张铭继 魏尚武 苟东旭
西安中车永电捷力风能有限公司,山西 永济 044502
摘要：碳纤维是一种含碳量在95%以上的特种纤维。它具有强度高、重量轻、耐疲劳、耐腐蚀、导电导热、电磁屏蔽等优异性能，外观柔软，可加工成各种面料及高强度工业用品等。根据加工原料的不同，碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维等。市场上90%以上的碳纤维是由聚丙烯腈纤维在高温惰性气体环境中氧化碳化制成的无机聚合物纤维。
关键词：碳纤维；树脂基复合材料；改性方法；应用；
碳纤维增强树脂基复合材料因其所具有的物理和力学性能都很优异而被广泛应用在了航空航天、交通运输以及电子行业等多个领域的结构件制造。本文分析了碳纤维增强树脂基复合材料表面改性方法和应用现状，希望能够给读者提供一些借鉴和参考。
一、碳纤维增强树脂基复合材料表面改性方法
1.涂层法。涂层法主要是在纤维表面形成一种能够与增强纤维和树脂基体发生物理化学作用的，具有一定结构、厚度和剪切强度的中间层，进而实现复合材料的界面增强。针对不同的树脂基体与增强纤维，可以通过表面涂层技术设计不同的涂层结构，因此该处理方法具有较大的灵活性，常见的有上浆剂处理、偶联剂涂覆、聚合物涂层、气相沉积等。
2.氧化法。氧化法是一种针对碳纤维的表面处理技术，主要有液相氧化法、气相氧化法、阳极氧化法等。液相氧化法通常是将碳纤维浸泡在硝酸、硫酸、磷酸、过氧化氢、氨水等具有氧化性的溶剂中进行氧化处理。随着反应时间的增加，纤维表面产生不同浓度的含氧官能团，同时纤维表面的粗糙度及比表面积也因刻蚀而增大。ＷＵ等采用ＨＮＯ３溶液对碳纤维进行氧化处理，研究发现，随着氧化时间的延长ＣＦ表面的酸性基团增多；但同时纤维的拉伸强度下降，质量有所损失。
3.高能辐射处理。高能辐射处理的原理是利用高能射线（如电子束、射线、Ｘ射线、紫外线等）发出的微粒子或者等离子体轰击纤维的表面，在纤维表面产生化学反应活性自由基或接枝活性官能团，通过在纤维表面与树脂基体间产生化学键合作用，提高树脂基体对碳纤维的润湿性。
二、碳纤维增强树脂基复合材料的应用
1.航空航天领域应用。传统的飞机零部件以铝、钛合金材料为主，碳纤维增强树脂基复合材料因具有高强轻质、耐高温、耐疲劳的优势，近年来，碳纤维增强树脂基复合材料在以安全性和经济性为目标的民用飞机中的应用也取得了一定进展。世界两大飞机制造巨头波音和空客公司，先后推出了以先进的碳纤维增强树脂基复合材料为主受力结构件的商用飞机，波音787机体的碳纤维增强树脂基复合材料用量占比高达50%，采用T800级别碳纤维增韧环氧树(T800S-3900-2B)制作机身和机翼，运行时可降低空气阻力，延长机体寿命，提高疲劳强度，同时节省燃油消耗。国内中国商用飞机有限责任公司C919客机中的中央翼、襟翼等部件均采用碳纤维增强树脂基复合材料，克服了结构复杂、外形公差等技术难关，但碳纤维增强树脂基复合材料质量仅占飞机结构总质量的12%。在航天方面，碳纤维增强树脂基复合材料制作的洲际导弹的鼻锥和翼尖，热力学性能优异，防热效果好，可保持航空器的气动外形，降低非制导误差;碳纤维增强树脂基复合材料制作的导弹发动机壳体在满足减重需求的前提下，提高了导弹的射程，具有质量轻、体积小、射程远等优势;碳纤维增强树脂基复合材料制作的卫星结构件，承重能力强，在减重的同时节省燃料，且在高低温环境中变形量极小。
2.医疗器械领域应用。
碳纤维增强树脂基复合材料在医疗领域的应用基本可分为两类:一类是用于治疗、替代人体某个器官组织，修补人体病变缺陷;另一类是用于制作医疗用品、医疗器械设备及相关的配套设施。碳纤维因化学性质稳定，不会与液体产生化学反应，也不会挥发有毒物质，并具有良好的血液相容性，可以植入人体取代部分发生病变的器官。碳纤维增强树脂基复合材料制作的人工骨、关节、韧带、腱、假肢等人体器官，可以与人体的其他组织产生共融。医疗设备因自身的特殊性，要求设备材料满足多样化的性能要求，即在X射线透过性能好、频率高的前提下，尽量降低放射性物质对患者及医护人员的伤害。碳纤维X射线透过性好，可以完全穿透人体，并经多次转换后得到高清晰的图像。部分医疗设备厂商采用碳纤维泡沫夹层结构，即使用碳纤维/环氧树脂预浸料，按照一定的铺层设计，使用金属模具热压成型方式，与泡沫进行共固化，制作了CT床板、DＲ平板、血管造影手术床等多功能床面板。与传统的铝合金属板相比，碳纤维床面板平整光滑，质轻抗压，具有高分辨率，高探测率，高转换率等优点，预计将会成为新一代数字影像设备配套板材的首选。此外，利用碳纤维轻质高强的优势，还可以生产医疗头枕、腰板、护脚、担架等医疗设备，降低医疗器械质量，提高器械便携程度和诊断精度。
3．轨道交通领域应用。为实现低碳环保、节能降耗的目标，轨道交通轻量化的设计理念应运而生。与传统的镁、铝合金相比，碳纤维增强树脂基复合材料因质量轻、强度高、抗疲劳、耐腐蚀等性能成为设计首选材料。21世纪碳纤维增强树脂基复合材料在轨道交通领域得到广泛的推广，法国研制的TGV挂车，韩国开发的TTX摆式列车车体均以不锈钢为骨架，用碳纤维蜂窝夹层结构制作顶盖和墙体，质量比采用铝合金材料降低40%，并且车体的静强度、安全系数、阻燃性均符合指标要求，现已批量化生产并运营。目前，国内碳纤维增强树脂基复合材料在轨道交通中的应用仍然是以转向架、轮架体、司机台、座椅等非主承载结构件为主，而在大型主承载力结构件方面的应用则寥寥无几。
4.风电领域应用。随着风电行业商业化及市场竞争的不断加剧，风机叶片正逐步向大型化、轻量化的方向发展。而对于功率5 MW(长度40 m)以上机型的风机叶片，玻璃纤维材质的叶片已无法满足性能需求，且叶片的质量剧增会导致生产成本提升。碳纤维具有轻质高强的特性，碳纤维增强树脂基复合材料叶片不但满足强度和刚度要求，而且可降低风机负载，提高叶片抗疲劳性能，提升风能利用率。传统风机叶片的制作主要采用手糊成型，操作简单，但质量及效率低下。即以碳纤维为加工原材料，拉挤成型为一定厚度的碳纤维板材预制体，然后将预制体重叠铺放固定于相应的壳体模具中，与壳体、辅料采用ＲTM工艺进行一体化成型，具有效率高、成本低等特点。但中国相关叶片的复合材料技术、设备不完善，自动数字化设施相对简单，尚处于研究创新阶段。
5.体育休闲领域应用。碳纤维在体育休闲领域应用最多的是渔具行业，碳纤维增强树脂基复合材料鱼竿占市场总量90%以上，高强轻质、抗疲劳的特性已成为现代鱼竿行业的硬性指标。采用碳纤维增强树脂基复合材料制作自行车车架和车轮，可降低车体的质量和阻力，提高安全度和舒适度;此外，碳纤维增强树脂基复合材料自身具备可设计性，可提高自行车的功能性和新颖性，满足多样化的设计要求。采用碳纤维材质制作的高端球拍在比赛中面对复杂的环境及工况，不仅满足弯曲强度的要求，具备良好的刚度和弹性，而且球拍的舒适度高，不易变形。
总之，碳纤维增强树脂基复合材料的发展需要国家、企业的共同努力与支持:加强碳纤维领域专业人才的培养和引进力度，组织并创建研发团队，提供专业装备的配套设施服务，鼓励参与项目研发设计，降低生产成本，提高产品质量;加大对国产碳纤维企业的扶持力度，提升企业的自主创新能力，扩大国产纤维的推广、宣传力度，尽快实现国家装备材料的国产化;加强碳纤维基础性的应用研究，扩大碳纤维市场的开发力度;拓宽碳纤维增强树脂基复合材料的应用领域，重点推进碳纤维增强树脂基复合材料在工业领域、建筑工程、海洋领域的开发及应用。
参考文献：
［1］张颖．碳纤维及其复合材料发展现状．2019．
［2］王鹤轩．浅谈碳纤维增强树脂基复合材料的最新应用现状.2020.