01引言

近年來，碳纖維復合材料(CFRP)作為輕量、高強度的材料，在汽車、航空等領域被廣泛采用。

CFRP由于其優異的性能，從20世紀70年代開始主要被用于高爾夫球桿和釣竿等體育休閑領域，20世紀80年代以后，隨著制造方法的進步，在飛機等大型運輸設備上的采用得到了迅猛的發展。近年來，在建筑和橋梁加固等土木工程領域也得到了廣泛的應用，今后更期待它在輕量化、節能等領域為地球環境做出貢獻。

本文將針對CFRP及其核心的碳纖維的現狀和展望進行闡述。

02碳纖維的歷史和特點

1879年，愛迪生 (Thomas Alva Edison，1847-1931) 發明了以碳纖維為發光體的白熾燈。他將富含天然線性聚合物的極樹內皮、黃麻、馬尼拉麻和大麻等定型成所需要的尺寸和形狀，并對其進行高溫烘烤；受熱時，這些由連續葡萄糖單元構成的纖維素纖維被碳化成了碳纖維。1892年，愛迪生發明的“白熾燈泡碳纖維長絲燈絲制造技術” 獲得了美國專利 (專利號: 470925) 。可以說，愛迪生發明了最早商業化的碳纖維。20世紀中期在美國為了軍事、宇宙開發，開始了真正的研究，開發了以石油為來源的聚丙烯腈（PAN系）、煤焦油瀝青、石油瀝青（瀝青系）為原料的碳纖維。

聚丙烯腈基碳纖維的發明者是日本科學家近藤昭男，通過大量實驗后他發現聚丙烯腈基氧化處理后能得到碳纖維，制定了PAN基碳纖維制造的基本流程，這項工藝直到現在還在繼續使用著。

1963年群馬大學的大谷教授發現了瀝青基碳纖維的各向同性瀝青。各向同性瀝青被用作通用級碳纖維，液晶相瀝青是不亞于PAN基碳纖維的高性能硬碳纖維。

碳纖維不僅具有強度和彈性模量等物理特性，還具有其他優異的特點。

在熱特性方面，熱導率高，與金屬相當-1.0×10-6/℃，尺寸穩定性好，幾乎不會因溫度而伸縮，而且碳纖維的熔點為3650℃，大大高于金屬，作為耐熱材料也很優異。

在電氣特性中，由于電阻率接近金屬，具有良好的電磁波遮斷特性，因此也被用于筆記本電腦的機殼。

盡管碳纖維具有如此優異的特性，是在發現碳纖維作為樹脂等復合材料的增強纖維使用并可以替代金屬材料時，才引起了社會的廣泛關注。

但在使用高性能碳纖維作為塑料等復合材料的增強纖維時，可以替代金屬材料已經引起了社會的關注。

03關于碳纖維復合材料

碳纖維作為CFRP的增強材料，其比重只有鐵的1/4、比強度是鐵的10倍、彈性模量是鐵的7倍，碳纖維的優異的物理特性被發揮在體育用品到飛機各個領域。

CFRP是碳纖維通過樹脂成型而成，根據作為基體的樹脂，可分為熱固性CFRP(CFRTS)和熱塑性CFRP(CFRTP)兩種。熱固性CFRP的基體使用環氧樹脂，將碳纖維中浸漬樹脂得到預浸料，并將其加工成所需形狀后，通過加熱使其固化，得到所設計的部件，也可在模具中配置碳纖維，并在密閉環境中注入環氧樹脂（RTM: Resin Transfer Molding）。在CFRTP的基體中使用聚丙烯（PP）等，利用熱塑性加熱預浸料、軟化后進行沖壓加工，或者使用注塑成型等可以得到所希望的形狀。

像汽車行業大量生產的情況，縮短生產時間尤為重要。目前正在開發CFRTS和CFRTP的快速成型技術。關于CFRTP，研究了很多作為基體的樹脂材料，如前所述，除了PP以外，還有PA6和PA66等聚酰胺系樹脂，以及聚苯硫醚（PPS）等超級塑料，不同的樹脂特性，其CFRTP特性（耐熱性和吸水性）均有很大不同。

表1 CFRP的樹脂基體材料的主要特性

04CFRP在運輸車輛中的應用

由于CFRP的特有特點，目前正在大型客機上積極推廣。波音787就是其中一個代表性例子，通過將以往客機的CFRP使用率從5%左右增加到50%，實現了大幅度的輕量化。因此，飛機的飛行距離得到大幅度提高，以往如果不是大型客機就無法開通的航線也可以開通了，從而提高了飛機利用者的便利性。同樣，汽車的輕量化也對提高油耗有很大影響。如圖1所示，日本國內二氧化碳排放量的明細，其中與汽車相關的比例為15.4%，占日本二氧化碳排放量的很大比例?，F在隨著混合動力汽車和新能源汽車的推廣，與此同步推進汽車車體的輕量化變得更為重要。從圖2可以看出，通過汽車的輕量化可以改善油耗，運輸部門的二氧化碳排放量可以大幅削減，從而能源消耗量的也同時得到削減。

圖1 運輸部門的二氧化碳排放量

圖2 汽車油耗與車輛重量的關系

05熱塑性碳纖維復合材料(CFRTP)的展望

雖然CFRP具有優異的特性，而且在飛機上也被采用，但為了擴大其推廣應用仍然存在很多需要解決的課題。最大的課題就是成本，在目前主流的熱固化性CFRTS中，強度、可靠性都達到了飛機的采用標準，其性能也足以滿足要求，但如圖3所示，材料成本和制造加成本都很高，只是應用于成本容限大較大的航空及高端汽車領域。

為了解決這一課題，需要對熱塑性樹脂作為基體樹脂的CFRTP進行進一步的研發。熱塑性樹脂具有受熱軟化、冷卻硬化的性能，而且不起化學反應，無論加熱和冷卻重復進行多少次，均能保持這種性能。因此適合于注射成型和短時間的沖壓成型，可以說是批量生產時性價比非常高的材料。

在使用熱固化性樹脂的CFRTS時，制造過程中會產生廢料，廢料很難再循環利用，但如果是熱塑性CFRP，如圖4所示，可以實現制造工序中的廢材的循環利用。

熱塑性CFRP是兼具輕量、高強度、低成本、高循環性的新材料，可以說它的推廣應用對于地球溫暖化對策的貢獻是毋庸置疑的。

圖3 熱固性CFRP和熱塑性CFRP的成本比較

圖4 熱塑性CFRP的循環利用

06結束語

為了將具有優異性能的CFRTP（熱塑性碳纖維增強塑料）廣泛用于結構材料，將來需要在以下幾個方面進行技術研發。

（1）開發能夠發揮碳纖維優良特性的中間基材。

（2）開發能夠發揮CFRTP特性的結構設計技術。

（3）高速成形加工技術的開發。

（4）再循環利用技術的開發。

（5）可靠性、碰撞等材料評估技術的開發

07參考文獻

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