01引言

近年来，碳纤维复合材料(CFRP)作为轻量、高强度的材料，在汽车、航空等领域被广泛采用。

CFRP由于其优异的性能，从20世纪70年代开始主要被用于高尔夫球杆和钓竿等体育休闲领域，20世纪80年代以后，随着制造方法的进步，在飞机等大型运输设备上的采用得到了迅猛的发展。近年来，在建筑和桥梁加固等土木工程领域也得到了广泛的应用，今后更期待它在轻量化、节能等领域为地球环境做出贡献。

本文将针对CFRP及其核心的碳纤维的现状和展望进行阐述。

02碳纤维的历史和特点

1879年，爱迪生 (Thomas Alva Edison，1847-1931) 发明了以碳纤维为发光体的白炽灯。他将富含天然线性聚合物的极树内皮、黄麻、马尼拉麻和大麻等定型成所需要的尺寸和形状，并对其进行高温烘烤；受热时，这些由连续葡萄糖单元构成的纤维素纤维被碳化成了碳纤维。1892年，爱迪生发明的“白炽灯泡碳纤维长丝灯丝制造技术” 获得了美国专利 (专利号: 470925) 。可以说，爱迪生发明了最早商业化的碳纤维。20世纪中期在美国为了军事、宇宙开发，开始了真正的研究，开发了以石油为来源的聚丙烯腈（PAN系）、煤焦油沥青、石油沥青（沥青系）为原料的碳纤维。

聚丙烯腈基碳纤维的发明者是日本科学家近藤昭男，通过大量实验后他发现聚丙烯腈基氧化处理后能得到碳纤维，制定了PAN基碳纤维制造的基本流程，这项工艺直到现在还在继续使用着。

1963年群马大学的大谷教授发现了沥青基碳纤维的各向同性沥青。各向同性沥青被用作通用级碳纤维，液晶相沥青是不亚于PAN基碳纤维的高性能硬碳纤维。

碳纤维不仅具有强度和弹性模量等物理特性，还具有其他优异的特点。

在热特性方面，热导率高，与金属相当-1.0×10-6/℃，尺寸稳定性好，几乎不会因温度而伸缩，而且碳纤维的熔点为3650℃，大大高于金属，作为耐热材料也很优异。

在电气特性中，由于电阻率接近金属，具有良好的电磁波遮断特性，因此也被用于笔记本电脑的机壳。

尽管碳纤维具有如此优异的特性，是在发现碳纤维作为树脂等复合材料的增强纤维使用并可以替代金属材料时，才引起了社会的广泛关注。

但在使用高性能碳纤维作为塑料等复合材料的增强纤维时，可以替代金属材料已经引起了社会的关注。

03关于碳纤维复合材料

碳纤维作为CFRP的增强材料，其比重只有铁的1/4、比强度是铁的10倍、弹性模量是铁的7倍，碳纤维的优异的物理特性被发挥在体育用品到飞机各个领域。

CFRP是碳纤维通过树脂成型而成，根据作为基体的树脂，可分为热固性CFRP(CFRTS)和热塑性CFRP(CFRTP)两种。热固性CFRP的基体使用环氧树脂，将碳纤维中浸渍树脂得到预浸料，并将其加工成所需形状后，通过加热使其固化，得到所设计的部件，也可在模具中配置碳纤维，并在密闭环境中注入环氧树脂（RTM: Resin Transfer Molding）。在CFRTP的基体中使用聚丙烯（PP）等，利用热塑性加热预浸料、软化后进行冲压加工，或者使用注塑成型等可以得到所希望的形状。

像汽车行业大量生产的情况，缩短生产时间尤为重要。目前正在开发CFRTS和CFRTP的快速成型技术。关于CFRTP，研究了很多作为基体的树脂材料，如前所述，除了PP以外，还有PA6和PA66等聚酰胺系树脂，以及聚苯硫醚（PPS）等超级塑料，不同的树脂特性，其CFRTP特性（耐热性和吸水性）均有很大不同。

 

表1 CFRP的树脂基体材料的主要特性

04CFRP在运输车辆中的应用

由于CFRP的特有特点，目前正在大型客机上积极推广。波音787就是其中一个代表性例子，通过将以往客机的CFRP使用率从5%左右增加到50%，实现了大幅度的轻量化。因此，飞机的飞行距离得到大幅度提高，以往如果不是大型客机就无法开通的航线也可以开通了，从而提高了飞机利用者的便利性。同样，汽车的轻量化也对提高油耗有很大影响。如图1所示，日本国内二氧化碳排放量的明细，其中与汽车相关的比例为15.4%，占日本二氧化碳排放量的很大比例。现在随着混合动力汽车和新能源汽车的推广，与此同步推进汽车车体的轻量化变得更为重要。从图2可以看出，通过汽车的轻量化可以改善油耗，运输部门的二氧化碳排放量可以大幅削减，从而能源消耗量的也同时得到削减。

 

图1 运输部门的二氧化碳排放量

 

图2 汽车油耗与车辆重量的关系

05热塑性碳纤维复合材料(CFRTP)的展望

虽然CFRP具有优异的特性，而且在飞机上也被采用，但为了扩大其推广应用仍然存在很多需要解决的课题。最大的课题就是成本，在目前主流的热固化性CFRTS中，强度、可靠性都达到了飞机的采用标准，其性能也足以满足要求，但如图3所示，材料成本和制造加成本都很高，只是应用于成本容限大较大的航空及高端汽车领域。

为了解决这一课题，需要对热塑性树脂作为基体树脂的CFRTP进行进一步的研发。热塑性树脂具有受热软化、冷却硬化的性能，而且不起化学反应，无论加热和冷却重复进行多少次，均能保持这种性能。因此适合于注射成型和短时间的冲压成型，可以说是批量生产时性价比非常高的材料。

在使用热固化性树脂的CFRTS时，制造过程中会产生废料，废料很难再循环利用，但如果是热塑性CFRP，如图4所示，可以实现制造工序中的废材的循环利用。

热塑性CFRP是兼具轻量、高强度、低成本、高循环性的新材料，可以说它的推广应用对于地球温暖化对策的贡献是毋庸置疑的。

 

图3 热固性CFRP和热塑性CFRP的成本比较

 

图4 热塑性CFRP的循环利用

06结束语

为了将具有优异性能的CFRTP（热塑性碳纤维增强塑料）广泛用于结构材料，将来需要在以下几个方面进行技术研发。

（1）开发能够发挥碳纤维优良特性的中间基材。

（2）开发能够发挥CFRTP特性的结构设计技术。

（3）高速成形加工技术的开发。

（4）再循环利用技术的开发。

（5）可靠性、碰撞等材料评估技术的开发

07参考文献

（1）寺田幸平，精密工学会誌/Journal of the Japan Society for Precision Engineering Vo .81,No.6，2021