韓克清，嚴(yán) 斌，田銀彩，榮懷萍，余木火

(東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620)

1 前言

人類(lèi)的發(fā)展歷史與材料進(jìn)步密切相關(guān)，今天的“鋼”時(shí)代之后，會(huì)是什么材料?復(fù)合材料是有力的候選材料。碳纖維復(fù)合材料是材料輕量化進(jìn)程中最成功的典型代表，但碳纖維的高成本限制了其大規(guī)模取代鋼材。如果碳纖維復(fù)合材料的成本能夠與鋼材相近(相同效果)，人類(lèi)就可能進(jìn)入全新的輕量化新材料時(shí)代。因此，碳纖維低成本化成為世界各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

碳纖維是一種以聚丙烯腈(PAN)、瀝青、粘膠纖維等人造纖維或合成纖維為原料，經(jīng)預(yù)氧化、碳化、石墨化等過(guò)程制得含碳量達(dá)90%以上的無(wú)機(jī)纖維材料，具有質(zhì)輕、高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，是航空航天、國(guó)防軍事工業(yè)不可或缺的工程材料，同時(shí)也是民用工業(yè)更新?lián)Q代的新材料。其中，由于聚丙烯腈纖維制得的碳纖維綜合性能好，并且易于連續(xù)性大規(guī)模生產(chǎn)，因此聚丙烯腈基碳纖維在碳纖維市場(chǎng)一直占領(lǐng)先地位，特別是在制備高性能碳纖維方面，已占到碳纖維總產(chǎn)量的75%以上[1]。而碳纖維復(fù)合材料在大型飛機(jī)、風(fēng)力發(fā)電葉片、汽車(chē)部件、石油開(kāi)采抽油桿、電力輸送電纜等領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)推動(dòng)節(jié)能減排的實(shí)現(xiàn)，但是由于碳纖維及其復(fù)合材料的生產(chǎn)成本較高而限制了其使用范圍。碳纖維復(fù)合材料的高成本主要集中PAN原絲的生產(chǎn)成本較高、生產(chǎn)流程長(zhǎng)和復(fù)合材料制備成本高等方面，因此低的原絲成本與先進(jìn)的加工技術(shù)將會(huì)在很大程度上降低碳纖維復(fù)合材料的成本，從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。在節(jié)能減排和環(huán)保的低碳經(jīng)濟(jì)全球化的今天，低成本碳纖維及其先進(jìn)的復(fù)合材制備技術(shù)將成為研究的熱點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外很多國(guó)家都已致力于開(kāi)發(fā)低成本碳纖維及其復(fù)合材料，如日本三菱和東麗公司開(kāi)發(fā)了大絲束碳纖維;美國(guó)開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的碳纖維制備技術(shù)并尋求PAN以外的原料來(lái)制備碳纖維;中國(guó)也開(kāi)始研究低成本碳纖維的制備及先進(jìn)的復(fù)合材料制備技術(shù)以求降低碳纖維復(fù)合材料的成本。本文主要針對(duì)碳纖維的低成本制備技術(shù)及低成本的復(fù)合材料制備等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行概述和分析。

2 碳纖維低成本制備技術(shù)

PAN基碳纖維的制備一般要經(jīng)過(guò)聚合、紡絲、熱穩(wěn)定化和碳化四大工藝過(guò)程。其中，聚丙烯腈原絲一般是通過(guò)溶液紡絲(濕法紡絲和干噴濕紡)方法制備的，在制備過(guò)程中需要用到大量的有毒或腐蝕性的化學(xué)溶劑，而且在生產(chǎn)過(guò)程中必須進(jìn)行溶劑的回收和凈化、纖維水洗和干燥及“三廢”處理等，存在流程長(zhǎng)，紡絲成形復(fù)雜，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，“三廢”污染嚴(yán)重和成本高等問(wèn)題。另外，熱穩(wěn)定化過(guò)程是一個(gè)非常重要的階段，起到了中間橋梁的作用，但是需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能完成，并且碳化和石墨化是碳纖維形成的主要階段，需要在惰性氣體中對(duì)預(yù)氧化纖維進(jìn)行高溫處理，因此導(dǎo)致了碳纖維成本較高，最終限制了碳纖維的使用。從碳纖維制造工藝的分擔(dān)成本表(表1)[2]中可以清晰地看出，目前碳纖維的高成本主要集中在原絲的制備和制備周期長(zhǎng)兩個(gè)方面，故主要從降低原絲成本和縮短工藝流程方面進(jìn)行考慮。

表1 碳纖維各制造工藝分擔(dān)成本Table 1 Casts shared in fabrication technologies of carbon fibers

2.1 聚合

聚合涉及傳熱、傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)等諸多問(wèn)題，決定著原絲的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能[3]，對(duì)碳纖維最終的性能也起著決定性的影響。

2.1.1 快速聚合制備PAN

利用雙螺桿連續(xù)反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了PAN紡絲原液連續(xù)、快速制備，并且產(chǎn)物的分子量分布較窄，分子鏈結(jié)構(gòu)均勻。該方法可以克服傳統(tǒng)的溶液聚合方法制備PAN過(guò)程中出現(xiàn)的由于體系粘度比較大而導(dǎo)致傳質(zhì)、傳熱困難、分子量分布較寬及分子鏈結(jié)構(gòu)難以控制等問(wèn)題。

2.1.2 制備改性PAN

在聚合的過(guò)程中通過(guò)加入新的單體來(lái)改善PAN的性能或降低其制造成本。Cupta等人[4－5]研究了酸性共聚物對(duì)PAN熱穩(wěn)定化性能的影響，發(fā)現(xiàn)酸性單體的加入不僅可以寬化放熱峰，分散放熱，有效控制預(yù)氧化，還可以在較低的溫度下引發(fā)環(huán)化反應(yīng)和促進(jìn)氧的滲透，從而加速預(yù)氧化反應(yīng)。Amit等人[6]在聚合過(guò)程中加入了第三單體二苯甲酮丙烯酰(ABP)，該單體在紫外光的輻照下可以產(chǎn)生自由基，引發(fā)環(huán)化和交聯(lián)反應(yīng)，加速預(yù)氧化。Sanjeev等人[7]通過(guò)自由基聚合反應(yīng)，合成了木質(zhì)素－聚丙烯腈雜化共聚物作為碳纖維的前驅(qū)體原料，可大幅度降低碳纖維前驅(qū)體的生產(chǎn)成本。

2.2 原絲

由于PAN原絲占到碳纖維生產(chǎn)成本的51%，所以開(kāi)發(fā)出廉價(jià)的原絲是制備低成本碳纖維的一個(gè)關(guān)鍵。接下來(lái)將會(huì)從以下幾個(gè)方面對(duì)低成本的原絲開(kāi)發(fā)進(jìn)行闡述。

2.2.1 紡絲工藝

目前，PAN原絲的制備一般是通過(guò)溶液紡絲方法制備，在制備過(guò)程中需要用到大量的有毒或腐蝕性的化學(xué)溶劑，而且在生產(chǎn)過(guò)程中必須進(jìn)行溶劑的回收和凈化、纖維水洗和干燥及“三廢”處理等。然而通過(guò)熔融紡絲工藝制備PAN原絲不僅可以提高紡絲速度，大大縮短工藝流程，降低生產(chǎn)成本[8－9]，還可以制備出表面光滑，致密，徑向分布均勻，無(wú)皮芯結(jié)構(gòu)，缺陷少的高質(zhì)量原絲。這些優(yōu)點(diǎn)可以克服皮層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，氧擴(kuò)散阻力大和難以高倍拉伸的缺點(diǎn)。

目前，東華大學(xué)的余木火教授已通過(guò)熔融紡絲工藝成功制備出了PAN原絲(如圖1所示)，紡絲速度達(dá)到了500～1 000 m/min，為高性能和低成本碳纖維的制備邁出了重要的一步。從圖2可以看出，熔紡制備的PAN纖維不僅表面光滑，無(wú)溝槽，而且截面為圓形，徑向結(jié)構(gòu)均勻，無(wú)皮芯結(jié)構(gòu)，適合制備高性能碳纖維。圖3為熔紡PAN纖維與市售原絲應(yīng)力－應(yīng)變曲線的對(duì)比。此外，熔紡PAN纖維還具有某種特殊的結(jié)構(gòu)，在預(yù)氧化過(guò)程可以分散放熱，降低環(huán)化反應(yīng)溫度，并可促進(jìn)預(yù)氧化過(guò)程，縮短預(yù)氧化時(shí)間，進(jìn)一步降低碳纖維制備成本。

2.2.2 新原料

聚丙烯腈纖維作為高性能碳纖維的原絲，其原絲成本較高，因此有必要開(kāi)發(fā)出新的原材料來(lái)代替PAN原絲。如采用可再生的木質(zhì)素，廉價(jià)的瀝青以及低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯等其他聚烯類(lèi)高分子材料來(lái)制備碳纖維原絲。其中，瀝青由于具有資源豐富，價(jià)格低廉，含碳量高且碳收率高的優(yōu)勢(shì)，使得瀝青基碳纖維具有較低的成本、卓越的競(jìng)爭(zhēng)力和樂(lè)觀的發(fā)展前景[10－11]。

圖3 不同PAN原絲的應(yīng)力－應(yīng)變曲線:(a)熔紡原絲，(b，c)市售A公司和B公司原絲Fig.3 Stress-strain curves of different PAN precursors:(a)melt-spun PAN fiber and(b，c)two kinds of commercial PAN original fibers

現(xiàn)在世界上生產(chǎn)瀝青碳纖維的主要公司有:日本吳羽化學(xué)公司、日本三菱化成和美國(guó)Amoco公司，其規(guī)模分別為通用級(jí)短纖維900 t/a，高性能長(zhǎng)纖維500 t/a，高性能長(zhǎng)纖維240 t/a。另外一些大化學(xué)公司、石油公司和鋼鐵企業(yè)都著眼于焦油和瀝青等副產(chǎn)物的有效利用和碳纖維市場(chǎng)，進(jìn)行著瀝青碳纖維的研究開(kāi)發(fā)，伺機(jī)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化[12]。目前，三菱化學(xué)公司生產(chǎn)的高模量瀝青基碳纖維主要應(yīng)用于大型羅拉、人造衛(wèi)星部件、橋墩及土木建筑工程用的補(bǔ)強(qiáng)材料。日本石墨纖維公司生產(chǎn)的高模量碳纖維，主要用于土木建筑、航空航天、體育休閑，其中補(bǔ)強(qiáng)道路路面和建筑物橫梁領(lǐng)域，在日本現(xiàn)有數(shù)百?lài)嵉男枨罅?，?lè)觀預(yù)測(cè)將有10倍的潛在需求。然而，高性能瀝青基碳纖維50%以上用于航空航天領(lǐng)域，今后從輕量化和減震、防震的觀點(diǎn)看，其應(yīng)用會(huì)擴(kuò)大到鐵道車(chē)輛和汽車(chē)領(lǐng)域中。我國(guó)目前共有3套百?lài)嵓?jí)通用瀝青碳基纖維生產(chǎn)線，總產(chǎn)能為400～500 t/a[13]。我國(guó)碳纖維使用的數(shù)量、應(yīng)用的深度與廣度與世界先進(jìn)國(guó)家和地區(qū)相比，還有較大的差距。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，瀝青基碳纖維因生產(chǎn)成本低、市場(chǎng)價(jià)格低廉，發(fā)展前景十分可觀。

木質(zhì)素是一種廣泛存在大自然中的可再生綠色材料。它不僅價(jià)格低廉、含碳量高，而且還可通過(guò)熔融紡絲進(jìn)行加工，是制備低成本碳纖維的良好材料。木質(zhì)基碳纖維正作為一種新型的碳纖維逐漸進(jìn)入人們的視野[14]。2007年，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)首次從纖維素乙醇副產(chǎn)物所提取的α-纖維素，通過(guò)熔紡和碳化而制備成低成本碳纖維，這種碳纖維就是木質(zhì)素碳纖維，但迄今尚未產(chǎn)業(yè)化[15]。Sanjeev等人[7]對(duì)木質(zhì)素和PAN的共聚物作為原料通過(guò)濕紡、預(yù)氧化和碳化也制備出了低成本碳纖維。日本森林綜合研究所與北海道大學(xué)農(nóng)學(xué)研究院成功地開(kāi)發(fā)出由杉樹(shù)等針葉林的木質(zhì)素制備碳纖維技術(shù)，木質(zhì)素碳纖維的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到以往以石油為原料的通用級(jí)碳纖維的水平，制造成本也大體相同[16]。此外，德國(guó)紡織技術(shù)與化纖研究所(IFCF)與西格里集團(tuán)(SGL)成功研發(fā)了一種新型的聚合物原絲，對(duì)該原絲進(jìn)行碳化后可制得適用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的高性能CF。

2.2.3 新溶劑

如果能夠開(kāi)發(fā)出新型環(huán)保的綠色溶劑取代傳統(tǒng)的有毒的有機(jī)溶劑來(lái)制備PAN纖維，不僅會(huì)減輕生產(chǎn)過(guò)程中的污染，還將會(huì)大大降低碳纖維原絲的制備成本。其中，離子液體作為一種新型綠色的環(huán)保溶劑[17]，逐漸被研究者作為聚丙烯腈溶液紡絲的溶劑來(lái)研究使用，如鄭偉等人[18]對(duì)PAN在離子液體中的溶解性能研究表明，聚丙烯腈在離子液體[BMIM]C1中的溶解度可以達(dá)到10%以上，為下一步進(jìn)行PAN/離子液體體系濕法紡絲奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

2.2.4 服用級(jí)大絲束PAN

服用級(jí)PAN是指適于制造服裝級(jí)別的PAN纖維。大絲束碳纖維是指每束碳纖維的根數(shù)等于或大于46～48 k的碳纖維[19]。大絲束碳纖維一般是由民用 PAN制備，價(jià)格只有制備小絲束碳纖維所需特種原絲價(jià)格的25%，在性能相當(dāng)?shù)那疤嵯?，其成品價(jià)格要比小絲束碳纖維低30%～50%，在民用行業(yè)有很大的潛力[20]。PAN基大絲束碳纖維由美國(guó)Fortail和卓爾泰克(Zoltek)公司商品化。美國(guó)卓爾泰克、阿克蘇、阿爾笛拉以及德國(guó)西格里集團(tuán)是世界大絲束碳纖維主要的四大生產(chǎn)公司。對(duì)比大絲束和小絲束，在原絲生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備造價(jià)基本相同，而在碳化過(guò)程中小絲束的控制反而要求得更加嚴(yán)格，導(dǎo)致了小絲束碳化設(shè)備的造價(jià)又高得多。

美國(guó)卓爾泰克公司近年來(lái)在PAN原絲的研究上取得了突破，成功地采用一般紡織工業(yè)用的聚丙烯腈，生產(chǎn)性能與T300相當(dāng)?shù)腜AN-EX33碳纖維，將面向汽車(chē)工業(yè)方面應(yīng)用。此外該公司還與荷蘭世界葉片公司簽訂協(xié)議，用大絲束碳纖維設(shè)計(jì)并制造風(fēng)力發(fā)電葉片。2007年1月，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)赫克塞爾公司基于紡織級(jí)PAN作為原絲開(kāi)發(fā)低成本碳纖維[21]。德國(guó)西格里集團(tuán)(SGL)碳纖維公司于2009年11月30日宣布，該公司所產(chǎn)50k大絲束碳纖維已被德國(guó)勞氏船級(jí)社風(fēng)能有限公司(GL Wind)驗(yàn)證批準(zhǔn)，用于制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片。SGL集團(tuán)工業(yè)級(jí)碳纖維品名為SIGRAFIL C30T050EPY，這是第1個(gè)也是唯一的大絲束碳纖維，被GL Wind正式批準(zhǔn)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)行業(yè)使用。三菱麗陽(yáng)公司于2010年7月11日宣布，決定在日本大行投資1.35億美元新建碳纖維裝置生產(chǎn)高性能大絲束碳纖維，主要用于工業(yè)行業(yè)，生產(chǎn)碳纖維能力為2.7 kt/a。此外，日本三菱人造絲公司還與德國(guó)西格里集團(tuán)建立了行業(yè)聯(lián)盟，為西格里集團(tuán)生產(chǎn)的碳纖維提供原絲，德國(guó)西格里集團(tuán)則生產(chǎn)大絲束碳纖維，供應(yīng)德國(guó)寶馬公司，用于制造碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)部件，以滿(mǎn)足生產(chǎn)寶馬電動(dòng)汽車(chē)的需要[22]。最值得我們注意的是，土耳其的AKSA公司發(fā)揚(yáng)公司在碳纖維原絲方面的優(yōu)勢(shì)開(kāi)發(fā)的低成本大絲束碳纖維在短短幾年內(nèi)就立足于碳纖維市場(chǎng)。

2.3 預(yù)氧化

預(yù)氧化在碳纖維制備過(guò)程中起到承上啟下的作用，是非常關(guān)鍵的一步。由于預(yù)氧化工藝時(shí)間長(zhǎng)，能耗大，占到整個(gè)碳纖維生產(chǎn)成本的16%，因此縮短生產(chǎn)周期，減少能耗對(duì)降低成本具有重大意義。

2.3.1 先進(jìn)的預(yù)氧化工藝

Oak Ridge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出了一種能夠更高產(chǎn)和更迅速連續(xù)氧化的高速氧化方法，即交聯(lián)聚丙烯腈基碳纖維加工過(guò)程，使其固有的獨(dú)特直鏈能經(jīng)受住高溫加工過(guò)程。在此工藝中，PAN原絲經(jīng)歷一熱化學(xué)穩(wěn)定過(guò)程，然后通過(guò)專(zhuān)有的氧化組件迅速氧化，這樣，氧化穩(wěn)定時(shí)間就縮短到常規(guī)方法所需時(shí)間的三分之一[23]。美國(guó)Litzler公司也改進(jìn)了其預(yù)氧化系統(tǒng)，其中包括獨(dú)有的橫向熱氣流技術(shù)及擁有專(zhuān)利的爐兩端出口處的氣密系統(tǒng)，預(yù)防冷空氣滲入爐內(nèi)，并提供穩(wěn)定的空氣流和均一的溫度，減少逸出的排出物?？捎脕?lái)加工1～350 k的絲束，進(jìn)口絲束寬度可達(dá)4 m[16]。美國(guó)Happer公司也自行開(kāi)發(fā)了創(chuàng)新型的預(yù)氧化爐，使?fàn)t內(nèi)溫度的均勻性有所提高。采用新型的等離子體能源代替能耗大的低溫預(yù)氧化技術(shù)，既可有利于能耗的減少，還有利于高速預(yù)氧化過(guò)程中的操作[24]。

2.3.2 原絲化學(xué)改性

近年來(lái)， 許多學(xué)者[25－26]通過(guò)采用CuCl，C6H5COOH，KMnO4，CoCl2等有機(jī)物和無(wú)機(jī)物對(duì)PAN原絲進(jìn)行化學(xué)改性，不僅可以降低環(huán)化溫度，提高預(yù)氧化速度和降低成本，還可以提高最終碳纖維的性能。王延相等人[27]證實(shí)了用KMnO4水溶液對(duì)聚丙烯腈原絲進(jìn)行處理后，環(huán)化溫度降低了大約20℃。用醋酸水溶液對(duì)原絲進(jìn)行浸泡處理后，可形成對(duì)環(huán)化反應(yīng)具有催化作用的共軛結(jié)構(gòu)，從而降低環(huán)化反應(yīng)活化能，提高預(yù)氧化速度，并降低成本。此外，三菱麗陽(yáng)選用甲基丙烯酸2-羥乙基作為共聚單體，經(jīng)水相聚合后溶于二甲基乙酰胺中制成單絲細(xì)度為2dtex以上的36 k以上大絲束PAN原絲后，用硝基系或醌系化合物等氧化劑熱處理后，就可在270℃預(yù)氧化14 min而制成均質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)氧化纖維[28]。

2.3.3 輻照穩(wěn)定化

輻照穩(wěn)定化是指通過(guò)射線輻照PAN原絲，使其在常溫下發(fā)生環(huán)化、交聯(lián)，從而降低預(yù)氧化活化能，分散放熱，提高預(yù)氧化速度。近年來(lái)，很多文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道了輻照誘導(dǎo) PAN 發(fā)生交聯(lián)環(huán)化[6，29－37]。輻照可以使 PAN上產(chǎn)生自由基，這些自由基將引發(fā)環(huán)化和交聯(lián)反應(yīng)，從而達(dá)到穩(wěn)定化的效果。采用的射線主要有 UV[6，29－30]，γ-射線[31－35]和電子束[36－37]。如 Amit等人在聚丙烯腈三元共聚物中加入了第三單體為紫外光敏感劑，經(jīng)紡絲得到的原絲通過(guò)紫外照射穩(wěn)定化后[6]，易于碳化且穩(wěn)定，大大降低了聚丙烯腈基碳纖維的生成成本。

2.4 碳化

碳化是制備碳纖維的最后一步，也是最關(guān)鍵的一步，需要的能耗也很大，占到生產(chǎn)成本的23%，因此，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的碳化設(shè)備及碳化工藝對(duì)制備高性能及低成本的碳纖維有著重大的意義。日本三菱人造絲公司研發(fā)出了新型碳化爐，該碳化爐可抑制碳化反應(yīng)生成的分解物附著和堆積于爐壁和纖維上，從而穩(wěn)定高效地生產(chǎn)高強(qiáng)高模的碳纖維。Sung等人[38]對(duì)PAN原絲在1 172℃進(jìn)行碳化時(shí)，沿纖維主軸平行方向施加強(qiáng)度為5 T的高磁場(chǎng)后，所制得的碳纖維抗拉強(qiáng)度提高了14%，并縮短了碳化時(shí)間和降低了碳化溫度。ORNL的研究人員還研發(fā)了微波輔助等離子體技術(shù)來(lái)取代傳統(tǒng)的低、高溫碳化爐(如圖4)，以超過(guò)160 inch/min的速度來(lái)處理預(yù)氧化纖維。

圖4 微波輔助等離子碳化爐Fig.4 Microwave assisted plasma carbonization furnace

3 碳纖維復(fù)合材料低成本制備技術(shù)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高成本還來(lái)自于復(fù)合材料的制造成本。在碳纖維復(fù)合材料的制件中，碳纖維和樹(shù)脂等材料成本一般只占到25～30%，而復(fù)合材料構(gòu)件的制造成本卻占到了70～75%，因此復(fù)合材料的低成本制備技術(shù)是擴(kuò)大碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用范圍的核心。國(guó)外發(fā)展的復(fù)合材料低成本制造工藝技術(shù)主要有:自動(dòng)鋪帶技術(shù)、纏繞技術(shù)、拉擠成形技術(shù)、采用大絲束纖維以及RTM(Resin Transfer Molding)、RFI(Resin Film Infusion)、電子固化等成形技術(shù)[39]。

3.1 RTM/RFI工藝

RTM是一種低壓液體閉模成形技術(shù)，已成為復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的主要發(fā)展方向。該工藝在制備復(fù)合材料制品時(shí)，不需要制備預(yù)浸料，只需在陰模上鋪放增強(qiáng)材料至所定厚度后，在陰模周?chē)难b有樹(shù)脂和固化劑的槽加壓供樹(shù)脂，從陰模頂部抽真空，至吸出的樹(shù)脂中沒(méi)有氣泡為止，然后加熱固化。它具有模具造價(jià)低，生產(chǎn)周期短，勞動(dòng)力成本低，環(huán)境污染少，制造尺寸精確，外形光滑，可制造復(fù)雜產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)[40]。RFI是由RTM發(fā)展起來(lái)的一種新的工藝，它比RTM更優(yōu)越，采用傳統(tǒng)的真空袋壓成形方法，避免了RTM工藝所需的樹(shù)脂計(jì)量注射設(shè)備和雙面模具的加工，大大降低了成本。

3.2 自動(dòng)鋪放技術(shù)

自動(dòng)鋪放成形技術(shù)包括自動(dòng)鋪放絲束成形技術(shù)和自動(dòng)窄帶鋪放成形技術(shù)，是在已有纏繞和自動(dòng)鋪放基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種全自動(dòng)制造技術(shù)[41]。但由于傳統(tǒng)的自動(dòng)化鋪層技術(shù)，難于自動(dòng)化機(jī)械操作纖維片材，限制了其應(yīng)用范圍，只有飛機(jī)制造等對(duì)纖維片材的疊層準(zhǔn)確性要求很高的高端行業(yè)才能夠采用昂貴的纖維自動(dòng)化鋪層設(shè)備，因而在復(fù)合材料行業(yè)中，將纖維片材疊層到板和制品的層合過(guò)程多采用手工疊層，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)成本高。無(wú)錫(江陰)安飛纖維材料科技有限開(kāi)發(fā)出的韓氏三維織物(Han-3D-Fabrics)和韓氏三維復(fù)合材料(Han-3D-Composites)實(shí)現(xiàn)了低成本化的自動(dòng)鋪層技術(shù)[42]。該公司在世界上首次將纖維粘帶技術(shù)與復(fù)合材料相結(jié)合，高效低成本制成了三維骨架材料和三維復(fù)合材料，并成功地實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)纖維在復(fù)合材料基體中的二維鋪設(shè)向三維鋪設(shè)轉(zhuǎn)變。該技術(shù)不僅可以顯著提高復(fù)合材料關(guān)鍵性能，還大大提高了復(fù)合材料的生產(chǎn)效率，降低復(fù)合材料的生產(chǎn)成本。如把該技術(shù)應(yīng)用在風(fēng)能發(fā)電葉片上，可低成本實(shí)現(xiàn)葉片的纖維自動(dòng)化鋪層，提高鋪層準(zhǔn)確性，提高鋪層效率40%～80%，提高葉片模具的周轉(zhuǎn)效率40%以上。此外，新型三維纖維的疊層可以不在模具內(nèi)進(jìn)行，而在模具形狀的普通支架上鋪層獲得纖維預(yù)制件，然后將三維纖維預(yù)制件整體移入模具。由于新型三維復(fù)合材料還易于疊層操作，可實(shí)現(xiàn)疊層自動(dòng)化，極大地提高了疊層效率，所以也特別適合于汽車(chē)這種大規(guī)模生產(chǎn)。

3.3 纖維纏繞、拉擠成形

纖維纏繞是筒形件的低成本制造方法。而拉擠成形由于在生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有邊角廢料，生產(chǎn)效率高，并可以節(jié)省原料和能耗，也是制造復(fù)合材料的一種低成本方法[43]。

3.4 電子束固化

電子束固化是一個(gè)利用高能高聚集度的電子束來(lái)固化樹(shù)脂基復(fù)合材料的過(guò)程，是低成本制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的新方法。該技術(shù)與傳統(tǒng)的熱壓罐固化技術(shù)相比，不需要熱壓罐，也不需要高溫高壓，可在室溫下固化，且固化時(shí)間很短，這樣不僅降低了模具費(fèi)用，節(jié)省能耗，還可以減少由熱應(yīng)力而產(chǎn)生的部件翹曲和變形，更好的控制外形。電子束輻射固化也可以與樹(shù)脂傳遞模塑工藝相結(jié)合，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的生產(chǎn)效率，降低其成本[44]。另外，電子束固化與纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)結(jié)合，能夠成形大型整體部件，明顯減少部件、緊固件和模具的數(shù)量，是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)減重的重要措施，也是降低成本的一種有效方法[41]。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然碳纖維復(fù)合材料的成本主要包括碳纖維成本與復(fù)合材料制備成本，而復(fù)合材料制備成本將隨產(chǎn)能的提高而降低。因此，碳纖維制備成本是決定復(fù)合材料能否大規(guī)模取代鋼材的根本所在。從國(guó)家利益考慮，低成本碳纖維制備技術(shù)不能受制于其他國(guó)家，我國(guó)也應(yīng)該高度重視碳纖維的高效低成本制備新技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。

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