法、流化床分解法和超/亚临界流体法。高温热解法是在高温下使复合材料降解，回收的碳纤维力学性能降低幅度较大，影响碳纤维再利用，是目前唯一商业化运营的回收方法；流化床热分解法采用高温空气热流对复合材料进行高温热分解，通常用旋风分离器来获得表面干净的碳纤维，由于受高温、砂粒磨损的影响，碳纤维长度变短、力学性能下降，影响回收碳纤维的应用范围；超/亚临界法是利用液体在临界点附近具有高活性和高溶解性等性能来分解复合材料，最大限度地保留碳纤维的原始性能，由于其独特的优越性，受到产业界高度重视，将可能成为碳纤维主要回收方法之一，目前多数回收技术仍停留在实验阶段，商业化道路漫长。

2 碳纤维及复合材料市场现状分析

2.1 碳纤维市场现状分析

碳纤维分为大丝束碳纤维（>24K）和小丝束碳纤维（

2.2 碳纤维复合材料市场现状

2013年碳纤维复合材料总产值147亿美元，其中CFRP产值94亿美元，约占64%。碳纤维复合材料的需求7.2万t，2020年需求将达14.6万t（表 2），2010 ― 2020年复合年均增长率超过11%。

碳纤维复合材料主要应用到国防航空、交通工具、风力发电、运动休闲、土木建筑等领域，各领域产值见表 3。

（1）国防航空

2013年碳纤维增强复合材料在国防航空领域产值达41.2亿美元，其中民用航空24.7亿美元，占60%，军用飞机占16%，商业飞机占8%。在航空领域，碳纤维复合材料占空客A380结构材料的20%以上，波音787结构材料中近50%使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料。碳纤维复合材料取代金属结构材料，减轻机身质量，节约燃油，在航空领域应用不断拓展。在国防领域，碳纤维复合材料已用于隐形机、战斗机、导弹等开发。美国研制出世界上最小无人机，主体由碳纤维制成，仅重106 mg，用于搜索和救援行动，美国F-22和F-35战斗机，欧洲A400M大型军用运输机，日本M-5火箭等都在不断拓展碳纤维复合材料的应用。美国防部在“面向21世纪国防需求的材料研究”报告中强调，“到2020年，只有复合材料才有潜力使装备获得20% ～ 25%的性能提升”。

（2）交通工具

2013年碳纤维增强复合材料在交通工具领域产值达22亿美元，其中汽车领域10.1亿元，占总产值46%，卡车领域占18%，摩托车占15%，客运火车占13%。CFRP具有轻质高强的特点，逐渐成为汽车轻量化首选材料。试验证明，汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%；汽车质量每减少100 kg，百公里油耗可降低0.3 ～ 0.6 L。全球大型汽车制造商积极联合碳纤维生产企业，旨在突破碳纤维零部件的低成本工业化生产，广泛应用于普通汽车。

（3）风力发电

2013年碳纤维增强复合材料在风力发电领域产值达17.6亿美元，消耗碳纤维约6 700 t。1985年风轮平均直径仅15 m，单位产出低于 1 MW，到2013年风轮平均直径达100 m，平均产出为2.5 MW。当风轮叶片长度在40 ～ 50 m时，碳纤维是唯一能用于制造叶片的材料，随着风电装机容量的增加，也必然会促进碳纤维在这领域快速发展。风力发电主要集中在3 个国家，2013年中国达91 GW，占全球30%，其次是美国和德国，分别达62G W和34 GW。

（4）运动休闲

2013年碳纤维增强复合材料在运动休闲领域产值达14.7亿美元，其中高尔夫杆等产品产值5.6亿美元，占38%，网球和羽毛球球拍占21%，自行车占14%。运动休闲用碳纤维消耗量最大在亚洲，特别是中国，高尔夫球杆、网球拍、钓鱼竿、自行车架、船桨、公路赛车等都用到碳纤维。由于成本问题，制约碳纤维在该领域的快速发展，预计2015年全球运动休闲领域对碳纤维需求增长依然保持在4%左右。

（5）土木建筑

2013年碳纤维增强复合材料在建筑工程领域产值达5.9亿美元，消耗碳纤维约2 300 t。随着碳纤维成本降低与复合材料加工技术的发展，土木建筑领域将成为碳纤维复合材料应用新市场。碳纤维复合材料层板加固或修复桥梁及建筑物，碳纤维增强混凝土等都将会有很大发展。在美国约有30万座桥有潜在维修需求，德国在2030年前将投入160亿欧元，用于修复桥梁和路面。预计未来 5 年，碳纤维复合材料在土木建筑领域将以6%左右速度增长。

3 中国碳纤维发展之路

2013年我国碳纤维产能达1.8万t，实际产量约3 000 t，全为小丝束。碳纤维指标达到东丽公司T300水平，但质量稳定性还需提高；干喷湿法纺丝T700级碳纤维实现工业化生产，但产品质量有待稳定；T800、M40J、M50J等高品质碳纤维仍在中试或攻关阶段。国际上碳纤维高端技术和产品对中国实行封锁，并利用高性能碳纤维盈利来弥补通用级碳纤维的亏损，对中国碳纤维市场进行降价打压，企图遏制中国碳纤维产业的发展。受国外低价倾销和恶意竞销行为影响，国内碳纤维企业基本处于全线亏损境地。

中国碳纤维发展需重点关注以下几个方面：一是组织技术攻关。重点解决T300级等中低端碳纤维产品稳定性和成本控制问题，加快T700级等中高端碳纤维产品产业化及高模量碳纤维研发，加强高品质油剂、上浆剂、树脂等辅助材料配套能力，加快预氧化炉和多段宽口碳化炉等设备研发。二是加强应用牵引。建立产学研用产业技术创新联盟，以应用需求为牵引，深化碳纤维生产与应用企业合作，实现优势互补。三是深化军民融合。加大满足国防发展需求的高端碳纤维及复合材料的研发力度，打破体制机制束缚，引导优势民企进入军品领域，加快提升碳纤维行业军民融合水平。四是推动标准体系建设。建立适合我国产业发展特点并与国际接轨的碳纤维标准体系，解决限制我国碳纤维下游应用瓶颈的标准和应用设计规范问题，逐步扩大国产碳纤维对进口碳纤维的替代。五是加强人才培养。培养一批高端生产和应用技术人才，推动“产学研用”产业链一体化发展。

参考文献

[1] 张婧，陈虹，于今，等. PAN基碳纤维原丝纺丝技术及其发展现状[J].高科技纤维与应用， 2013， 38（6）：46-48.

[2] 严彬涛. 碳纤维产业化的瓶颈与路径[J].石油知识，2014（1）：48-49.

[3] 汪星明，邢誉峰.三维编织复合材料研究进展[J].航空学报，2010，31（5）：914-927.

[4] 杨超群，王俊勃，李宗迎，等.三维编织技术发展现状及展望[J].棉纺织技术， 2014， 42（7）：1-5.

[5] 孙超明，张翠妙，谈娟娟，等. 国产RTM用碳纤维及环氧树脂基本性能研究[J].玻璃钢/复合材料，2013（9 ）： 35-37.

[6] 任彦.碳纤维复合材料的回收与利用[J].新材料产业，2014（8）：19-22.

碳纤维复合材料范文第2篇

关键词：混凝土结构加固，CFRP，研究，应用

 

1. CFRP 增强塑料的特点与性能研究

碳纤维是一种高性能纤维，在建筑结构中的使用量最大。论文参考网。在保护气氛中的有机纤维在施加张力牵引下，经过热处理碳化而成为含碳量90%以上的碳纤维。在混凝土结构的加固补强中，碳纤维片材作为碳纤维增强塑料的一种使用较多。我国土木工程领域多使用日本生产的碳纤维片，这种材料包括单向片、单向预浸片、单向织布、双向织布等多种形式。

与普通建筑钢材相比，碳纤维增强塑料具有如下特点：顺纤维方向抗拉强度远大于普通钢筋；均匀性与钢材相比较差，各向异性；重量轻, 密度约为钢材的1/5， 便于施工安装；耐久性好；抗腐蚀性能好，除了强氧化剂外，一般如浓盐酸、30% 的硫酸、碱等对其均不起作用；热膨胀系数低；应力-应变曲线呈线性分布；减震性能好，其自振频率很高，可避免早期共振，且内阻很大，若发生激振，衰减快；材料柔软，产品形状几乎不受限制，还可以任意着色，将结构形式和材料美学统一起来；非磁性。综合以上特点，碳纤维增强塑料（CFRP）在建筑结构中具有突出的应用优势。

从以上CFRP 材料的综合特性分析，CFRP材料适合作为土木工程领域桥梁结构的受拉或预应力受弯构件，特别在应用于纯受拉构件时，材料自身的优势可以得到最大限度的发挥，这也在工程实践中得到了证明CFRP 增强塑料是指预浸料碳纤维(CF)，其物理力学性能指标包括抗拉强度、弹性模量、延伸率等，在施工性和使用耐久性方面包括密度、浸透性、均匀度、耐腐蚀性等指标要求。 (1)力学性能。利用碳纤维所具有的具有高强度(抗拉强度高达一般钢材的10余倍)、高弹性模量、密度小、延伸率小等优异特性，可有效提高混凝土结构的承载力，增强其延性、抗裂性能，达到高强、高效加固修复混凝土结构的目的。论文参考网。(2)热学性能。碳纤维的耐高低温的性能好，热导率高。(3)耐化学性能。碳纤维具有较好的耐酸碱性，一般的酸碱对其作用很小。且碳纤维的耐水性也很好。(4)电、磁性能。碳纤维沿纤维方向的导电性好，抗磁性好。

2. CFRP 增强塑料的应用研究

2.1 CFRP的国内应用现状

CFRP加固修补混凝土结构是兴起于欧美和日本等发达国家的一项新技术，在我国起步较晚，但最近几年我国对CFRP加固修补混凝土结构技术的系统研究呈现不断发展的趋势，而且已经取得了实质性成果。碳纤维增强塑料在工业与民用建筑、桥梁与隧道以及公路工程中得到了广泛的应用，目前主要用于旧桥加固时约束裂缝的开展，承受拉应力；新建桥梁中主要作为受拉的缆索或主梁的预应力筋。

我国在1996 年前后才开始对土木结构方面的CFRP 进行研究，起步相对较晚。最初只有国家工业建筑诊断与工程技术研究中心进行相关研究，后来清华大学、同济大学、湖南大学、哈尔滨工业大学等十余所高校相继开始从事CFRP的研究课题，并在在板梁柱的模型实验和加固与修复方面取得一定成果。目前，国家已编制并颁布了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》、《结构加固修复用碳纤维片材产品标准》和《结构加固修复用粘贴树脂产品标准》。现阶段我国主要集中研究CFRP片材加固和修复混凝土结构，国家工程中心已制作出20 余个工况的试件，取得了构件抗弯、抗剪和抗压等一些有价值的实验数据，进行了多项工程的试点与推广。相信碳纤维增强材料在国内将有广阔的发展前景。

2.2 CFRP的国外应用现状

CFRP材料最初应用于航天工业，这项技术在20 世纪70 年代已渐趋成熟。20 世纪60 年代，美国开始把CFRP 材料应用在土木工程领域。但当时试验结果不理想，而且试验费用很高，所以FRP 材料在土木领域的研究与应用在其后的二十多年里没有很大的进展。直到80 年代初，欧美、日本和澳大利亚等国才开始重视FRP 材料在土木工程中的相关应用研究，这时期内FRP 材料多应用于于桥梁、海工构筑物、非磁性建筑等工程，尤其集中在桥梁方面。20 世纪80 年代末及20世纪90 年代初，日本的众多大学、科研机构材料生产厂家相继大量进行了CFRP 用于结构加固修补的研究。CFRP 以其优异的力学性能、简便的施工工艺、良好的耐腐蚀和耐久性得到了普遍的赞同。特别是日本阪神地震后，用CFRP 加固修复混凝土结构,尤其是进行抗震加固，在日本、韩国、美国、欧洲等国家和地区得到迅速的发展和应用。CFRP材料应用于土木工程在日本已经有20 多年的历史。20 世纪90 年代碳纤维材料在国际土木工程应用领域得到了系统的研究，并且首先在桥梁、隧道和房建加固工程中得到了广泛应用。论文参考网。有些发达国家已编写了相关的设计、施工规程，及相关的指南和手册。鉴于美国和加拿大地区受盐害较严重，约有60万座桥梁需要加固和修复，美国混凝土协会(AC I)成立了专门委员会(AC I440) ，在美国很多机构开始CFRP 的应用研究；加拿大也已经建立了相关的研究开发基地， 并且编制CFRP 的规程。

目前，国外发达国家不仅将碳纤维材料成功地应用于新建的土木工程领域，而且其他高性能纤维材料也已成功应用于建筑业的各个领域。不仅将上述材料用于非预应力状态，而且也将其用于预应力状态。根据国外资料介绍，由于世界上各大碳纤维厂商相继大力推进CFRP 在土木工程中的应用，今后数年碳纤维材料在土木工程中的年增长率，将达到20%以上。

3. CFRP在其应用研究方面存在的问题

CFRP 加固混凝土结构的技术得到了国际上的普遍认同，并已经成为土木工程材料的开发热点，其力学性能和相关应用的研究也取得了很大的进展。然而，到目前为止，对CFRP材料的研究与应用还存在许多问题。系统的理论分析和数值计算研究对于创立和发展这种崭新的加固技术是必不可少的，但是在对加固结构的力学性能进行的试验研究中，这方面的成果却非常有限；尽管对CFRP 加强构件的弯曲、剪切延性、刚度能力等几方面性能分别进行了实验研究，但有关它们的综合因素对加固材料的登记、数量以及施工工艺的影响的研究尚欠缺； CFRP 加强构件与结构其它部分或整体的协调性如何，荷载的重分布而引起的局部破坏可能、连接点的削弱程度等，尚待研究。还有，CFRP 加固修补使用的技术方面也存在问题，这主要体现在国内相应标准与规程的制定上，尽管国外一些国家已有了较完善的标准和规程，但并不适合我国，我们应及早制定出自己的标准和施工指南，包括材料生产、使用、检验、加固设计、计算、工程施工与验收的一系列标准化工作。

参考文献

[1]吴海军, 陆萍, 周志祥. CFRP 在新建桥梁中的应用与展望[J ].重庆交通学院报, 2004, 23 (1) , 1- 5.

[2]李荣,佟晓利等.CFRP加固混凝土结构技术应用实践[J].高科技纤维与应用,1998,23(6):28-30.

碳纤维复合材料范文第3篇

关键词：碳纤维；复合材料；磨削温度

中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：1672-3198（2012）06-0187-01

0 绪论

碳纤维/树脂复合材料作为一种先进的复合材料，具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点，在航空航天、汽车等领域已有广泛的应用，随着航空、航天及军事装备技术的快速发展，对碳纤维复合材料构件的要求日益严格，碳纤维复合材料的机械加工中的热问题已成为影响其性能的重要因素。另外，随着碳纤维复合材料性能的不断提高，材料的切削加工性能越来越差，热量堆积导致砂轮刀具磨损加剧，影响加工精度和加工效率，难以降低加工成本。在碳纤维增强复合材料的零件与其他零部件装配连接时，不可避免的要进行大量的机械加工，特别是磨削加工与孔加工。因此，碳纤维复合材料磨削热分析研究，已成为目前复合材料研究和应用所面临的一项亟待解决的难题。

1 磨削测温实验

本试验以碳纤维/树脂复合材料板为试验材料，进行磨削测温试验。该碳纤维增强复合材料的增强体是T300型碳纤维，基体材料是AG-80型树脂，在预浸处理后铺层预置而成。材料如图1所示。

图3是GC60J砂轮磨削碳纤维/树脂复合材料的试验结果，在砂轮线速度Vs=15.7m/s的条件下，改变工件进给速度和磨削深度得到的曲线。由图3可以看出，增大磨削深度ap，工件表面磨削温度升高。主要是由于磨削过程中，增大磨削深度由于切削变形力和摩擦力均增大，因而使磨削温度升高。图3 磨削深度对磨削温度的影响图4是GC60J磨削碳纤维/树脂复合材料的试验结果，在工件进给速度Vw=14m/min的条件下，改变磨削深度和砂轮线速度得到的几组曲线。由图4可以看出，增大砂轮转速Vs，工件表面磨削温度升高。增大砂轮转速，由于单位时间内工作的磨粒数增多，磨削厚度变薄，切削变形能增大，同时，产生划擦和耕犁的磨粒数增多，是摩擦加剧，因而导致磨削温度升高。

图5是GC60J磨削碳纤维/树脂复合材料的试验结果，在砂轮线速度Vs=11.8m/s的条件下，改变磨削深度和进给速度得到的几组曲线。由图4可以看出，增大进给速度Vw，工件表面磨削温度升高。增大工件进给速度，使得每颗磨粒的切削厚度增大，因此使得磨削阻力增大，热源强度增大，因而导致磨削温度升高。

3 结论

通过以上试验和分析我们得到如下结论：

（1）增大砂轮转速，由于单位时间内工作的磨粒数增多，磨削厚度变薄，切削变形能增大，产生划擦和耕犁的磨粒数增多，摩擦加剧，因而导致磨削温度升高。

（2）增大磨削深度由于切削变形力和摩擦力均增大，因而使磨削温度升高。

（3）增大工件进给速度，使得每颗磨粒的切削厚度增大，因此使得磨削阻力增大，热源强度增大，因而导致磨削温度升高。

（4）为了保证温度在200以下，并考虑加工效率，工艺参数选择为：磨削深度0.02～0.04mm，砂轮速度取13～17m/s，进给速度取12～16m/min。

参考文献

［1］黄海鸣，杜善义.C/C复合材料烧蚀性能分析［J］.复合材料学报，2001，18（3）:76-80.

［2］赵稼祥.先进复合材料的发展趋势［J］.宇航材料工艺，1997，（5）:55-56.

［3］赵军.二十一世纪复合材料市场前景广阔［J］.国际学术动态，2005，（2）:33-35.

碳纤维复合材料范文第4篇

1.1原材料

脂环族环氧树脂CycloaliphaticEpoxy(CEP)，双((3，4-环氧环己基)甲基)己二酸酯，江苏泰州泰特尔化工有限公司;阳离子光引发剂二甲苯基碘鎓六氟磷酸盐(820)，姜堰市嘉晟科技有限公司;环氧改性有机硅树脂ES06(ES)，江苏吴江合力树脂有限公司;1000W高压汞灯，上海煜业电光源制造有限公司;过氧化苯甲酰(BPO)，上海国药集团;碳纤维正交平纹布3K，江苏宜兴鼎峰碳纤维织造有限公司;1.5mm厚YL12铝合金板。

1.2试样的制备

损伤金属结构的制备:将1.5mm厚YL12铝合金板裁成35×140mm的矩形板，在中心处预制直径8mm的圆孔作为损伤。光固化树脂基体:将CEP和ES分别按照质量比100∶0、90∶10、80∶20、70∶30:、60∶40得到混合树脂，相应地加入混合树脂质量为3%的820和2%的BPO，便得到了不同组成的光固化树脂基体。光固化修理试样的制备:采用湿铺法粘接修理损伤金属板。粘接修理前对粘接区域进行溶剂清洗以及喷砂处理。复合材料补片的宽度和金属损伤板相同，分别采用不同的长度和铺设层数得到一系列粘接修理试样。完成铺设后，紫外光辐照30min完成固化。修理试样用EPSa-b-c的形式表示，其中a表示混合树脂的组成，b表示补片铺设的层数，c表示补片的长度。例如EPS1-1-60，表示复合材料补片的基体为混合树脂EPS1，碳纤维补片铺设1层，长度为60mm。湿热处理:将修理试样浸入98℃的水中，保持7d，取出烘干后测试拉伸性能。

1.3拉伸测试

采用济南泰思特公司WDW-1型电子万能拉力机在室温下测试试样拉伸性能，在5mm/min的拉伸速率下测试。

2结果与讨论

2.1固化机理

紫外光固化主要是通过紫外光辐照引发光引发剂的分解，产生自由基或阳离子等反应中心，并引发链增长，得到固化产物［13］。由于紫外光的穿透能力有限，限制了固化的厚度。特别是对于含有增强相的树脂基复合材料的固化更是如此。本文在加入阳离子光引发剂的同时，还加入了可以热引发分解的BPO。在紫外光的辐照下，阳离子光引发剂引发环氧树脂的聚合，聚合反应的放热以及光照的热效应诱发BPO分解产生自由基。BPO分解产生的自由基则可以进一步诱发阳离子光引发剂的分解。这样，即使没有紫外光的直接辐照，深层的树脂或光线被遮挡区域的树脂也可以固化。整个试样的固化从表层逐渐向下蔓延，形成自蔓延的特点。

2.2树脂组成的影响

有机硅树脂通常被作为增韧相改性环氧树脂，同时，还具有优良的耐老化性能［14］。为此，我们在树脂体系选择时，引入了环氧改性的有机硅树脂来改善复合材料基体的性能，进而提高复合材料补片的综合性能。图1(a)为不同基体树脂组成粘接修理试样的拉伸曲线，图1(b)为对应的各试样的破坏载荷和有机硅树脂质量百分比的关系，可以看出，随着有机硅树脂ES含量的增加，粘接修理结构拉伸破坏载荷首先有所增加，当有机硅树脂含量超过30%后，载荷开始下降。有机硅树脂的加入提高了复合材料补片基体树脂和胶层树脂的韧性，改善了拉伸加载过程中胶层和复合材料补片的变形协调和载荷分配能力，使得整体粘接修理结构的承载能力得到提升。但是，如果进一步增加有机硅树脂含量，可能导致基体树脂交联程度的下降，对复合材料补片自身强度的影响较大。因为这主要是因为CEP树脂含量的减少会降低自蔓延固化的速率。因此当有机硅树脂的含量在20%～30%之间时，复合材料粘接修理结构具有更好的承载能力。

2.3补片尺寸的影响

补片长度对粘接修理结构破坏载荷的影响随着补片长度的增加，粘接修理结构的拉伸破坏载荷逐渐增大。但是，补片长度从40mm增加到50mm时，拉伸破坏载荷的变化并不大。当补片的长度增加到60mm后，拉伸破坏载荷的增加表现出明显的增大。这和有限元分析的结果相符合［15］，也就是只有补片的尺寸增加到一定的程度后，粘接结构中胶层向补片传递载荷的效率才比较高，而且可以降低补片端部胶层的应力水平。这样粘接修理对于损伤结构的承载能力的恢复更有利。增加复合材料补片碳纤维布的层数，可以提高补片的力学性能，进而提高粘接修理结构的。图3(a)和图3(b)分别为EPS0和EPS2复合材料补片单层修理和3层补片修理的情况。显然，3层补片具有更好的粘接修理效果。对于EPS0-3-60试样，其破坏载荷为21.01kN，EPS2-3-60则为21.25kN，两者相差不大，都接近于完好试样22.34kN的破坏载荷。补片层数的增加虽然可以提高补片的力学性能，但是，粘接修理结构更容易发生剥离破坏［16］。因此，对于应急修理而言，为了争取时间，并不需要更多的补片层数就可以满足抢修的需求。

2.4修理方式的影响

单面和双面粘接修理对破坏载荷的影响双面粘接修理和单面粘接修理相比较，前者可以更好地恢复损伤结构的承载能力。单面粘接修理由于结构的不对称，导致偏心载荷，使得粘接修理结构更容易破坏。对于双面粘接修理而言，则不存在上述问题，而且，双面补片可以更好地分担结构载荷，进一步提高粘接修理的效率。从图4中可以看出，双面粘接修理的试样，不论补片是3层或单层，修理后的破坏载荷都更高，更接近完好试样的拉伸破坏载荷。

2.5湿热老化影响

图5为湿热老化前后粘接修理试样的承载能力对比，可以看出，引入有机硅后，复合材料粘接修理结构的耐湿热老化性能明显改善。经过湿热老化处理后，单纯CEP树脂基复合材料粘接修理结构的拉伸破坏载荷下降很大。但是，对于混合树脂基复合材料粘接修理结构，虽然拉伸破坏载荷有明显下降，但是下降幅度较小。有机硅树脂的加入一是可以改善复合材料补片自身的耐老化性能，二是粘接界面的性能也有所改善，减弱湿热对界面的破坏。

2.6破坏模式

试验中试样的破坏模式主要有两种，一种是补片和损伤试样一起破坏，这种破坏形式主要是单层复合材料补片修理试样。单层复合材料补片强度较低，因此，在分担拉伸载荷时和损伤结构同时发生了破坏。但是，对于3层复合材料补片，其强度足够高，即使分担了较大的载荷，在拉伸试验中也没有发生破坏，其破坏模式主要是损伤结构破坏，在补片和损伤结构之间的胶层发生，损伤结构上还残留有胶层和碳纤维。事实上，补片层数的增加导致其厚度的增加，厚度的增加则容易引发剥离的发生。湿热处理的试样，其破坏模式则主要是损伤结构的破坏和补片与粘接表面的剥离失效。湿热条件下，粘接界面被侵入的水分破坏，导致界面层的性能下降，粘接界面层则是将载荷传递到补片上，使补片分担部分载荷，从而恢复损伤结构承载能力。所以说，界面层起着非常关键的作用。湿热环境导致的粘接修理结构承载能力的下降主要是界面层性能下降所导致的，由于湿热的原因，损伤结构上残留的胶层已经被破坏成许多不连续的海岛状，导致胶层性能的下降。

3结论

碳纤维复合材料范文第5篇

关键词：碳纤维增强塑料；再生碳纤维；回收再生技术

中图分类号：TQ342+.74 文献标志码：A

Technology Development of Recovery & Reuse of Carbon Fiber Composite

Abstract： The current R&D situation of recycling carbon fiber reinforced plastic （CFRP） wastes was illustrated in this article， in terms of several relative technologies and processes introduced by universities； research institutes and companies abroad. Furthermore， some suggestions on how to develop domestic technologies of recycling carbon fibers from CFRP wastes and reuse them were put forward.

Key words： carbon fiber reinforced plastic （CFRP）； reused carbon fiber； recycling technology

1 前言

所谓碳纤维复合材料废弃物的回收再生或再利用主要是针对碳纤维增强塑料（CFRP）而言，因为根据调查它已占碳纤维市场的90%以上，随着CFRP在航空航天、大型风电叶片、土木建筑、新能源和清洁能源（电池部件、压缩天然气和氢气瓶、太阳能柜架）、汽车、传统能源（油井抽油杆、海上油田平台、煤矿刮板机）、高铁和货物列车、船舶、日用电器、机械及体育用品等领域应用的迅速扩大，其废弃物的回收再利用技术的开发和产业化已迫在眉睫。其中碳纤维增强热塑性树脂（CFRTP）可通过制成切片再利用，而碳纤维增强热固性树脂的回收是有难度的。

CFRP的碳纤维回收技术始于本世纪初，要取得稳定的回收材料并不容易。目前除利用熔矿炉的热源进行热再生已实用化外，面向混凝土补强材料的碳纤维回收也进入实用化阶段。然而，为满足人们对构筑循环型社会的迫切期待，需研发出高水平的碳纤维回收技术。以下分别介绍近年来一些大学、科研院所和企业在碳纤维复合材料回收方面的技术开发现状。

2 全球主要碳纤维回收企业及其技术介绍

2.1 东丽、东邦Tenax和三菱丽阳公司

据统计，目前东丽、东邦Tenax和三菱丽阳这 3 家日本顶级的聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）企业的碳纤维产量占据全球小丝束PAN-CF的70%左右，产品分别应用机、汽车等一般产业和体育休闲用品中，随着其废弃物的日益增多，必须联合开发回收技术。另一方面，在碳纤维的生产过程中，会排放出温室效应气体（CO2），需通过扩大CFRP的应用领域来实现更多的节能减排。为此，当务之急是尽快确立CFRP的回收技术。

关于碳纤维再生技术的开发，早在2006年日本通产省就通过其补助的“碳纤维再生技术的实证研究开发”课题在福冈县大牟田市内建设了中试厂，自2009年起得到了福冈县和大牟田市的资助，从而可作为碳纤维协会的活动内容，并积极从事基础技术开发。通过研究，取得了可控制所回收碳纤维长度、并可除去金属杂质和树脂残渣量低的再生碳纤维技术，从而达到了碳纤维协会的开发目标，并于2013年底终止了协会活动。为此由上述 3 家PAN-CF企业接力，设立了“碳纤维再生技术开发组合”，以进一步深化该回收技术，以期实现产业化。

JFCC与大同大学等的共同研究组合，找到了由CFRP废材回收碳纤维并可大幅提高与树脂粘合性的再生技术，无需使用上浆剂，从而实现了高效和低成本的回收再生。

以往由于碳纤维与树脂的粘合性差，通常需要通过氧化剂刻蚀处理后，再于碳纤维表面涂覆上浆剂（集束剂）方能使用，而其他由废CFRP回收碳纤维的技术，也需要进行再生碳纤维的表面处理，造成成本较高。而JFCC的方法由于经过含氮气的过热蒸汽处理，得到了双重效果，即过热蒸汽处理使碳纤维表面的酸度增加了，且表面增加了氢氧基，使之与树脂的吸附活性点增加，而添加氮气使碳纤维表面的碱度上升，使之与树脂的粘合性大增，而且随着处理温度的上升，碳纤维与树脂的粘合性也提高，在700 ℃以上进行处理时，可以达到与市售的经上浆剂处理的碳纤维同等的粘合水平。目前JFCC已销售该热处理设备。

2.3 碳纤维再生工业公司

位于日本岐阜县美浓加茂市的碳纤维再生工业公司（CFRI）创立了热解法由废CFRP回收碳纤维的独有技术，其特点是以废料燃烧时所产生的热分解气作为碳纤维回收工程的热源，从而可比以往的方法节约 6 成的能源，而所回收的碳纤维强度可达原生碳纤维的80%以上。目前该回收产品已应用于汽车部件，可实现整车减重20%以上。

再生过程是通过碳化炉和烧成炉两段烧成而得，可原封不动地回收长纤维，该回收系统所回收的碳纤维产能约为60 t/a。

在碳化工程中，将CFRP废料加入密闭容器中，并将容器外侧加热，使废材分解。最初用灯油燃烧加热，到400 ℃前后塑料发生气化，通过配管将该气导出，在燃烧器中与氧混合燃烧，利用产生的气体加热产生气体的循环，达到用废材自身的能量进行加热设计，而且当混合燃烧开始时，灯油燃烧器随即停止，如图 1 所示。

一般来说，CFRP中碳纤维与树脂的比例约为1∶1，碳纤维再生工业公司注意到树脂燃烧释放的卡路里较高，从而开发了利用废材自身所持有的能量进行碳纤维再生的节能技术。最初碳化工程所需的能量为每回收 1 kg碳纤维需15.3 MJ（非焦耳），而通过使用热蒸汽使密闭容器内的温度均匀等手段，现已使能耗下降至6.71 MJ。

CFRP废材燃烧时，可得到表面覆有残留碳的碳纤维，在随后的烧成工序中，需将温度调高至碳纤维表面上仅残留适度的碳，这样所得碳纤维的强度较高。若烧成温度再高一些，就可完全除去残留碳，目前以480 ℃烧成 3 h最为合适。

2.4 西门子中央研究院

西门子中央研究院采用溶剂分解回收的方法，由废CFRP部件中回收碳纤维。据介绍，所用溶剂不会破坏环境，所需能量比制造新的碳纤维要少得多，而且能回收CFRP中的碳纤维织物或纤维等原形，以便进一步加工成新的CFRP制品，并几乎保留原有的力学性能。具体方法是在200 ℃和水的存在下对CFRP废材施压并进行加热，使其中的树脂转化成低相对分子质量的水溶性醇类。

2.5 德国宝马和美国波音公司

2012年德国宝马（BMW）汽车公司和美国波音飞机公司达成了共同研发碳纤维回收再生技术的协议，内容包括制造技术秘密共享等，并致力于自动化过程的研究。

如所周知，这两家公司都在积极从事CFRP制品的生产，其中波音公司采用约50%CFRP的B-787飞机已经实现商业化运行，目前月产 7 架，而BMW公司于2013年下半年开始销售两款使用了CFRP部件已批量生产的车型 —— BMW i3和BMW i8。因此，对这两公司而言，研发可连续化的碳纤维回收技术和方法，成了不可回避的课题。

2.6 华东理工大学和波音公司

华东理工大学和波音公司最近签署了利用太阳能从热固型CFRP废材中回收碳纤维的合作开发协议，旨在研发出一条低能耗并能由大尺寸CFRP废材部件高效回收碳纤维的方法，以改进现有回收技术普遍存在能耗大、二次污染以及难以或无法得到连续有序的再生碳纤维的方法。

2.7 德国RWTH Aachen大学纺织技术研究所

德国RWTH Aachen大学纺织技术研究所利用碳粗纱（6 ～ 24 K，单丝直径 7 μm）生产过程产生的废丝以及卷曲或非卷曲碳纤维织物切割时产生的边角料，研发出了 3种碳废丝的切割装置（图 2）及其空气动力学非织造布的生产技术，由它可连续生产再生碳纤维非织造布。

该所同时还对上述 3 种不同切割装置所生产的短切碳纤维（图 3，纤维长度>15 mm）提出了碳纤维长度的测定和表征方法。其中切割机（图2（a））法中，在切割机的转子上装有易替换的刀片和外罩，可以15 m/s的高速度运行，这些叶片相互略有倾斜，以达到斜向切割，可制成30 mm和60 mm等长度；单轴切碎机（图2（b））法中，切割机以 5 ～ 10 m/s的速度中速运行，由一个活塞推动进口废丝朝转子方向行进，转子上装有易替换的切割齿，当超载时转子会自动反转，可制成60 mm等长度的纤维；旋转剪切机（图2（c））法中，切割机以0.3 ～ 0.8 m/s的速度低速运行，其两轴相连，因此靠本身的旋转剪切力就可供入原料，每个轴上装有几个切割盘，再生碳纤维在两个相对的切盘间被切割，当出现超载时，双轴会自动反转。

试验结果表明，单轴切碎机和旋转剪切机都适于生产较短的短切纤维，但会产生大量粉尘；而切割机法适合生产较长的纤维，且粉尘量少。图 4 所示为采用切割机所生产的碳纤维长度的表征结果。通过比较可以发现，纤维的平均长度和标准偏差值取决于所使用的测试方法和切割进程。这两种方法均显示出有所差别和较高的标准偏差及离散系数，而人工法（DIN）却显示出较大的纤维平均长度及较小的长度偏差。实验证明，经第一切割周期后，不同纤维样品的平均长度变化较大（样品 1 ～ 3），但经切割 3 ～ 5次后（样品 4 ～ 11）则趋于均匀，但标准偏差仍居高位。

总之，切割机法最适于由碳纤维粗纱的废品制取短纤维。

2.8 德国萨克森纺织研究所（STFI）等

STFI从事对碳纤维和CFRP生产过程中所产生的多种废料等的再利用研究，并将回收的碳纤维应用于加工非织造布。其研究的再生碳纤维可充分保持原有特性，并以长度50 ～ 100 mm的形式加以利用。同时该所还开展用碳纤维正品与再生碳纤维形成共混网材的技术研发，以提高综合使用性能、耐变形性能和耐破裂强度等。

德国Thuringen纤维塑料研究所（TITK）则研发将切碎的碳纤维加工形成网材的技术。

CFK Valley Stade Recycling公司也表示，将热处理后的再生碳纤维切割成10 mm后就可用梳棉机制成网材。试验结果表明，还可使用长度100 mm的碳纤维正品与30 mm的再生碳纤维加工形成共混网材。

Bonding工程公司曾报道，采用该公司的Maliwatt针刺结合法也可有效形成短切碳纤维网，即在梳棉工序就可形成由100%长50 ～ 100 mm的碳纤维正品与30 mm长的再生碳纤维制成的共混网材，它可作为CFRP的基础材料。由该工序所形成的再生碳纤维所制成的CFRP，已确认可应用于以往的多个领域，但在汽车领域，考虑到安全因素，只限于内装的坐席和轿车车尾的行李厢中。

2.9 其他

日立化成开发了采用常压溶解法由CFRP废料回收再生碳纤维的技术，信州大学开发了利用氧化物半导体的热活性回收碳纤维的技术，而静冈大学则利用超临界或亚临界流体回收再生碳纤维的技术，据说我国的上海交通大学也在研发相关技术。

3 结语

目前，我国某些大学和科研院所也在开展由废CFRP回收碳纤维的技术，但要实现产业化尚需时日。在国外，随着一些CFRP汽车产品进入报废期，当务之急便是开发大规模回收碳纤维的连续化、低成本和低能耗的回收生产线，以避免这些废材在将来堆积如山。

另外，碳纤维生产过程中所产生的废丝或是深加工过程及CFRP制备过程中所产生的废品，将随着产量的迅速增加而不断增多。对于生产过程中所产生的废丝，目前国内外生产厂家都已将其加工成短切或研磨碳纤维出售，而CFRP废品仍需针对产品的具体特点，通过适用的回收技术加以利用。

据了解，目前我国已有30多家规模不一的碳纤维生产厂以及数百家下游CFRP生产厂，而且据预测到2017年前后，我国有望变成全球最大的碳纤维消费国，因此及早研发出具有自主知识产权的CFRP废材回收技术已是相关行业刻不容缓的责任，国家有关部门应予以政策和资金上的大力支持。

参考文献

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