摘　要 ：聚丙烯晴基碳纖維(CF)通常以連續纖維和非連續纖維(長碳纖維、短切碳纖維及粉末碳纖維)進入后續的復合材料成形工藝與制備過程，并與樹脂基體結合形成高性能的碳纖維增強(樹脂基)復合材料。本研究課題主要研究長碳纖維(Long carbon fiber,LCF，10-25mm)N短切碳纖維(Short carbon fiber,SCF,2-3mm)增強(樹脂基)復合材料(Polymer matrix composites)制備及應用技術。根據不同基體材料(熱固性樹脂，比如環氧樹脂、聚氨酯、不飽和樹脂等和熱塑性樹脂，比如PP、ABS、PA、PC、PEI、PI、PPS、PEEK等)，要求非連續碳纖維(No-continuous carbon fiber)以不同尺寸、含量、分布形狀及不同界面與基體充分混合，分散均勻，并與基體形成增強結合力，從而使基體材料的力學性能及功能性得到提高。非連續碳纖維增強(樹脂基)復合材料具有突出的性價比優勢，因此能夠很好地滿足不同工業產品的輕質高強需求，特別在汽車輕量化復合材料設計與應用領域將獲得巨大的市場發展容量。
關鍵詞：非連續碳纖維，樹脂基復合材料，性價比，汽車輕量化，性能提高

1　前言

　　近年來隨著國內外碳纖維本身的售價大幅度下降，碳纖維復合材料制造技術逐漸趨于成熟，從而快速促進了碳纖維復合材料的研究與開發。經過多年發展，以碳纖維為主的連續碳纖維增強(樹脂基)復合材料(CFRP)具有強度高、模量大、密度小、抗疲勞性能好、振動變形性能小、耐化學腐蝕等顯著優點，使其在不同工業產品中得到越來越廣泛的設計與應用。特別在汽車的輕量化已經成為發展趨勢，尤其是新能源汽車，在電池技術的現有發展階段更急需輕量化材料的解決方案，碳纖維復合材料從技術上講是汽車輕量化的佳選擇。
　　聚丙烯晴基碳纖維(CF)通常以連續態和非連續態(長碳纖維、短切碳纖維及粉末碳纖維)進入后續的復合材料成形工藝與制備過程中形成復合材料。連續碳纖維增強(樹脂基)復合材料(CFRP)的性能非常優良，但存在成本高、成型工藝復雜、性價比過高，這些不足之處極大地影響了在民用工業領域的廣泛推廣和應用。由于CFRP復合材料基本是針對終應用進行量身定制的，從高強高模碳纖維到工程應用，整個開發與應用周期較長。只有學習其他材料的成功應用經驗，把碳纖維復合材料做成標準的工業原材料，才能方便和迅速擴大應用市場。碳纖維產業正處于快速發展時期，其性能與品質與碳纖維工業發達存在一定差距，使用國產現有的碳纖維去直接替代成熟碳纖維的高端應用(如軍機和航空工業)需要相當長期的驗證過程，且成本高、用量少，所以必須另辟蹊徑，盡快找出適合碳纖維和復合材料工業現狀，同時又必須滿足務實和可持續的發展道路來，加快產業化的升級轉型。

2　非連續碳纖維增強(樹脂基)復合材料(NCFRP)的分類

　　非連續碳纖維(長碳纖維Long carbon fiber,LCF，10-25mm和短切碳纖維Short carbon fiber,SCF 2-3mm)增強(樹脂基)復合材料(No-continuous carbon fiber reinforced polymer matrix composites NCFRP，主要為SFT、LFT、SMC)是根據基體材料(熱固性樹脂和熱塑性樹脂)不同，以不同的非連續碳纖維尺寸、含量、纖維分布形狀及不同的界面與之充分混合，分散均勻，與基體材料結合力強，并形成碳纖維網絡結構對基體材料的力學性能及功能性能的有所顯著提高，可以滿足眾多的民用工業產品對輕質高強的設計與應用要求，這是一種高性價比的高性能、低成本的高性能新型碳纖維復合材料，市場需求量巨大，遠遠要超過軍工航空的需求量，近期已引起國內外的碳纖維企業和碳纖維復合材料工業界的高度重視和競相開發，推廣應用，搶占市場。
　　根據2013年國際數據公布，碳纖維產能中，短切碳纖維約占有7800噸，占碳纖維總需求量的18％碳纖維是通過非連續形態碳纖維進入后期的復合材料應用市場。目前，國際碳纖維巨頭公司均有短切碳纖維產品出售，而在我國還處于空白：對處于發展期的碳纖維和復合材料工業，短切碳纖維是消化國產碳纖維使用的佳途徑之一。這個非連續狀態碳纖維主要是指：短切碳纖維(SCF)及長碳纖維(LCF)形態，可以分為三種主要類型：1)短切碳纖維增強塑料顆粒料(SFT)，2)長碳纖維增強塑料顆粒料(LFT)，31碳纖維片狀模壓熱固塑料(SMC)，然后采用注塑成型及模壓成型工藝，在加熱條件下加工成民用工業產品零部件，并終應用在國民經濟各個領域。

3　非連續碳纖維增強(樹脂基)復合材料(NCFRP)的低成本化

　　聚丙烯晴基碳纖維(CF)是以連續態的生產出來的，而且CFRP復合材料體現了卓越的性能，為什么還需要把它切斷，損失其力學機械性能呢?高強度高模量碳纖維的高端應用是航空航天及體育市場，其制作工藝是連續碳纖維與樹脂基體緊密結合，先要變成預浸料，然后剪裁成型，后在模具鋪放成一定厚度的復合殼體，抽真空后進入熱烘箱或熱壓罐固化，在這個成形工藝之下，碳纖維及其樹脂這些基礎材料的成本大約為20-30％，而后續成形工藝的成本為70-80％，據統計，國際航空復合材料的成本為USD275-330元／公斤(國內成本更高)。CFRP復合材料的輕量化及卓越性能無疑是眾多工業進步的佳材料選擇，然而，對比金屬材料制成零部件的低成本(比如汽車材料，基本是10-20元／公斤)，這個“貴族”材料讓許多應用客戶望而卻步，很多民用工業用戶提出：不需要那么卓越的高性能，能否降低一些性能指標和成本，這就給了NCFRP復合材料一個巨大的市場應用空間。
　　NCFRP復合材料是如何成為較低成本材料?對于CFRP復合材料，在復合材料中必須保持一個相當的碳纖維含量才能體現卓越的力學性能，通常碳纖維含量比例是50-60wt％，而對于NCFRP復合材料，這個比例是可以下降的，比如短切碳纖維增強塑料顆粒(SFT)，通常碳纖維含量比例是10-30wt％，這還不是主要的成本降低部分，主要成本降低是原材料后續的加工成形成本。CFRP復合材料是一個高人工、高能耗、低產能的成形工藝，雖然有進步，但是不能改變碳纖維預浸料需要與模具緊密貼合，預浸料的各向異性。碳纖維是剛性材料，不能塑性變形的根本要求，如改變這些就會極大地降低CFRP復合材料的卓越性能，這些約束是CFRP復合材料制造成本高的根本原因。然而，對于NCFRP復合材料，當基礎復合材料(包括SFT、LFT、SMC片材)制備好后(這些制備工藝也是規?；I)，進入的就是傳統成形工藝，即注塑及模壓成形工藝，常規金屬及塑料的大規模成形工藝，就可以保證加工成本與金屬、塑料一致，在原材料基礎上，加上區區一點成本，就可以完成NCFRP復合材料零部件制造。所以，盡管NCFRP復合材料在力學機械性能上不能與CFRP復合材料相互比較，甚至可能要低許多，比如對于CFRP復合材料，保留與釋放80-90％的纖維性能，才能體現優勢，如碳纖維拉伸性能是4.9GPa做成的單向碳纖維預浸料，綜合用30-40％環氧樹脂，預浸料拉伸強度可以到碌纖維強度50％，即2.5GPa，這個時候，對碳纖維的性能及穩定性要求就非常高，而對于制備NCFRP復合材料，通常把4.9GPa的碳纖維拉伸強度降低到300MPa以內，此時復合材料的拉伸強度只用了碳纖維原始性能的10％以下，故碳纖維性能穩定性再不好，除以10-20，也大大消減了這個性能波動效應!另外，還有很大部分非連續碳纖維并不主要利用碳纖維的力學性能，而是利用其導電、導熱性能，可以制備具有抗靜電、導電、導熱、電磁波屏蔽的功能化NCFRP復合材料。民用工業產品更注重的是選擇性能與成本適合的材料，不可能一味向軍工領域一樣，追求“高、精、尖”材料使用。所以，一般的NCFRP復合材料就能夠很好地滿足民用工業產品的輕質高強需求，從而可以獲得巨大的市場容量。

4　非連續碳纖維增強(樹脂基)復合材料(NCFRP)制備技術

4.1　短切碳纖維增強塑料(SFT)制備技術
　　短切碳纖維并非只是把連續碳纖維切斷這么簡單，其核心技術上漿料技術的開發。目前，碳纖維短切生產技術主要掌握在國際碳纖維巨頭廠家手中，國內尚未見成熟的制備技術，相關的機理研究也相當缺乏，國內僅見部分碳纖維短切產品也是通過手工剪、沖床剪等落后的加工方式生產，產品質量不如國外產品。
　　目前，擁有一套短切碳纖維的中試線以及漿料研發的團隊，中試線具備每年300噸短切碳纖維的生產能力。同時，已完成了水溶性漿料-對應無機基體，聚氨酯漿料-對應熱塑性樹脂，尼龍漿料-對應高溫熱塑性樹脂。短切碳纖維制備關鍵技術已經得到全面深入解決，申請“短切碳纖維工業化制備技術”發明：
　　1)表面漿料技術
　　2)均勻上漿技術
　　3)絲束不同截面成型技術
　　4)精確連續切斷技術
　　5)車間防塵技術

　　短切碳纖維增強塑料(SFT)制備關鍵技術，已經得到全面深入解決：
　　1)高效碳纖維喂料技術
　　2)碳纖維均勻分散技術
　　3)控制剩余碳纖維長度技術
　　4)短切碳纖維維增強塑料(SFT)顆粒的注塑模具設計技術

4.2　長碳纖維增強塑料(LFT)制備技術
　　長碳纖維增強塑料(Long Carbon Fiber reinforced Thermoplastics，LFT)是和普通的短切碳纖維增強塑料(SFT)相比較而言的。通常情況下，短切碳纖維SFT塑料中的碳纖維長度為小于0.5mm，而在碳纖維LFT塑料中，碳纖維的長度一般大于2mm。目前的加工工藝，已經能夠將LFT塑料中的碳纖維長度保持在10-15mm以上。長碳纖維經過專用的模具浸漬專用的樹脂體系，得到被樹脂充分浸潤的長條，然后根據需要切成需要的長度。采用多的基體樹脂是PP,其次是PA、PC、PBT、PPS、PEEK等樹脂：根據終用途不同，成品可以是長條，也可以是帶狀、一定寬度的板子，甚至可以是棒狀，直接用于取代熱固性復合材料產品。
　　LFT塑料比聚合物基體和SFT塑料具有更廣泛和優異的綜合性能，由于LFT塑料成型制件中殘留纖維長度大(2-15mm)，并且在注塑制件內可形成互相纏繞的三維網絡結構，碳纖維增強效應更明顯，阻燃性更佳，這是其性能比SFT塑料成型制件性能更優異的根本原因。近年來，國外科研單位、應用和工業公司對碳纖維LFT塑料進行了大量的研究、開發與工業化生產?！碍h保、節能、汽車輕量化”成為LFT塑料制備、制件設計與應用快速發展的主要推動力。
　　碳纖維LFT塑料具有高比強度、高比模量、比重輕、耐蠕變、抗疲勞、抗沖擊、收縮率低、耐熱性好、導電、導熱、耐腐蝕等優異綜合性能，作為環保、可回收與循環使用的新一代輕量化熱塑性復合材料，在機械、汽車、軌道交通、航空航天、電子、電器、化工、船艦等領域具有重要應用，特別是在新能源純電動汽車的關鍵零部件上未來將獲得大規模產業化應用。
　　北京納盛通新材料科技有限公司經過十年研究與開發，掌握了具有自主知識產權的創新核心技術，成功生產出的高強高模碳纖維LFT塑料復合材料，關鍵技術指標達到國際同類產品參數，并已實現產業化生產與應用。本公司研發的新一代輕量化的高強高模碳纖維LFT塑料復合材料與國內外同類產品相比，采用自主創新的在線熱壓浸漬技術(In site hot-press impregnation,In site-HPI)應用在LFT塑料復合材料成形過程中，并建立了非線性熱塑性粘彈性流體的熱壓浸漬過程數值計算模型，可預測佳熱壓浸漬工藝條件，從而獲得浸漬效率高、空隙率低、界面結合強度高的LFT塑料復合材料產品，其生產效率提高，產品性能顯著提高。經過美國通標測試技術(SGS)公司檢測認證：在線熱壓浸漬技術(In site-HPI)制備碳纖維LFT塑料復合材料。
　　1)長碳纖維增強聚丙烯復合材料(LCF-PP)，比重1.042g／cm³，碳纖維含量22.5wt％，拉伸強度122MPa，拉伸模量13900MPa，斷裂伸長率1.10％，彎曲強度181MPa，彎曲模量14800PMa，懸臂梁缺口沖擊強度12KJ／m²，熱變形溫度160℃。
　　2)長碳纖維增強聚碳酸酯復合材料(LCF-PC)，比重1.292g／cm³，碳纖維含量40wt％，拉伸強度192MPa，拉伸模量18700MPa，斷裂伸長率1.40％，彎曲強度280MPa，彎曲模量16600PMa，懸臂梁缺口沖擊強度11KJ／m²，熱變形溫度142℃。
　　3)長碳纖維增強聚酰胺6復合材料(LCF-PA6)，比重1.313g／cm³，碳纖維含量35wt％，拉伸強度322MPa，拉伸模量30300MPa，斷裂伸長率1.4％，彎曲強度514MPa，彎曲模量27500PMa，懸臂梁缺口沖擊強度37KJ／m²，熱變形溫度214℃。
　　4)長碳纖維增強聚酰胺66復合材料(LCF-PA66)，比重1.312g／cm³，碳纖維含量35wt％，拉伸強度323MPa，拉伸模量32800MPa，斷裂伸長率1.3％，彎曲強度506MPa，彎曲模量30800PMa，懸臂梁缺口沖擊強度25KJ／m²，熱變形溫度254℃。
　　目前，擁有一套碳纖維LFT塑料復合材料的中試線以及漿料研發的團隊，中試線具備每年400噸碳纖維LFT塑料復合材料的生產能力。同時，已經完成了申請“碳纖維LFT塑料復合材料工業化制備技術”發明，碳纖維LFT塑料制備關鍵技術，已經得到全面深入解決。本項目申報2015年度863項目立項，現已經通過科技部863專家組評審，獲得高度評價與鼓勵。
　　1)表面漿料技術
　　2)碳纖維展絲技術
　　3)碳纖維與塑料均勻浸潤技術
　　4)精確連續切斷技術
　　5)碳纖維LFT塑料復合材料注塑或模壓模具設計技術
4.3　碳纖維片狀模壓熱固塑料(CF-SMC)制備技術
　　纖維片狀模壓熱固塑料(Sheetmolding compound,SMC)，是由加有低收縮劑、填料、添加劑等組分的樹脂混合料浸漬纖維后加工而成的片狀或板狀熱固性模塑材料，通常采用在模具內熱壓的方法使之固化，較容易加工成FRP制品。具有優異的機械性能、熱穩定性、耐化學防腐性，已廣泛應用于多個領域，其制各流程示意圖如下：

　　傳統SMC的增強材料一般使用玻璃纖維，隨著像汽車等領域對材料的性能要求持續提高，近年在國外逐漸出以碳纖維作為增強材料的SMC材料，新的技術被稱為碳纖維片狀模塑料(CarbonFiberSheetmolding compound,CF-SMC)。目前在汽車領域使用廣泛，前景也被看好。對比玻璃纖維SMC，CF-SMC具有以下優勢：
　　1)準各向同性
　　2)更高的碳纖維增強材料含量(CF-SMC：Vol：40％-50％；CF-SMC：：Vol：18％-35％)
　　3)更低的材料密度
　　4)更廣泛的基體材料適用性
　　5)更好的模具成型性
　　6)更好的材料密封性能和疲勞性能
　　7)更高的材料剛度
　　已經開發成功SMC專用短切碳纖維及其漿料技術，同時擁有一條300寬幅的CF-SMC小試線，具備年產100噸碳纖維CF-SMC片材的能力，擁有一套熱模壓成型機及相關的模具加工設備及技術，已經具備為汽車零件開發零件的硬件能力。

5　非連續碳纖維增強(樹脂基)復合材料(NCFRP)的汽車輕量化應用

　　汽車的輕量化已經成為發展趨勢，尤其是新能源汽車，在電池技術的現有發展階段急需輕量化的解決方案。毋庸置疑，碳纖維復合材料從技術上講是汽車輕量化的佳選擇。但是，選擇什么樣的碳纖維復合材料呢?以BMW i3，TESLA MODLE S這兩款著名的電動車做一個比較。

　　通常我國汽車的價格是歐美的2-3倍，所以，這兩款汽車已經是國內的豪華汽車。  從上述的數據可以發現：在現有電池技術水平下，續航里程與電池量是個巨大的矛盾，必須根據當前的電池水平，實現全面輕量化才能做出市場滿意的續航里程，要學習飛機輕量化是根據發動機水平的經驗；如果采用昂貴的碳纖維復合材料，再加上昂貴的電池成本，新能源汽車就只能做成豪華汽車，所以必須采用“大復合材料“的理念，即對鋼鐵、鋁合金、玻纖復材、碳纖復材等材料組成的大復合材料系統，提出汽車的重量效能比(在全壽命期間，因為減重而帶來的效益對所有的汽車零件規定重量和合理成本要求(減重越多，給予更多低成本)，并與復合材料技術公司加強合作，才是兼顧性能與低成本的正確道路。

　　這個表3總結所有與汽車相關的復材工藝特點。其中，現行的碳纖維復材工藝主要是黃色區塊，對應的是高性能、小批量的應用，比如航空。右下角是目前汽車行業普遍使用的復合材料工藝，主要是玻璃纖維增強，所以性能比較低。右上角的藍色和紅色區塊是現在流行和未來的方向。其中，Advanced RTM(先進樹脂轉移模)就是寶馬I3采用的碳纖維復材工藝，據報道這個先進RTM工藝在碳纖維18歐元／公斤時，碳纖維復材成本為42-50歐元／公斤，而金屬汽車材料的成本大約是7美元／公斤的水平。  從航空復合材料275-330美元／公斤，到豪華汽車(采用航空工藝，但采用普通碳纖維和樹脂125美元／公斤，再到目前采用先進RTM的大約65美元／公斤，依然還不能滿足汽車行業對低成本的追求，所以碳纖維復合材料界還必須努力，研發新的碳纖維復合材料工藝滿足汽車行業的需求。
　　從事碳纖維CF-SMC的領導者，美國QUANTUM公司，通過2003道格毒蛇汽車的實踐得出的汽車碳纖維復材成本是29.7美元／公斤(基于碳纖維成本20美元／公斤，雖然這個成本還不能與傳統汽車的金屬和玻纖增強材料競爭，但是對于重量敏感型汽車(新能源汽車)，從綜合成本算已經展現出強大的競爭優勢。汽車部件應用領域中，CF-SMC使重量零部件重量明顯降低，隨之連接件、承載構件和緊固件附件的重量也可減輕。設計合理的情況下CF-SMC部件的壁厚可以比傳統的SMC減薄38％。因此基于同等剛性，如用CF-SMC替代傳統SMC可減輕重量55％左右。
　　CF-SMC在汽車領域的應用早是2003款Dodge Viper跑車，該車型的多個核心部件(防撞梁、檔風玻璃框等)采用了CF-SMC。該材料是由25mm隨機分布的12K的PAN基碳纖維和乙稀基酯樹脂組成，樹脂牌號是AMC-8590。成型固化溫度為145-155攝氏度，固化時間僅需要1-3分鐘。AMC-8590／25mmCF也成為款用于量產車型的CF-SMC材料，其性能參數如表4所示：

表4 2003道格毒蛇汽車CF-SMC組件

　　林寶基尼Siesto Elemento跑車懸掛臂，原來使用鋁合金材料或者采用RrM成型技術的碳纖維復合材料，使用CF-SMC材料和連續碳纖維復合材料混合結構替代后，懸掛臂制造成本得到了壓縮，制造時間縮短，部件剛性得到提高，從而成為一個更好的解決方案。

　　CF-SMC的成本競爭力：Viper跑車的成功說明了SMC在高性能汽車上的應用優勢。但是對于汽車產業的廠家來說，別一個重要的因素是成本問題。美國Quanturn Composites在2005年曾做過系統計算。在Viper上的一個樣件，在相同的制造成本條件下，使用傳統玻璃纖維SMC材料，重量是1.278kg，而CF-SMC材料僅重0.942kg，而且CF-SMC材料在多方面性能遠超出設計要求，如要求拉伸強度只達到CF-SMC材料剛度的24％。具體數據如下圖所示。近年來碳纖維價格持續下跌，CF-SMC的成本進一步下降。
　　與其它成型技術對比，注射模(Tnjection Molding)和轉移模(Transfer Molding)技術所制造材料性能比不上CF-SMC，對于大批量生產的汽車工業領域，在一次投入工具成本后CF-SMC可實現較高產能，產能和工具成本投入關系如下圖6所示：