碳纤维制品加工工艺及前景探讨

碳纤维被用于航天军工、体育用品、汽车工业产品方面已广为人知，随着碳纤维大丝束的发展及碳纤维价格的下降，一些新的市场正迅速发展。目前碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品，成为国内新材料行业研发的热点，因此碳纤维复合材料有了很好的发展及应用前景。

　　碳纤维是一种纤维状的碳素材料，含碳量在95%以上，通常与树脂、金属、陶瓷等基体结合作为复合材料使用，一般不单独使用，与传统金属材料相比，碳纤维密度仅为钢材的1/5，而强度可达钢材的7-10倍，其中环氧树脂基碳纤维复合材料被广泛应用于汽车工业、轨道交通、医疗器械、体育器材等高强度减重结构部件，此外碳纤维材料在石油、冶金、纺织等领域的应用也相当广泛。由于国内技术能力的限制，目前我国高端碳纤维材料仍依赖进口，并形成国内深加工的现象。目前国内从事碳纤维复合材料制品的生产厂家多达数千家，但是由于产能产量的原因，碳纤维制品仍需大量进口。据相关报道显示，2014年上半年我国碳纤维及制品进口量为5513.2吨，年进口量在一万吨左右，进口依存度依旧在高位徘徊。  　　究其原因，我国碳纤维生产及下游产品制造技术仍落后于美、日及其他欧美等国家。目前，国内碳纤维复合材料的成型工艺主要有手糊成型工艺、缠绕成型工艺、拉挤成型工艺、树脂传递模塑成型工艺和模压工艺。而树脂传递模塑成型工艺(RTM)是国内碳纤维下游制造企业常用的一种成型工艺，成型后的制件性能优良，适合年产量在5万套左右的部件。是世界上公认的低成本复合材料成型技术，该技术发展很快，并已在汽车工业上广泛采用。如无锡威盛新材料科技有限公司为中国中车集团制造的一款工字形碳纤维结构部件。该结构件长780mm，腰高42mm，腰厚6mm，腿宽52mm，经检测强度远超原工字钢，且重量仅为750g，有效减重达62%，该部件具有耐酸碱等腐蚀、密度小、寿命长等优点，为列车轻量化发展产生较大经济效益。据悉，常州今创集团的相关列车结构部件也已在该公司进行研发试样阶段。

　　此外，真空袋压也是碳纤维复合材料制品生产的工艺之一，该工艺的主要优点是采用普通湿法铺层技术,通常可获得高碳纤维含量的复合材料，环氧树脂可较好地浸渍碳纤维。主要缺点是额外的工艺过程增加了劳动力和成本,并且要求操作人员有较高的技术水平，生产效率不高。手糊成型工艺，它是依次在模具型腔表面涂布或铺迭脱模剂、胶衣、粘度适中的环氧树脂(胶衣凝胶后涂覆)和碳纤维,手持辊子或刷子使环氧树脂浸渍碳纤维,并驱除气泡,压实基层。铺层操作反复多次,直到达到制品的设计厚度。该工艺的主要优点是可室温成型,设备投资少,模具折旧费低，可制造大型制品。主要缺点是属于劳动密集型生产,制品质量由工人技术熟练程度决定，手糊用树脂分子量低,通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。

　　碳纤维复合材料产品的制造技术涉及材料、设计和工艺三方面，这三方面互相影响，不可缺少。国内碳纤维材料经过近40年的研究、应用及发展，虽然取得了长足的进步，但是由于成本及回收等因素，发展进度仍令人堪忧。从目前来看，除了成本因素外，碳纤维复合材料的生产和制造均不同于传统金属，无论是结构设计、材料选择还是工艺制造均缺乏经验和数据积累，也缺少新的设计标准。另外，只有彻底解决了回收利用问题，碳纤维复合材料才可能降低造价及广泛利用。

　　随着碳纤维制备技术、碳纤维表面处理技术的进一步发展，环氧树脂/碳纤维复合材料的综合性能还将会得到提高，并将极大地推动环氧树脂/碳纤维复合材料的发展,并有效地拓宽环氧树脂/碳纤维复合材料的应用领域。目前，国家已在战略层面上加强了对碳纤维产业的重视和扶持，并构建平台，大力开展产学研合作模式以推动上游生产工艺改良和下游制造与应用。