第五节　制备低成本碳纤维复合材料结构件的新技术

轻量化的低成本碳纤维复合材料在未来节能环保型产品领域具有广阔的市场空间，尤其是在国家大力提倡节能减排，走集约型和技术创新型发展道路的政策背景下，发展民用碳纤维复合材料不仅具有良好的经济效益，更具有强烈的社会效益和时代意义。

我国在能源、资源、环境、制造、交通等国民经济支柱产业对高性能结构材料提出了迫切需求。低成本复合材料技术能够制造出所需的碳纤维复合材料，不仅能为我国重大工程建设和重大装备制造提供技术保障，而且将为我国从材料大国转变为材料强国奠定坚实的基础。

一、快速液体成型技术

国内某所采用较为先进的快速液体成型制造技术来研制大面积复合材料异型构件。

该工艺主要由下面几个重要方面组成：纤维预成型体的编织和定型、树脂流动工艺设计和优化、低黏度树脂可控快速固化工艺、大型模具设计和制造等。

除此之外，一般采用相对低廉的或者相对集成（数量集成和功能集成）的原材料达到降低原材料成本的目的。采用低成本树脂体系，在碳纤维织物中采用大丝束碳纤维，采用多轴向多层非屈曲经编织物。

复合材料液体成型工艺（LCM工艺）周期小于30min，单套模具的复合材料制件日产量为50件，基本满足民用工业对制件的工艺周期要求。所研制出的低成本碳纤维复合材料结构件在与钢结构件等刚度、等强度条件下减重60%，综合性能维持不变。国内某所在上述方向上申请发明专利，达到与世界先进水平。

LCM工艺中，由于模具设计得不合理或者纤维预成型体的铺敷不当，在充模时容易形成空气包裹而产生干斑，使产品报废。因此，有必要通过实时监测技术，对树脂的流动前沿进行实时监测，及时调整工艺参数，防止缺陷产生。

目前LCM工艺流动的实时监测技术发展迅速，传感器种类比较丰富，如光纤光栅传感器、压力传感器、超声波传感器、直流电传感器、介电传感器等。流动传感器按照安装方式以及获取的数据性质可分为两类：一类是树脂到达传感器所在位置，由监测信号定性判断树脂到达该区域的定点式传感器；另一类是树脂在一对平行放置的导线间流动，通过测量平行导线间树脂的电阻或阻抗，获得树脂前沿位置线性变化传感信号，连续监测树脂流动的直线型传感器。后者可以用较少的传感元件，及时准确获取树脂的流动前锋沿着导线长度方向的实时信息，显现了用于LCM工艺在线监控的潜力。

二、制备碳纤维的新技术

总的来讲，制备碳纤维的新技术可归纳为三大方面。

①研究发展廉价原丝。高性能碳纤维用的原丝的成本是影响碳纤维成本的重要因素，所占的比例为40%～60%。国外研究者试图从两方面降低原丝的成本。一方面是尝试采用聚丙烯腈外的其他材料用作高性能碳纤维用的原丝，包括低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯等聚烯类高分子材料以及木质素等；另一方面是改进现有工艺技术，达到降低成本的目的，包括采用纺织用的聚丙烯腈、化学改性、辐照稳定化处理等。

②研究发展新的预氧化技术。预氧化工序成本在高性能碳纤维成本中所占的比例为15%～20%，而且预氧化工序的时间也比较长。缩短生产周期对降低成本有重大现实意义。目前在预氧化方面的新思路是采用等离子技术，等离子预氧化是正在研究的方向。

③研究发展新的碳化和石墨化技术。碳化和石墨化是制备高性能碳纤维的关键工序，这些工序在高性能碳纤维成本中所占的比例约为25%～30%，而且对最终产品的性能有极大的影响。在碳化和石墨化方面的新思路是采用微波技术。微波碳化和石墨化是当前国内正在研究的方向，而且已经取得良好结果。

三、低碳轻量化复合聚合物填充材料技术开发

在当今企业经济效益普遍下滑的背景下，如何在保证产品性能的前提下降低产品成本，是使企业保持赢利的关键。

降低塑料产品成本的三大秘籍为添加填充材料、利用再生塑料、进行发泡改性。其中添加填充材料是目前最常用的降低成本的方法。以常用的添加无机填充材料为例，无机填充材料的密度要远远大于塑料，具体如表1-2所示，这就导致向塑料中填充无机材料后，复合材料密度大幅度增加，对于以体积计算成本的塑料制品，真正降低的成本幅度很小。这是当前行业面临的世界性难题。

笔者所在的研究团队解决了这个难题，利用有机填料和无机填料成功研制出了低碳轻量化复合聚合物填充材料，填充后复合材料的性能不明显下降，复合材料的密度不增大反而减小，降低了成本，真正实现填充改性降低成本的目标。目前此技术已获得了国家发明专利初审通过，并正在积极申报专利。

该低碳轻量化复合聚合物填充材料的研发成功，关键在于采用无机-有机复合填充技术，使得复合材料相对密度可以在0.75～1.30之间随意调节，并且复合材料的性能明显好于无机填料或有机填料单独填充制成的复合材料。其原理如下：

1.有机填料的作用

（1）起到发泡剂的作用　所用有机填料含水量大，适当的水分可以起到发泡剂的作用，在熔融加工过程中发生发泡改性，达到降低复合材料密度和成本的目的。各类填料的相对密度如表1-2所示。

（2）有机填料水分的控制　有机填料的水含量和颗粒尺寸对性能影响很大，因此复合前要对其进行酯化改性处理和干燥处理，使大部分水分干燥除掉，只有以氢键形式存在的水分保留用于发泡。这样就可以保证泡孔尺寸微小以形成微孔泡沫塑料，制品减重的同时保证足够强度。

（3）低碳环保性能　所用有机填料是用生物质材料制取的，符合低碳环保的要求。

（4）节省化石资源　所用有机填料产于生物质材料，利用可再生资源，可以节省大量的化石资源。

（5）降低复合材料成本　所用有机填充材料的成本只有树脂的20%左右，它的加入可以大大降低复合材料的成本。

 2.无机填料的作用

（1）起到发泡成核剂作用　本复合材料选用超细的碳酸钙无机材料，其颗粒尺寸使其正好起到了发泡成核剂的作用，降低了发泡改性的泡孔尺寸，使其接近微孔泡沫塑料的尺寸，与单一有机发泡复合材料相比，提高了发泡复合材料的综合性能。

（2）起到改性剂的作用　所用无机材料自身的优异性能，可以提高复合材料的刚性、韧性、耐蠕变性、耐腐蚀性、尺寸稳定性等性能。

（3）节省大量石化资源　无机填料的加入节省了大量的石油资源，目前无机填料资源丰富。

（4）降低复合材料成本　无机填充材料的成本只有树脂的10%不到，它的加入可以大大降低复合材料的成本。

3.填料与树脂的相容性处理

无论是无机填料还是有机填料，与树脂的相容性都很差。提高它们与树脂的相容性，是复合材料性能保持的关键之一。

（1）表面处理　采用了高效的包覆技术。

（2）相容剂　采用了高效的相容剂。

4.供货方式灵活

产品供货时是有机填料和无机填料分开提供，使用时可根据客户相对密度、性能、成本需要自由搭配使用，性能指标参见表1-3。

本产品目前主要适合于各类塑料薄膜生产使用，制品透明度不高。

5.该产品的突出优势

（1）降低产品成本　以有机、无机填料含量各占50%复合填充为例，原料成本可以降低30%～40%；发泡改性可使密度降低20%～30%，综合可以降低成本50%左右。

（2）节省石油资源　50%左右的有机无机填充材料可以节省50%的石油资源。

（3）低碳环保突出　30%左右的有机填充可以降低20%左右的二氧化碳排放。