第五節　制備低成本碳纖維復合材料結構件的新技術

輕量化的低成本碳纖維復合材料在未來節能環保型產品領域具有廣闊的市場空間，尤其是在國家大力提倡節能減排，走集約型和技術創新型發展道路的政策背景下，發展民用碳纖維復合材料不僅具有良好的經濟效益，更具有強烈的社會效益和時代意義。

我國在能源、資源、環境、制造、交通等國民經濟支柱產業對高性能結構材料提出了迫切需求。低成本復合材料技術能夠制造出所需的碳纖維復合材料，不僅能為我國重大工程建設和重大裝備制造提供技術保障，而且將為我國從材料大國轉變為材料強國奠定堅實的基礎。

一、快速液體成型技術

國內某所采用較為先進的快速液體成型制造技術來研制大面積復合材料異型構件。

該工藝主要由下面幾個重要方面組成：纖維預成型體的編織和定型、樹脂流動工藝設計和優化、低黏度樹脂可控快速固化工藝、大型模具設計和制造等。

除此之外，一般采用相對低廉的或者相對集成（數量集成和功能集成）的原材料達到降低原材料成本的目的。采用低成本樹脂體系，在碳纖維織物中采用大絲束碳纖維，采用多軸向多層非屈曲經編織物。

復合材料液體成型工藝（LCM工藝）周期小于30min，單套模具的復合材料制件日產量為50件，基本滿足民用工業對制件的工藝周期要求。所研制出的低成本碳纖維復合材料結構件在與鋼結構件等剛度、等強度條件下減重60%，綜合性能維持不變。國內某所在上述方向上申請發明專利，達到與世界先進水平。

LCM工藝中，由于模具設計得不合理或者纖維預成型體的鋪敷不當，在充模時容易形成空氣包裹而產生干斑，使產品報廢。因此，有必要通過實時監測技術，對樹脂的流動前沿進行實時監測，及時調整工藝參數，防止缺陷產生。

目前LCM工藝流動的實時監測技術發展迅速，傳感器種類比較豐富，如光纖光柵傳感器、壓力傳感器、超聲波傳感器、直流電傳感器、介電傳感器等。流動傳感器按照安裝方式以及獲取的數據性質可分為兩類：一類是樹脂到達傳感器所在位置，由監測信號定性判斷樹脂到達該區域的定點式傳感器；另一類是樹脂在一對平行放置的導線間流動，通過測量平行導線間樹脂的電阻或阻抗，獲得樹脂前沿位置線性變化傳感信號，連續監測樹脂流動的直線型傳感器。后者可以用較少的傳感元件，及時準確獲取樹脂的流動前鋒沿著導線長度方向的實時信息，顯現了用于LCM工藝在線監控的潛力。

二、制備碳纖維的新技術

總的來講，制備碳纖維的新技術可歸納為三大方面。

①研究發展廉價原絲。高性能碳纖維用的原絲的成本是影響碳纖維成本的重要因素，所占的比例為40%～60%。國外研究者試圖從兩方面降低原絲的成本。一方面是嘗試采用聚丙烯腈外的其他材料用作高性能碳纖維用的原絲，包括低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯等聚烯類高分子材料以及木質素等；另一方面是改進現有工藝技術，達到降低成本的目的，包括采用紡織用的聚丙烯腈、化學改性、輻照穩定化處理等。

②研究發展新的預氧化技術。預氧化工序成本在高性能碳纖維成本中所占的比例為15%～20%，而且預氧化工序的時間也比較長。縮短生產周期對降低成本有重大現實意義。目前在預氧化方面的新思路是采用等離子技術，等離子預氧化是正在研究的方向。

③研究發展新的碳化和石墨化技術。碳化和石墨化是制備高性能碳纖維的關鍵工序，這些工序在高性能碳纖維成本中所占的比例約為25%～30%，而且對最終產品的性能有極大的影響。在碳化和石墨化方面的新思路是采用微波技術。微波碳化和石墨化是當前國內正在研究的方向，而且已經取得良好結果。

三、低碳輕量化復合聚合物填充材料技術開發

在當今企業經濟效益普遍下滑的背景下，如何在保證產品性能的前提下降低產品成本，是使企業保持贏利的關鍵。

降低塑料產品成本的三大秘籍為添加填充材料、利用再生塑料、進行發泡改性。其中添加填充材料是目前最常用的降低成本的方法。以常用的添加無機填充材料為例，無機填充材料的密度要遠遠大于塑料，具體如表1-2所示，這就導致向塑料中填充無機材料后，復合材料密度大幅度增加，對于以體積計算成本的塑料制品，真正降低的成本幅度很小。這是當前行業面臨的世界性難題。

筆者所在的研究團隊解決了這個難題，利用有機填料和無機填料成功研制出了低碳輕量化復合聚合物填充材料，填充后復合材料的性能不明顯下降，復合材料的密度不增大反而減小，降低了成本，真正實現填充改性降低成本的目標。目前此技術已獲得了國家發明專利初審通過，并正在積極申報專利。

該低碳輕量化復合聚合物填充材料的研發成功，關鍵在于采用無機-有機復合填充技術，使得復合材料相對密度可以在0.75～1.30之間隨意調節，并且復合材料的性能明顯好于無機填料或有機填料單獨填充制成的復合材料。其原理如下：

1.有機填料的作用

（1）起到發泡劑的作用　所用有機填料含水量大，適當的水分可以起到發泡劑的作用，在熔融加工過程中發生發泡改性，達到降低復合材料密度和成本的目的。各類填料的相對密度如表1-2所示。

（2）有機填料水分的控制　有機填料的水含量和顆粒尺寸對性能影響很大，因此復合前要對其進行酯化改性處理和干燥處理，使大部分水分干燥除掉，只有以氫鍵形式存在的水分保留用于發泡。這樣就可以保證泡孔尺寸微小以形成微孔泡沫塑料，制品減重的同時保證足夠強度。

（3）低碳環保性能　所用有機填料是用生物質材料制取的，符合低碳環保的要求。

（4）節省化石資源　所用有機填料產于生物質材料，利用可再生資源，可以節省大量的化石資源。

（5）降低復合材料成本　所用有機填充材料的成本只有樹脂的20%左右，它的加入可以大大降低復合材料的成本。

 2.無機填料的作用

（1）起到發泡成核劑作用　本復合材料選用超細的碳酸鈣無機材料，其顆粒尺寸使其正好起到了發泡成核劑的作用，降低了發泡改性的泡孔尺寸，使其接近微孔泡沫塑料的尺寸，與單一有機發泡復合材料相比，提高了發泡復合材料的綜合性能。

（2）起到改性劑的作用　所用無機材料自身的優異性能，可以提高復合材料的剛性、韌性、耐蠕變性、耐腐蝕性、尺寸穩定性等性能。

（3）節省大量石化資源　無機填料的加入節省了大量的石油資源，目前無機填料資源豐富。

（4）降低復合材料成本　無機填充材料的成本只有樹脂的10%不到，它的加入可以大大降低復合材料的成本。

3.填料與樹脂的相容性處理

無論是無機填料還是有機填料，與樹脂的相容性都很差。提高它們與樹脂的相容性，是復合材料性能保持的關鍵之一。

（1）表面處理　采用了高效的包覆技術。

（2）相容劑　采用了高效的相容劑。

4.供貨方式靈活

產品供貨時是有機填料和無機填料分開提供，使用時可根據客戶相對密度、性能、成本需要自由搭配使用，性能指標參見表1-3。

本產品目前主要適合于各類塑料薄膜生產使用，制品透明度不高。

5.該產品的突出優勢

（1）降低產品成本　以有機、無機填料含量各占50%復合填充為例，原料成本可以降低30%～40%；發泡改性可使密度降低20%～30%，綜合可以降低成本50%左右。

（2）節省石油資源　50%左右的有機無機填充材料可以節省50%的石油資源。

（3）低碳環保突出　30%左右的有機填充可以降低20%左右的二氧化碳排放。