摘　要 ：聚丙烯晴基碳纤维(CF)通常以连续纤维和非连续纤维(长碳纤维、短切碳纤维及粉末碳纤维)进入后续的复合材料成形工艺与制备过程，并与树脂基体结合形成高性能的碳纤维增强(树脂基)复合材料。本研究课题主要研究长碳纤维(Long carbon fiber,LCF，10-25mm)N短切碳纤维(Short carbon fiber,SCF,2-3mm)增强(树脂基)复合材料(Polymer matrix composites)制备及应用技术。根据不同基体材料(热固性树脂，比如环氧树脂、聚氨酯、不饱和树脂等和热塑性树脂，比如PP、ABS、PA、PC、PEI、PI、PPS、PEEK等)，要求非连续碳纤维(No-continuous carbon fiber)以不同尺寸、含量、分布形状及不同界面与基体充分混合，分散均匀，并与基体形成增强结合力，从而使基体材料的力学性能及功能性得到提高。非连续碳纤维增强(树脂基)复合材料具有突出的性价比优势，因此能够很好地满足不同工业产品的轻质高强需求，特别在汽车轻量化复合材料设计与应用领域将获得巨大的市场发展容量。
关键词：非连续碳纤维，树脂基复合材料，性价比，汽车轻量化，性能提高

1　前言

　　近年来随着国内外碳纤维本身的售价大幅度下降，碳纤维复合材料制造技术逐渐趋于成熟，从而快速促进了碳纤维复合材料的研究与开发。经过多年发展，以碳纤维为主的连续碳纤维增强(树脂基)复合材料(CFRP)具有强度高、模量大、密度小、抗疲劳性能好、振动变形性能小、耐化学腐蚀等显著优点，使其在不同工业产品中得到越来越广泛的设计与应用。特别在汽车的轻量化已经成为发展趋势，尤其是新能源汽车，在电池技术的现有发展阶段更急需轻量化材料的解决方案，碳纤维复合材料从技术上讲是汽车轻量化的佳选择。
　　聚丙烯晴基碳纤维(CF)通常以连续态和非连续态(长碳纤维、短切碳纤维及粉末碳纤维)进入后续的复合材料成形工艺与制备过程中形成复合材料。连续碳纤维增强(树脂基)复合材料(CFRP)的性能非常优良，但存在成本高、成型工艺复杂、性价比过高，这些不足之处极大地影响了在民用工业领域的广泛推广和应用。由于CFRP复合材料基本是针对终应用进行量身定制的，从高强高模碳纤维到工程应用，整个开发与应用周期较长。只有学习其他材料的成功应用经验，把碳纤维复合材料做成标准的工业原材料，才能方便和迅速扩大应用市场。碳纤维产业正处于快速发展时期，其性能与品质与碳纤维工业发达存在一定差距，使用国产现有的碳纤维去直接替代成熟碳纤维的高端应用(如军机和航空工业)需要相当长期的验证过程，且成本高、用量少，所以必须另辟蹊径，尽快找出适合碳纤维和复合材料工业现状，同时又必须满足务实和可持续的发展道路来，加快产业化的升级转型。

2　非连续碳纤维增强(树脂基)复合材料(NCFRP)的分类

　　非连续碳纤维(长碳纤维Long carbon fiber,LCF，10-25mm和短切碳纤维Short carbon fiber,SCF 2-3mm)增强(树脂基)复合材料(No-continuous carbon fiber reinforced polymer matrix composites NCFRP，主要为SFT、LFT、SMC)是根据基体材料(热固性树脂和热塑性树脂)不同，以不同的非连续碳纤维尺寸、含量、纤维分布形状及不同的界面与之充分混合，分散均匀，与基体材料结合力强，并形成碳纤维网络结构对基体材料的力学性能及功能性能的有所显著提高，可以满足众多的民用工业产品对轻质高强的设计与应用要求，这是一种高性价比的高性能、低成本的高性能新型碳纤维复合材料，市场需求量巨大，远远要超过军工航空的需求量，近期已引起国内外的碳纤维企业和碳纤维复合材料工业界的高度重视和竞相开发，推广应用，抢占市场。
　　根据2013年国际数据公布，碳纤维产能中，短切碳纤维约占有7800吨，占碳纤维总需求量的18％碳纤维是通过非连续形态碳纤维进入后期的复合材料应用市场。目前，国际碳纤维巨头公司均有短切碳纤维产品出售，而在我国还处于空白：对处于发展期的碳纤维和复合材料工业，短切碳纤维是消化国产碳纤维使用的佳途径之一。这个非连续状态碳纤维主要是指：短切碳纤维(SCF)及长碳纤维(LCF)形态，可以分为三种主要类型：1)短切碳纤维增强塑料颗粒料(SFT)，2)长碳纤维增强塑料颗粒料(LFT)，31碳纤维片状模压热固塑料(SMC)，然后采用注塑成型及模压成型工艺，在加热条件下加工成民用工业产品零部件，并终应用在国民经济各个领域。

3　非连续碳纤维增强(树脂基)复合材料(NCFRP)的低成本化

　　聚丙烯晴基碳纤维(CF)是以连续态的生产出来的，而且CFRP复合材料体现了卓越的性能，为什么还需要把它切断，损失其力学机械性能呢?高强度高模量碳纤维的高端应用是航空航天及体育市场，其制作工艺是连续碳纤维与树脂基体紧密结合，先要变成预浸料，然后剪裁成型，后在模具铺放成一定厚度的复合壳体，抽真空后进入热烘箱或热压罐固化，在这个成形工艺之下，碳纤维及其树脂这些基础材料的成本大约为20-30％，而后续成形工艺的成本为70-80％，据统计，国际航空复合材料的成本为USD275-330元／公斤(国内成本更高)。CFRP复合材料的轻量化及卓越性能无疑是众多工业进步的佳材料选择，然而，对比金属材料制成零部件的低成本(比如汽车材料，基本是10-20元／公斤)，这个“贵族”材料让许多应用客户望而却步，很多民用工业用户提出：不需要那么卓越的高性能，能否降低一些性能指标和成本，这就给了NCFRP复合材料一个巨大的市场应用空间。
　　NCFRP复合材料是如何成为较低成本材料?对于CFRP复合材料，在复合材料中必须保持一个相当的碳纤维含量才能体现卓越的力学性能，通常碳纤维含量比例是50-60wt％，而对于NCFRP复合材料，这个比例是可以下降的，比如短切碳纤维增强塑料颗粒(SFT)，通常碳纤维含量比例是10-30wt％，这还不是主要的成本降低部分，主要成本降低是原材料后续的加工成形成本。CFRP复合材料是一个高人工、高能耗、低产能的成形工艺，虽然有进步，但是不能改变碳纤维预浸料需要与模具紧密贴合，预浸料的各向异性。碳纤维是刚性材料，不能塑性变形的根本要求，如改变这些就会极大地降低CFRP复合材料的卓越性能，这些约束是CFRP复合材料制造成本高的根本原因。然而，对于NCFRP复合材料，当基础复合材料(包括SFT、LFT、SMC片材)制备好后(这些制备工艺也是规模化工业)，进入的就是传统成形工艺，即注塑及模压成形工艺，常规金属及塑料的大规模成形工艺，就可以保证加工成本与金属、塑料一致，在原材料基础上，加上区区一点成本，就可以完成NCFRP复合材料零部件制造。所以，尽管NCFRP复合材料在力学机械性能上不能与CFRP复合材料相互比较，甚至可能要低许多，比如对于CFRP复合材料，保留与释放80-90％的纤维性能，才能体现优势，如碳纤维拉伸性能是4.9GPa做成的单向碳纤维预浸料，综合用30-40％环氧树脂，预浸料拉伸强度可以到碌纤维强度50％，即2.5GPa，这个时候，对碳纤维的性能及稳定性要求就非常高，而对于制备NCFRP复合材料，通常把4.9GPa的碳纤维拉伸强度降低到300MPa以内，此时复合材料的拉伸强度只用了碳纤维原始性能的10％以下，故碳纤维性能稳定性再不好，除以10-20，也大大消减了这个性能波动效应!另外，还有很大部分非连续碳纤维并不主要利用碳纤维的力学性能，而是利用其导电、导热性能，可以制备具有抗静电、导电、导热、电磁波屏蔽的功能化NCFRP复合材料。民用工业产品更注重的是选择性能与成本适合的材料，不可能一味向军工领域一样，追求“高、精、尖”材料使用。所以，一般的NCFRP复合材料就能够很好地满足民用工业产品的轻质高强需求，从而可以获得巨大的市场容量。

4　非连续碳纤维增强(树脂基)复合材料(NCFRP)制备技术

4.1　短切碳纤维增强塑料(SFT)制备技术
　　短切碳纤维并非只是把连续碳纤维切断这么简单，其核心技术上浆料技术的开发。目前，碳纤维短切生产技术主要掌握在国际碳纤维巨头厂家手中，国内尚未见成熟的制备技术，相关的机理研究也相当缺乏，国内仅见部分碳纤维短切产品也是通过手工剪、冲床剪等落后的加工方式生产，产品质量不如国外产品。
　　目前，拥有一套短切碳纤维的中试线以及浆料研发的团队，中试线具备每年300吨短切碳纤维的生产能力。同时，已完成了水溶性浆料-对应无机基体，聚氨酯浆料-对应热塑性树脂，尼龙浆料-对应高温热塑性树脂。短切碳纤维制备关键技术已经得到全面深入解决，申请“短切碳纤维工业化制备技术”发明：
　　1)表面浆料技术
　　2)均匀上浆技术
　　3)丝束不同截面成型技术
　　4)精确连续切断技术
　　5)车间防尘技术

　　短切碳纤维增强塑料(SFT)制备关键技术，已经得到全面深入解决：
　　1)高效碳纤维喂料技术
　　2)碳纤维均匀分散技术
　　3)控制剩余碳纤维长度技术
　　4)短切碳纤维维增强塑料(SFT)颗粒的注塑模具设计技术

4.2　长碳纤维增强塑料(LFT)制备技术
　　长碳纤维增强塑料(Long Carbon Fiber reinforced Thermoplastics，LFT)是和普通的短切碳纤维增强塑料(SFT)相比较而言的。通常情况下，短切碳纤维SFT塑料中的碳纤维长度为小于0.5mm，而在碳纤维LFT塑料中，碳纤维的长度一般大于2mm。目前的加工工艺，已经能够将LFT塑料中的碳纤维长度保持在10-15mm以上。长碳纤维经过专用的模具浸渍专用的树脂体系，得到被树脂充分浸润的长条，然后根据需要切成需要的长度。采用多的基体树脂是PP,其次是PA、PC、PBT、PPS、PEEK等树脂：根据终用途不同，成品可以是长条，也可以是带状、一定宽度的板子，甚至可以是棒状，直接用于取代热固性复合材料产品。
　　LFT塑料比聚合物基体和SFT塑料具有更广泛和优异的综合性能，由于LFT塑料成型制件中残留纤维长度大(2-15mm)，并且在注塑制件内可形成互相缠绕的三维网络结构，碳纤维增强效应更明显，阻燃性更佳，这是其性能比SFT塑料成型制件性能更优异的根本原因。近年来，国外科研单位、应用和工业公司对碳纤维LFT塑料进行了大量的研究、开发与工业化生产。“环保、节能、汽车轻量化”成为LFT塑料制备、制件设计与应用快速发展的主要推动力。
　　碳纤维LFT塑料具有高比强度、高比模量、比重轻、耐蠕变、抗疲劳、抗冲击、收缩率低、耐热性好、导电、导热、耐腐蚀等优异综合性能，作为环保、可回收与循环使用的新一代轻量化热塑性复合材料，在机械、汽车、轨道交通、航空航天、电子、电器、化工、船舰等领域具有重要应用，特别是在新能源纯电动汽车的关键零部件上未来将获得大规模产业化应用。
　　北京纳盛通新材料科技有限公司经过十年研究与开发，掌握了具有自主知识产权的创新核心技术，成功生产出的高强高模碳纤维LFT塑料复合材料，关键技术指标达到国际同类产品参数，并已实现产业化生产与应用。本公司研发的新一代轻量化的高强高模碳纤维LFT塑料复合材料与国内外同类产品相比，采用自主创新的在线热压浸渍技术(In site hot-press impregnation,In site-HPI)应用在LFT塑料复合材料成形过程中，并建立了非线性热塑性粘弹性流体的热压浸渍过程数值计算模型，可预测佳热压浸渍工艺条件，从而获得浸渍效率高、空隙率低、界面结合强度高的LFT塑料复合材料产品，其生产效率提高，产品性能显著提高。经过美国通标测试技术(SGS)公司检测认证：在线热压浸渍技术(In site-HPI)制备碳纤维LFT塑料复合材料。
　　1)长碳纤维增强聚丙烯复合材料(LCF-PP)，比重1.042g／cm³，碳纤维含量22.5wt％，拉伸强度122MPa，拉伸模量13900MPa，断裂伸长率1.10％，弯曲强度181MPa，弯曲模量14800PMa，悬臂梁缺口冲击强度12KJ／m²，热变形温度160℃。
　　2)长碳纤维增强聚碳酸酯复合材料(LCF-PC)，比重1.292g／cm³，碳纤维含量40wt％，拉伸强度192MPa，拉伸模量18700MPa，断裂伸长率1.40％，弯曲强度280MPa，弯曲模量16600PMa，悬臂梁缺口冲击强度11KJ／m²，热变形温度142℃。
　　3)长碳纤维增强聚酰胺6复合材料(LCF-PA6)，比重1.313g／cm³，碳纤维含量35wt％，拉伸强度322MPa，拉伸模量30300MPa，断裂伸长率1.4％，弯曲强度514MPa，弯曲模量27500PMa，悬臂梁缺口冲击强度37KJ／m²，热变形温度214℃。
　　4)长碳纤维增强聚酰胺66复合材料(LCF-PA66)，比重1.312g／cm³，碳纤维含量35wt％，拉伸强度323MPa，拉伸模量32800MPa，断裂伸长率1.3％，弯曲强度506MPa，弯曲模量30800PMa，悬臂梁缺口冲击强度25KJ／m²，热变形温度254℃。
　　目前，拥有一套碳纤维LFT塑料复合材料的中试线以及浆料研发的团队，中试线具备每年400吨碳纤维LFT塑料复合材料的生产能力。同时，已经完成了申请“碳纤维LFT塑料复合材料工业化制备技术”发明，碳纤维LFT塑料制备关键技术，已经得到全面深入解决。本项目申报2015年度863项目立项，现已经通过科技部863专家组评审，获得高度评价与鼓励。
　　1)表面浆料技术
　　2)碳纤维展丝技术
　　3)碳纤维与塑料均匀浸润技术
　　4)精确连续切断技术
　　5)碳纤维LFT塑料复合材料注塑或模压模具设计技术
4.3　碳纤维片状模压热固塑料(CF-SMC)制备技术
　　纤维片状模压热固塑料(Sheetmolding compound,SMC)，是由加有低收缩剂、填料、添加剂等组分的树脂混合料浸渍纤维后加工而成的片状或板状热固性模塑材料，通常采用在模具内热压的方法使之固化，较容易加工成FRP制品。具有优异的机械性能、热稳定性、耐化学防腐性，已广泛应用于多个领域，其制各流程示意图如下：

　　传统SMC的增强材料一般使用玻璃纤维，随着像汽车等领域对材料的性能要求持续提高，近年在国外逐渐出以碳纤维作为增强材料的SMC材料，新的技术被称为碳纤维片状模塑料(CarbonFiberSheetmolding compound,CF-SMC)。目前在汽车领域使用广泛，前景也被看好。对比玻璃纤维SMC，CF-SMC具有以下优势：
　　1)准各向同性
　　2)更高的碳纤维增强材料含量(CF-SMC：Vol：40％-50％；CF-SMC：：Vol：18％-35％)
　　3)更低的材料密度
　　4)更广泛的基体材料适用性
　　5)更好的模具成型性
　　6)更好的材料密封性能和疲劳性能
　　7)更高的材料刚度
　　已经开发成功SMC专用短切碳纤维及其浆料技术，同时拥有一条300宽幅的CF-SMC小试线，具备年产100吨碳纤维CF-SMC片材的能力，拥有一套热模压成型机及相关的模具加工设备及技术，已经具备为汽车零件开发零件的硬件能力。

5　非连续碳纤维增强(树脂基)复合材料(NCFRP)的汽车轻量化应用

　　汽车的轻量化已经成为发展趋势，尤其是新能源汽车，在电池技术的现有发展阶段急需轻量化的解决方案。毋庸置疑，碳纤维复合材料从技术上讲是汽车轻量化的佳选择。但是，选择什么样的碳纤维复合材料呢?以BMW i3，TESLA MODLE S这两款著名的电动车做一个比较。

　　通常我国汽车的价格是欧美的2-3倍，所以，这两款汽车已经是国内的豪华汽车。  从上述的数据可以发现：在现有电池技术水平下，续航里程与电池量是个巨大的矛盾，必须根据当前的电池水平，实现全面轻量化才能做出市场满意的续航里程，要学习飞机轻量化是根据发动机水平的经验；如果采用昂贵的碳纤维复合材料，再加上昂贵的电池成本，新能源汽车就只能做成豪华汽车，所以必须采用“大复合材料“的理念，即对钢铁、铝合金、玻纤复材、碳纤复材等材料组成的大复合材料系统，提出汽车的重量效能比(在全寿命期间，因为减重而带来的效益对所有的汽车零件规定重量和合理成本要求(减重越多，给予更多低成本)，并与复合材料技术公司加强合作，才是兼顾性能与低成本的正确道路。

　　这个表3总结所有与汽车相关的复材工艺特点。其中，现行的碳纤维复材工艺主要是黄色区块，对应的是高性能、小批量的应用，比如航空。右下角是目前汽车行业普遍使用的复合材料工艺，主要是玻璃纤维增强，所以性能比较低。右上角的蓝色和红色区块是现在流行和未来的方向。其中，Advanced RTM(先进树脂转移模)就是宝马I3采用的碳纤维复材工艺，据报道这个先进RTM工艺在碳纤维18欧元／公斤时，碳纤维复材成本为42-50欧元／公斤，而金属汽车材料的成本大约是7美元／公斤的水平。  从航空复合材料275-330美元／公斤，到豪华汽车(采用航空工艺，但采用普通碳纤维和树脂125美元／公斤，再到目前采用先进RTM的大约65美元／公斤，依然还不能满足汽车行业对低成本的追求，所以碳纤维复合材料界还必须努力，研发新的碳纤维复合材料工艺满足汽车行业的需求。
　　从事碳纤维CF-SMC的领导者，美国QUANTUM公司，通过2003道格毒蛇汽车的实践得出的汽车碳纤维复材成本是29.7美元／公斤(基于碳纤维成本20美元／公斤，虽然这个成本还不能与传统汽车的金属和玻纤增强材料竞争，但是对于重量敏感型汽车(新能源汽车)，从综合成本算已经展现出强大的竞争优势。汽车部件应用领域中，CF-SMC使重量零部件重量明显降低，随之连接件、承载构件和紧固件附件的重量也可减轻。设计合理的情况下CF-SMC部件的壁厚可以比传统的SMC减薄38％。因此基于同等刚性，如用CF-SMC替代传统SMC可减轻重量55％左右。
　　CF-SMC在汽车领域的应用早是2003款Dodge Viper跑车，该车型的多个核心部件(防撞梁、档风玻璃框等)采用了CF-SMC。该材料是由25mm随机分布的12K的PAN基碳纤维和乙稀基酯树脂组成，树脂牌号是AMC-8590。成型固化温度为145-155摄氏度，固化时间仅需要1-3分钟。AMC-8590／25mmCF也成为款用于量产车型的CF-SMC材料，其性能参数如表4所示：

表4 2003道格毒蛇汽车CF-SMC组件

　　林宝基尼Siesto Elemento跑车悬挂臂，原来使用铝合金材料或者采用RrM成型技术的碳纤维复合材料，使用CF-SMC材料和连续碳纤维复合材料混合结构替代后，悬挂臂制造成本得到了压缩，制造时间缩短，部件刚性得到提高，从而成为一个更好的解决方案。

　　CF-SMC的成本竞争力：Viper跑车的成功说明了SMC在高性能汽车上的应用优势。但是对于汽车产业的厂家来说，别一个重要的因素是成本问题。美国Quanturn Composites在2005年曾做过系统计算。在Viper上的一个样件，在相同的制造成本条件下，使用传统玻璃纤维SMC材料，重量是1.278kg，而CF-SMC材料仅重0.942kg，而且CF-SMC材料在多方面性能远超出设计要求，如要求拉伸强度只达到CF-SMC材料刚度的24％。具体数据如下图所示。近年来碳纤维价格持续下跌，CF-SMC的成本进一步下降。
　　与其它成型技术对比，注射模(Tnjection Molding)和转移模(Transfer Molding)技术所制造材料性能比不上CF-SMC，对于大批量生产的汽车工业领域，在一次投入工具成本后CF-SMC可实现较高产能，产能和工具成本投入关系如下图6所示：