碳纤维复合材料汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇碳纤维复合材料范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

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中图分类号：TU531.6

1 引言

一般按照材料特性将井盖分为铸铁（包括灰口铸铁和球墨铸铁）、复合材料、水泥及菱镁等几种井盖。传统的水泥混凝土井盖具有造价低、制造方便、取材方便等优势，但其脆性大、易老化、易断裂；目前国内常用的井盖还是以铸铁的（含球墨铸铁）[1]为主。铸铁井盖最突出的优点是强度高、使用寿命长、工艺成熟。但其造价高，防盗性差。主要是因其材料可以回收利用，因而容易被盗，这不仅造成巨大的经济损失，还会引发严重的安全问题。通过安装防盗装置会进一步增加井盖的成本，因而，为解决此问题，采用没有回收利用价值的复合材料井盖就是最佳的选择。目前市政工程中的复合材料井盖存在承压能力低、易老化变形等问题，因此在传统的井盖基础上引进高强度新材料开发能够保证承载力、耐久性好且无回收利用价值的复合材料井盖是一个值得关注的研究方向。

2 碳纤维加固混凝土的国内外研究概况

2.1国外研究现状

碳纤维加固技术最初起源于德国和瑞士，接着日本也进入了碳纤维加固行业，并且迅速的推广了碳纤维加固技术，加固范围和加固领域也一直在不断扩大和延伸，而运用碳纤维材料加固的最主要对象为钢筋混凝土结构。欧美及日本的大量研究机构从上个世纪的八十年代开始就通过科研实践，对碳纤维加固技术进行深入研究，现在在全世界都在广泛的使用这项加固技术，此方法已经成为了一种常用的加固方法[2]。

2.1国外研究现状

碳纤维加固技术最初起源于德国和瑞士，接着日本也进入了碳纤维加固行业，并且迅速的推广了碳纤维加固技术，加固范围和加固领域也一直在不断扩大和延伸，而运用碳纤维材料加固的最主要对象为钢筋混凝土结构。欧美及日本的大量研究机构从上个世纪的八十年代开始就通过科研实践，对碳纤维加固技术进行深入研究，现在在全世界都在广泛的使用这项加固技术，此方法已经成为了一种常用的加固方法[2]。

Shahawy[3]在对CFRP 加固梁的疲劳性能和静力性能研究方面，通过试验结果分析研究得出了混凝土强度等级、碳纤维布加固层数和碳纤维的不通加固方式对梁的静力性能影响较大，尤其是对梁的极限承载力以及混凝土的延性性能方面影响较大。同时此文还研究了加固梁的疲劳性能，通过研究结果得出利用碳纤维加固对混凝土梁的疲劳性能也有显著影响，利用碳纤维加固能使梁具有很好的疲劳性能。得出结论如下：CFRP 加固在很大作用上能够增强梁的疲劳性能和静力性能。他还对整个试验的过程通过运用有限元软件进行了模拟，并对比试验结果，验证了利用有限元分析结构性能具有合理性。

2.2国内研究现状

我国则从1997年才开始对碳纤维复合材料加固混凝土结构进行研究。近几年来对采用粘贴碳纤维布材加固钢筋混凝土梁的抗弯受力性能研究方面较为普遍，相应的研究成果较多。

冯鹏、陆新征等通过实验研究四根不同加固形式的构件，对试验构件的受力全过程进行了分析记录，并对构件纯弯段裂缝状况、荷载挠度曲线、跨中混凝土截面应变分布、弯矩-碳纤维应变关系和同样挠度时的极限弯矩值进行了详细记录研究，并利用试验结果进行了汇总出了开裂弯矩、屈服弯矩、极限弯矩和混凝土、钢筋和碳纤维应变等具体数据，运用公式所得的结果与试验值基本符合。

赵志平等通过试验得出了不同形式加固梁的屈服荷载和极限荷载，再利用ANSYS 有限元分析软件对试验中的梁进行了有限元非线性分析的模拟，得出有限元分析的结果能够与试验所得的值较好的符合，利用ANSYS 建模分析时，只要合理选用模型单元和合理设置计算参数，模型还是较高的实用性和可靠性的。

国内外学者研究表明，碳纤维材料能够有效的加固混凝土，提高混凝土的强度和承载力。

3 复合材料井盖的研究现状

3.1国内研究现状

国内常用的复合材料井盖有以下，这些复合材料井盖各有特点，共同的优势是金属材料含量极小或没有，没有值得回收利用的价值，可以起到适当的防盗作用，能够弥补铸铁井盖最大的缺憾。

（1）钢纤维混凝土井盖

钢纤维混凝土井盖是早期的复合材料井盖，相对混凝土井盖而言，较强的抗裂性能和抗冲击性能是此类井盖的最大特点。可以承受荷载的反复碾压，表现出较好的耐久性能，且加工成本便宜，回收价值不大。但是，该类混凝井盖重量较大，施工检修较费力，井盖边缘容易破损，一般需要通过外加金属边框来改善这种崩边现象。在城市道路、居民小区和工厂的雨水口等处一定程度上取代了铸铁井盖。

3.2国外研究现状

国外设计井盖一般会根据井盖不同部位采用增强材料各异。为保证其承载能力，通常在井盖下部受力较大处使用连续纤维增强。为提高井盖抗变形性能，在井盖中部会大量使用填料；而为保证井盖较好的耐磨性能，硬度较高、耐磨耐候性好的材料会用于井盖上部，同时设计出相应的图案、数字、文字和颜色。通过这一套工艺程序就能够满足耐磨耐候性和外观要求。玻璃钢井盖优势较明显，既能保证井盖的轻质高强和抗疲劳性能好等要求，同时还具有耐腐蚀和外表美观等优点，也可以解决铸铁井盖被盗的缺点，成为其替代产品。

综上所述，国内外学者和业内相关人士对于井盖进行了大量的研究，研究方法包括实验、模型仿真、加工工艺等多种途径，表明井盖技术在城市道路建设和规划中得到越来越广泛的关注和重视，新型材料井盖研究技术也将成为一种新型的技术领域。在不同的使用条件下，可以通过不同的复合材料井盖来代替传统的和常用的铸铁井盖。碳纤维在混凝土领域的应用已经比较广泛，但是，关于新型碳纤维在井盖中的研究非常鲜见，在井盖领域中碳纤维的应用还是空白，有极大的应用潜力和发展空间，未来将成为传统铸铁井盖和水泥混凝土井盖的理想换代产品。

参考文献

[1]邓宗才、吴寅.玻璃钢井盖的研制[J]. 玻璃钢复合材料，2010，123（23）：12-13.

[2]S.Wen， D.D.L.Chung. Seebeck effect in Carbon Fiber Reinforced Cement， Cem.Coner.Res， 1999， 26（7）：15-18.

[3]文斌等.基于界面效应的碳纤维水泥基复合材料压敏性实验研究.重庆科技学院学报，2009，11（6）：65-68.

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本文以碳纤维增强热塑性树脂基复合材料为研究对象，对相关的概念和内容进行了梳理和总结。其中概括了碳纤维的性质性能，对复合材料的概念进行了阐述，最后对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能作了详尽的分析说明。

1.关于碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的概述

⑴复合材料的概念：面对传统、单一组分的材料已经难以满足现在应用需要的现实状况，开发研制新材料，是解决这个问题的根本途径。运用对材料改性的方法，来改善材料的性能是可取的。而材料改性的方法中，复合是最为常见的一种。国际标准化组织对于复合材料的概念有明确的界定：复合材料是指由两种或两种以上不同化学性质和物理性质的物质组成的混合固体材料。它的突出之处在于此复合材料的特定性能优于任一单独组分的性能。⑵复合材料的分类简介：复合材料的有几种分类，这里不作一一介绍。只介绍两种与本论文相关的类别划分。如果以基体材料分类，复合材料有金属基复合材料；陶瓷基复合材料；碳基复合材料；高分子基复合材料。本文讨论的是最后一种高分子基复合材料，它是以有机化合物包括热塑性树脂、热固性树脂、橡胶为基体制备的复合材料。第二，如果按增强纤维的类别划分，就存在有机纤维复合材料、无机纤维复合材料、其他纤维复合材料。其中本文讨论的对象属于无机纤维复合材料这一类别，因为碳纤维就是无机纤维复合材料的其中一种。特别值得注意的是，当两种或两种以上的纤维同时增强一个基体，制备成的复合材料叫做混杂纤维复合材料。实质上是两种或两种以上的单一纤维材料的互相复合，就成了复合材料的“复合材料”。

2.纤维增强树脂基复合材料的性能特点

纤维增强树脂基复合材料是指以高分子聚合物为基体材料，用纤维作增强材料复合制备而成的。基体材料和增强材料必然各自发挥自己的优势作用。之所以用纤维作增强材料是因为纤维具有高强度和高模量的优点，所以是承载体的“不二人选”。而采用高分子聚合物作基体材料，是考虑其良好的粘接性能，可以将纤维和基体牢固的粘连起来。不仅仅如此，基体还需发挥均匀分散载荷的作用，通过界面层，将载荷传递到纤维，从而使纤维承受剪切和压缩的载荷。当两者存在良好的复合状态，并且使结构设计趋于最佳化，就能最大程度上发挥复合材料的综合性能。⑴抗疲劳性能好：所谓疲劳破坏指的是材料在承受交变负荷时，形成裂缝继续扩大而引起的低应力破坏。纤维增强树脂基复合材料的疲劳破坏的发生过程是，首先出现裂缝，继而裂纹向进一步扩大的趋势发展，直到被基体和纤维的界面拦阻。在此过程中，纤维的薄弱部位最先被破坏，随之逐渐扩延到结合面。因此，纤维增强树脂基复合材料在疲劳破坏前存在明显的征兆，这与金属材料的疲劳发生截然不同。这也是它的抗疲劳性能好的具体表现。⑵高温性能好：纤维增强树脂基复合材料具有很好的耐热性能。将材料置于高温中，表面分解、气化，在吸热的同时又冷却下来。材料在高温下逐渐消失的同时，表面又有很高的吸热效率。这些都是材料高温性能卓越的物理特征。⑶高比强度和比模量：纤维增强树脂基复合材料具有高比强度和高比模量的特征。甚至在和钢、铝、钛等金属材料相比，它的力学性能也十分出色。这种材料在宇航工业中，受到极大的应用。⑷安全性能好：纤维增强树脂基复合材料中分布的纤维数量巨大，并且密度强，用数据来说明的话，每平方厘米的复合材料上的纤维数量少则几千根，多则达到上万根。即便材料超负荷，发生少量纤维的断裂情况，载荷也会进行重新分配，着力在尚未断裂的纤维部分。因此，短时间内，不会影响到整个构件的承载能力。⑸设计的可操作性强：当复合材料需要符合性能和结构的设计需求时，可以通过很多方法来实现。包括改变基体和纤维的品种，调整它们的含量比例，也可以通过调整纤维的层铺结构和排列方式来实现。因此，可以说，纤维增强树脂基复合材料有很强的设计可操作性。⑹成型工艺简单易成：成型工艺过程十分简单易成，因其制品大多都是整体成型，无需使用到焊接、切割等二次加工，工艺流程简单好操作。一次性成型不仅可以减少加工的时间，同时减少了零部件、紧固件、接头的损耗，使结构更趋于轻量化。⑺减震性能好：高的自振频率可以对工作状态下的早期破坏起到规避和防范的作用。自振频率和材料比模量的平方根成正比，和材料结构也息息相关。纤维增强树脂基复合材料的基体界面和纤维因为具有吸振能力，所以能够起到很好的减震效果。

3.碳纤维增强热塑料树脂基复合材料中碳纤维的性质

⑴对纤维的分类：纤维存在有机纤维和无机纤维之分。增强纤维共有五大类别，分别是：硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及芳纶纤维。除最后一种芳纶纤维以外，其他四种都属于无机纤维。碳纤维是五大纤维之冠，是增强纤维中最有活力的一种。碳纤维复合材料种类很多，但是应用最广泛的还要属碳纤维增强树脂基复合材料。⑵碳纤维的性质和性能：碳纤维是纤维状的碳素材料，它的性质包括导热、导电、耐温、耐磨、比重小且耐腐蚀性等。除此之外，它的性能也相当突出，具有热膨胀系数小、抗震动衰减、自性以及防原子辐射等。因为碳纤维的纤维属性，因此可以对其编制加工，缠绕成型。利用纤维状直径细的特点，是制成复合材料杂曲面构件部件的绝佳材料。碳纤维能够成为最有活力的增强纤维，它密度低，抗拉伸强度可以和玻璃纤维比肩，而碳纤维的弹性模量却是后者的4到5倍。在惰性气氛中，碳纤维的抗拉强度随温度的升高而攀升，表现出极佳的性能。因此，不得不说碳纤维是复合材料增强纤维的首选。⑶碳纤维的力学性质：碳纤维的力学性质主要通过轴向抗拉模量来体现。当热处理温度上升，碳纤维的模量随之攀升。细直径纤维在预氧化过程中，发生碳化，产生很多排列整齐的饿表皮结构。这些结构对碳纤维模量的增加又起到推波助澜的作用，促使它的模量进一步提高。碳纤维模量的变化趋势以施加负荷的方式作为判别标准，不是随应变的增加而增加，就是随应变的增加而下降，无非是这两种情况。

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中图分类号：TQ342+.74 文献标志码：A

Current Situation of the Carbon Fiber and Related Composites Industry

Abstract： By discussing the spinning， pre-oxidation， carbonization， compounding and recycling technologies for making carbon fiber and related composites， the paper discussed the present situation of technological development in the field of carbon fiber and related composites； analyzed the market situation of such products and their application prospects in aerospace， national defense， wind turbine， sport and leisure， transportation vehicles， civil-engineering， etc. It also pointed out some problems existing in China’s carbon fiber industry and gave related solutions.

Key words： polyacrylonitrile； carbon fiber； composites

碳纤维分为PAN基碳纤维、粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维，其中PAN基碳纤维市场占有率超过90%，其生产流程包括纤维纺丝，预氧化、碳化，复合成型和回收利用等流程。

1 碳纤维及复合材料生产技术现状

1.1 原丝生产技术现状

原丝的高纯化、高强化、致密化以及表面光洁是制备高性能碳纤维的首要条件。在PAN基碳纤维生产中，原丝约占总成本的50% ～ 60%，原丝质量既影响碳纤维的质量，又制约其生产成本。

原丝生产包括聚合和纺丝。原丝聚合是丙烯腈和第二单体、第三单体在引发剂作用下进行共聚反应，生成PAN纺丝液。日本东丽采用AIBN（偶氮二异丁腈）作引发剂，二甲基亚砜（DMSO）作溶剂，DMSO+AIBN体系凭借其操作安全和高质量产品，成为碳纤维丙烯腈聚合的主流方法。PAN基碳纤维原丝通过湿法和干喷湿纺纺丝工艺制造。湿法纺丝是碳纤维生产普遍采用的方法，其技术成熟，易工程化，所得原丝纤度均匀且纤维表面沟槽结构易于后道复合加工；干喷湿纺是将干法和湿法结合的新方法，可实现高品质原丝的细纤化和均质化，纺丝速度是湿法纺丝的 5 ～ 10倍，是高性能原丝生产最好方法之一。东丽、三菱丽阳，美国赫氏和韩国晓星都拥有干喷湿纺纺丝技术，中国中复神鹰、中油吉化等少数企业掌握干喷湿纺T700级碳纤维原丝生产技术，但产品的稳定性有待提高。

1.2 碳纤维的生产技术现状

原丝经预氧化、碳化和后处理等工艺制得碳纤维。预氧化是纤维组织结构转变的过渡阶段，在保证丝条均质化的前提下，缩短预氧化时间，可以降低生产成本。碳化是纤维乱层石墨结构的成形阶段，可使纤维强度大幅提升，碳化条件控制不当会造成纤维结构中有空隙、裂纹等缺陷，影响碳纤维性能。石墨化即高温下牵伸，使纤维由乱层石墨结构向三维石墨结构转化，提高碳纤维弹性模量。

碳化炉是制造碳纤维的关键设备，国产碳化炉发热体最高耐热温度1 400 ℃，而国外大规模高温碳化炉对我国实行出口限制，中等规模碳化炉价格又很高，提高了国内碳纤维的建设成本，导致国产碳纤维市场竞争力不足，研发高强级碳纤维生产线的国产设备迫在眉睫。

1.3 碳纤维增强复合材料技术现状

碳纤维增强复合材料是以碳纤维及织物为增强体、树脂为基体制成，其代表是以三维编织物为增强体，采用树脂传递模塑工艺（RTM）进行浸胶固化而成的三维编织复合材料。三维编织技术具有较强的仿形编织能力，可以实现复杂结构的整体编织，常用编织工艺有四步法、二步法及多层联锁编织工艺。四步法操作灵活性强，编织物整体结构好，但编织速度较慢，对设备要求较高；二步法织造简单，易实现自动化，适合编织较厚制件，但其执行机构以间断的离散方式运动；多层联锁编织工艺编织的织物机械性能好，设备可平稳连续工作，但不易实现自动化生产。目前可满足大而厚预制件编织需求的大型三维编织机不多，设计与研发高水平的三维编织机仍是努力的方向。

三维编织实现了增强材料的整体成型，而RTM工艺正是适于整体成型的工艺方法。RTM工艺是将液态树脂注入闭合模具中浸润增强材料并固化成型的工艺方法，是接近最终形状部件的生产方法，基本无需后续加工。由于其效率高、能耗低、工艺适应性强等优点，适宜多品种、高质量的先进复合材料加工。RTM-三维编织复合材料是完全整体结构，与传统复合材料相比，具有较高的损伤容限、强度和模量，为复合材料应用于承力结构件，特别是应用于航天航空等领域提供了广阔前景。

1.4 碳纤维增强复合材料回收利用现状

回收利用碳纤维可降低能耗、节约能源，主要方法有高温热解法、流化床分解法和超/亚临界流体法。高温热解法是在高温下使复合材料降解，回收的碳纤维力学性能降低幅度较大，影响碳纤维再利用，是目前唯一商业化运营的回收方法；流化床热分解法采用高温空气热流对复合材料进行高温热分解，通常用旋风分离器来获得表面干净的碳纤维，由于受高温、砂粒磨损的影响，碳纤维长度变短、力学性能下降，影响回收碳纤维的应用范围；超/亚临界法是利用液体在临界点附近具有高活性和高溶解性等性能来分解复合材料，最大限度地保留碳纤维的原始性能，由于其独特的优越性，受到产业界高度重视，将可能成为碳纤维主要回收方法之一，目前多数回收技术仍停留在实验阶段，商业化道路漫长。

2 碳纤维及复合材料市场现状分析

2.1 碳纤维市场现状分析

碳纤维分为大丝束碳纤维（>24K）和小丝束碳纤维（

2.2 碳纤维复合材料市场现状

2013年碳纤维复合材料总产值147亿美元，其中CFRP产值94亿美元，约占64%。碳纤维复合材料的需求7.2万t，2020年需求将达14.6万t（表 2），2010 ― 2020年复合年均增长率超过11%。

碳纤维复合材料主要应用到国防航空、交通工具、风力发电、运动休闲、土木建筑等领域，各领域产值见表 3。

（1）国防航空

2013年碳纤维增强复合材料在国防航空领域产值达41.2亿美元，其中民用航空24.7亿美元，占60%，军用飞机占16%，商业飞机占8%。在航空领域，碳纤维复合材料占空客A380结构材料的20%以上，波音787结构材料中近50%使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料。碳纤维复合材料取代金属结构材料，减轻机身质量，节约燃油，在航空领域应用不断拓展。在国防领域，碳纤维复合材料已用于隐形机、战斗机、导弹等开发。美国研制出世界上最小无人机，主体由碳纤维制成，仅重106 mg，用于搜索和救援行动，美国F-22和F-35战斗机，欧洲A400M大型军用运输机，日本M-5火箭等都在不断拓展碳纤维复合材料的应用。美国防部在“面向21世纪国防需求的材料研究”报告中强调，“到2020年，只有复合材料才有潜力使装备获得20% ～ 25%的性能提升”。

（2）交通工具

2013年碳纤维增强复合材料在交通工具领域产值达22亿美元，其中汽车领域10.1亿元，占总产值46%，卡车领域占18%，摩托车占15%，客运火车占13%。CFRP具有轻质高强的特点，逐渐成为汽车轻量化首选材料。试验证明，汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%；汽车质量每减少100 kg，百公里油耗可降低0.3 ～ 0.6 L。全球大型汽车制造商积极联合碳纤维生产企业，旨在突破碳纤维零部件的低成本工业化生产，广泛应用于普通汽车。

（3）风力发电

2013年碳纤维增强复合材料在风力发电领域产值达17.6亿美元，消耗碳纤维约6 700 t。1985年风轮平均直径仅15 m，单位产出低于 1 MW，到2013年风轮平均直径达100 m，平均产出为2.5 MW。当风轮叶片长度在40 ～ 50 m时，碳纤维是唯一能用于制造叶片的材料，随着风电装机容量的增加，也必然会促进碳纤维在这领域快速发展。风力发电主要集中在3 个国家，2013年中国达91 GW，占全球30%，其次是美国和德国，分别达62G W和34 GW。

（4）运动休闲

2013年碳纤维增强复合材料在运动休闲领域产值达14.7亿美元，其中高尔夫杆等产品产值5.6亿美元，占38%，网球和羽毛球球拍占21%，自行车占14%。运动休闲用碳纤维消耗量最大在亚洲，特别是中国，高尔夫球杆、网球拍、钓鱼竿、自行车架、船桨、公路赛车等都用到碳纤维。由于成本问题，制约碳纤维在该领域的快速发展，预计2015年全球运动休闲领域对碳纤维需求增长依然保持在4%左右。

（5）土木建筑

2013年碳纤维增强复合材料在建筑工程领域产值达5.9亿美元，消耗碳纤维约2 300 t。随着碳纤维成本降低与复合材料加工技术的发展，土木建筑领域将成为碳纤维复合材料应用新市场。碳纤维复合材料层板加固或修复桥梁及建筑物，碳纤维增强混凝土等都将会有很大发展。在美国约有30万座桥有潜在维修需求，德国在2030年前将投入160亿欧元，用于修复桥梁和路面。预计未来 5 年，碳纤维复合材料在土木建筑领域将以6%左右速度增长。

3 中国碳纤维发展之路

2013年我国碳纤维产能达1.8万t，实际产量约3 000 t，全为小丝束。碳纤维指标达到东丽公司T300水平，但质量稳定性还需提高；干喷湿法纺丝T700级碳纤维实现工业化生产，但产品质量有待稳定；T800、M40J、M50J等高品质碳纤维仍在中试或攻关阶段。国际上碳纤维高端技术和产品对中国实行封锁，并利用高性能碳纤维盈利来弥补通用级碳纤维的亏损，对中国碳纤维市场进行降价打压，企图遏制中国碳纤维产业的发展。受国外低价倾销和恶意竞销行为影响，国内碳纤维企业基本处于全线亏损境地。

中国碳纤维发展需重点关注以下几个方面：一是组织技术攻关。重点解决T300级等中低端碳纤维产品稳定性和成本控制问题，加快T700级等中高端碳纤维产品产业化及高模量碳纤维研发，加强高品质油剂、上浆剂、树脂等辅助材料配套能力，加快预氧化炉和多段宽口碳化炉等设备研发。二是加强应用牵引。建立产学研用产业技术创新联盟，以应用需求为牵引，深化碳纤维生产与应用企业合作，实现优势互补。三是深化军民融合。加大满足国防发展需求的高端碳纤维及复合材料的研发力度，打破体制机制束缚，引导优势民企进入军品领域，加快提升碳纤维行业军民融合水平。四是推动标准体系建设。建立适合我国产业发展特点并与国际接轨的碳纤维标准体系，解决限制我国碳纤维下游应用瓶颈的标准和应用设计规范问题，逐步扩大国产碳纤维对进口碳纤维的替代。五是加强人才培养。培养一批高端生产和应用技术人才，推动“产学研用”产业链一体化发展。

参考文献

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1．1检测装置设计

在执行剪断操作之前，需要将两个带电极的导轮与待剪断碳纤维丝束带相接触，将其两端压紧，然后执行剪断操作，剪断刀具位于两个导轮之间，剪断检测的装置中包括检测电路以及数据采集卡，检测装置的简图如图1所示。在执行剪断检测的过程中，只需要将连接检测电路以及数据采集卡的导线接入铺丝头结构，就可以实现在狭小空间内的检测。

1．2检测电路设计

碳纤维丝束带可以等效为一个可变电阻R，通过实验测量，当丝束带完整连接时，每200mm长度的电阻值约为10Ω，当丝束带仅剩一丝连接时，其电阻变为500Ω。进行剪断操作时，首先通过导轮压紧碳纤维丝束带，将两端固定，然后驱动剪断刀具进行剪断操作。在剪断过程中将两导轮作为电极，将丝束带与检测电路相连，检测电路中包括1个12V稳压电源、3个分压电阻以及2个限流电阻，分压电阻以及分流电阻的作用是降低可能产生在铺丝头结构中的电压电流，具体的检测电路如图2所示。通过数据采集卡获取碳纤维丝束带两端的电压值，从而判断碳纤维丝束带是否完全剪断。碳纤维丝束带可以等效为10Ω到无穷大的可变电阻R，两端的电压UC与电流IC为在图1电路中，3个分压电阻均为1kΩ，2个限流电阻为20kΩ，代入R1～R5，当碳纤维丝束带电阻R在10～500Ω变化时，其两端的理论电压UC以及电流IC变化如图3所示。在图3中，当电阻R在10～500Ω范围内变化时，其两端电压逐渐增加，通过的电流逐渐减小。当碳纤维丝束带完全连接时，其两端电压为0．9834mV，通过碳纤维丝束带的电流为98．34μA；当丝束带仅剩一丝连接时，其电阻为500Ω，其两端电压为48．58mV，通过碳纤维丝束带的电流为97．17μA；当碳纤维丝束带完全剪断时，其等效电阻为无穷大，根据式（1）、式（2）可得其两端电压为4V，相对于48．58mV的电压有明显增加，通过碳纤维丝束带的电流为0A。无论碳纤维丝束带通断，电路中的电流都很小，因此不会对铺丝头产生不良影响。

2电压信号的采集与处理

2．1电压信号的采集

在铺丝头进行剪断操作期间，通过数据采集卡采集待剪断碳纤维丝束带两端电压信号，设置采样数为1000，采集时间为1s。当碳纤维丝束带完全被剪断时，采集得到的信号如图4所示，当碳纤维丝束带未被完全剪断，仅剩一丝连接时，采集得到的信号如图5所示。

2．2电压信号的处理

当碳纤维丝束带完全剪断时，获得的信号如图4所示。从采集的信号中可以看出，在大约0．14s时进行剪断操作，此时碳纤维丝束带两端电压有一个明显的跃升，此后两端电压幅值保持在4V不变。当碳纤维丝束带未被完全剪断时，获得的信号如图5所示，在大约0．2s时进行剪断操作，此时碳纤维丝束带两端电压有小幅变化，与完全剪断时的幅值相比，其幅值的变化很小。为了识别出碳纤维丝束带是否被完全剪断，需要分析采集到的电压信号幅值，但是在图4和图5中，获取的信号中会存在一些干扰的噪声，因此需要对信号进行去噪处理。首先分析两个电信号的傅里叶变换FFT频谱，如图6和图7所示，从频谱中可以发现，电压信号的峰值频率为0、50Hz以及其倍频100、150和200Hz，主要的信号为0Hz的直流信号以及50Hz的交流信号。为了滤除噪声的干扰，可以对电压信号进行低通滤波，其截止频率设置为60Hz，然后测量滤波后信号的幅值，由于测量中会存在一些干扰和误差等不确定因素，因此设置判断电压阈值为1V，即当测量电压大于1V时认为碳纤维丝束带被完全剪断。当丝速带完全剪断时，采集的电压信号经过低通滤波后得到的结果如图8所示，丝束带未完全剪断的处理结果如图9所示。在图8的情况中，采集得到的电压为4．377V，大于设置的阈值1V，认定此时丝束带完全剪断，与实际情况相符。在图9的情况中，采集得到的电压为0．06797V，小于设置的阈值1V，认定此时丝束带未被完全剪断，与实际情况相符，此时丝束带未剪断部分为0．2mm。

3检测结果校核

为了验证碳纤维丝束带剪断检测方法的准确性，需要对该方法的检测结果进行校核。对10条丝束带分别进行剪断操作，使其分别剩余0．5、1．0、1．5、2．0、2．5、3．0、3．5、4．0、4．5和7．0mm（完整丝束带），在剪断过程中测量电压信号的峰值。测量剪断后碳纤维丝束带电阻，将其代入式（1）计算对应的理论电压，测量结果如表1和图10所示。从对比结果可以看出，当丝束带剪断剩余量较少时，误差较大，但最大绝对误差仍小于10mV，说明检测结果较为准确。

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碳纤维复合材料具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、可设计性强、方便整体成型等特点，在航空、航天等领域已经获得成熟应用。随着高速铁路的快速发展，对车体轻量化的需求也越来越明显，应用复合材料制造的车体，具备重量轻、强度高、刚性大等特性，在有效地较低车体重量的同时，也提高了车体运行的平稳性和稳定性。

复合材料是一种各向异性的材料，在设计过程中具有很强的灵活性，设计人员可以从选材、成型工艺、结构设计等方面综合考虑，充分发挥复合材料比强度、比模量高的特性，在满足强度要求的同时，通过结构的优化计算，减少材料的使用，从而达到减重、降低成本的目的，为复合材料在轨道车辆领域的应用提供了可能。

复合材料车体和金属车体相比存在一些需要解决的问题：碳纤维复合材料成本比较高、工艺成型技术水平要求高；复合材料车体需要达到和金属车体一样的防火要求，泡沫、树脂、预浸料要做防火处理；复合材料车体需要考虑车体接地和电气设备接地问题；车体大部件之间的连接方式要考虑满足车体强度、使用寿命、整体密封等要求；复合材料车体应避免开孔，或者避免在碳纤维连续传力的区域开孔；复合材料车体小件需要选择合适的连接方式。

1 国内外复合材料车体应用概况

复合材料除广泛用于航空航天领域外，在轨道车辆制造业也有一定的应用。有些国家已将复合材料广泛地应用到轨道车辆上，如法国国营铁路公司（SNCF）使用复合材料O计出了TGV双层挂车，对其耐火性、抗冲击强度进行了运行试验，证实了复合材料车体制造工艺是有效的，实现了CFRP车体结构的重大突破。韩国TTX碳纤维复合材料整体车身也于2010年投入运营。Schindler Waggon公司应用玻纤或碳纤维缠绕制成的轻型承载结构车体在联邦铁路线上进行运行试验，运行速度达到140km/h，也达到了满意的效果。德国AEG和MBB与德国联邦铁路合作开发的世界上第一个复合材料转向架构架，在运营了100多万公里后未检测出任何磨损及损坏，与原结构相比不仅重量大大减少，同时也提高了运行舒适度、降低了检修成本。此外，复合材料在车厢内饰件以及车头前端领域的应用也比较广泛。

国内复合材料在轨道交通中应用还处于试验阶段，主要应用还受限于车头前端和车厢内饰件，复合材料在整车的应用上还处于研究阶段。

2 材料性能和成型工艺

碳纤维复合材料车体各部件主要采用碳纤维-芯层结构（类似于三明治结构），碳纤维-芯层结构主要由两层碳纤维蒙皮中间加入泡沫或蜂窝夹芯组成，碳纤维-芯层结构不仅具有质量轻、弯曲刚度和强度大，还具有耐疲劳性、隔音隔热等优点。在车体设计时，需要根据车体结构承载要求，在夹层内部预埋纵、横加强梁，或者在承载区域做局部加强，在不承力区域可以做适当减薄处理。

复合材料成型工艺主要有手糊成型、喷射成型、拉挤成型、缠绕成型、真空热压罐成型及真空导入成型等成型工艺。手糊成型虽然工艺简单、价格相对比较便宜，但是由于生产效率很低、质量不稳定等因素不适于生产结构件。喷射成型为使用短切纤维和树脂经过喷枪混合后，压缩空气喷洒在模具上，然后经过按压固化成型，可用于制造过程中的过渡层。拉挤成型适合于生产各种截面形状的型材，如工字型、槽型等截面型材。缠绕成型可用于制造圆柱体、球体、筒形等回转体结构。真空热压罐成型工艺，需要将预浸料在磨具中按照设计要求铺好后，送入热压罐中加温加压固化成型。这种成型工艺方法生产的产品韧性好、结构强度高、尺寸精度较高、工艺稳定性好，但是对温度控制、设备成本、工艺水平等要求比较高，制造成本比较昂贵，所以此种成型工艺只适用于制造车体的一些承力件，比如底架边梁、牵枕缓结构。真空袋压成型工艺的特点是既能获得相较于手糊工艺的高强度重量比和尺寸精度，同时和热压罐成型工艺相比制造成本相对较低，所以此种方法适合于车体大部件的设计。

以车体底架为例，车体底架整体采用复合材料夹层结构，选用热压罐成型工艺，成型步骤如下：模具准备；底架上蒙皮铺贴；底架上蒙皮固化成型；加入包裹胶膜的泡沫，同时可以加入预埋金属件或复合材料预制件；泡沫与底架上蒙皮整体成型；在泡沫结构上铺贴底架下蒙皮；整体固化。

3 复合材料车体关键问题研究

3.1 防火要求

复合材料选用的材料，如预浸料、树脂、粘接剂、泡沫，要满足轨道车辆的防火要求，如果选用的树脂、预浸料，不满足防火要求，需要加入防火材料，满足整体的防火要求。

3.2 接地和电磁兼容要求

金属车体可以导电，所以只需要将车体上的接地设备先连接到车体上，通过车体连入转向架轮对导入大地，复合材料车体为不良导体，需要对设备统一做接地处理，可以考虑在夹层内部预埋铜板，然后在设备需要接地的位置通过螺栓连接到铜板，最后将整个铜板通过转向架轮对导入大地。

电磁兼容要保证整车电磁兼容的要求，对于车下磁场较强部位，需要作隔磁处理。

3.3 刚度要求

由于碳纤维-芯层结构为各项异性材料，车体刚度要保证在正常载荷和自然频率下，车体变形不超过运行条件所决定的极限值，需要在车体结构设计时，选择合适比重的芯层结构，并在车体变形比较大的区域做局部加强。

3.4 车体大部件连接方式

碳纤维车体不能像金属车体一样通过焊接方式来连接车体大部件，需要考虑通过胶粘或者螺栓、铆钉等紧固件的方式进行连接，在考虑连接强度的同时，还要重点考虑整车寿命要满足设计要求，以及连接后整车的密封和防水要求。

3.5 开孔问题

复合材料车体在做系统设计时，应避免在承力区域开孔，否则可能导致碳纤维传力的不连续。

3.6 车体小件连接方式

复合材料车体由于无法焊接，小件只能通过胶粘或者紧固件连接，小件材质若为金属材质，还要在复合材料夹层中预埋金属板，然后再通过紧固件进行连接。

4 碳纤维复合材料车体在轨道车辆领域的可行性分析

碳纤维复合材料车体主要受几方面的制约，主要包括：碳纤维材料成本比较高、成型工艺要求比较高、设计者需要具备一定的设计经验、量产料件如何保证工艺稳定性和产品质量。

碳纤维复合材料车体的应用还处于初级阶段，针对复合材料的设计准则、工艺规范、材料标准、产品检验和试验验证等工作还没有建立或完善，需要大量的试验研究和试验验证工作。这些因素也阻K了碳纤维复合材料在轨道交通领域的发展。

碳纤维复合材料车体如果想要在轨道交通领域很好的应用，就要在以下几个方便做考虑，首先材料选择上可以考虑在次承力结构上采用玻纤和碳纤混杂设计，充分发挥碳纤维材料强度高，玻纤价格便宜的优势，将减重和降低成本整体考虑；其次在设计过程中，考虑结构优化、系统集成，在提高复合材料隔声隔音前提下，就可以考虑将车体结构、内装结构集成在一起，去除防寒和隔音材料，这样就可以大幅度较少整车重量、降低成本；最后一定要优化工艺成型技术，简化工艺过程、提升工艺稳定性、提高生产效率。

5 结束语

随着对碳纤维复合材料研究的深入，逐步解决碳纤维复合材料车体设计中存在的问题，碳纤维复合材料在轨道车辆车体上的应用也会越来越广泛。

参考文献

[1]Kim J S，Jeong J C. Natural frequency evaluation of a composite train carbody with length of 23m[J].Composites Science and Techbology，2006，66（13）.

[2]丁叁叁，田爱琴，王建军，等.高速动车组碳纤维复合材料应用研究[J].电力机车与城轨车辆，2015（38）.

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1、碳纤维复合材料加固原理

碳纤维加固混凝土结构是一种新型的混凝土结构加固方法，其研究始于20世纪80年代，自1996年引入我国，立即受到了工程界的关注，成为了研究和应用的热点。碳纤维加固修复混凝土结构是将碳纤维材料粘贴于混凝土结构表面，通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。

2、碳纤维复合材料

混凝土结构构件加固修复所用碳纤维材料主要有两种：碳纤维材料和配套树脂。碳纤维材料具有高强度、高弹性模量、重量轻及耐腐蚀性好等特点，其抗拉强度是普通钢筋的十倍左右，弹性模量略高于普通钢筋的弹性模量；配套树指则包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂，前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结质量，而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合材料体，并且共同工作，提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力，达到对结构构件进行加固、补强的目的。

2.1碳纤维布

碳纤维布按碳纤维原丝不同主要可以分为:PAN基碳纤维布；黏胶基碳纤维布；沥青基碳纤维布。

碳纤维布按碳纤维规格不同主要可以分为:1K碳纤维布、3K碳纤维布、6K碳纤维布、12K碳纤维布、24K及以上大丝束碳纤维布。 碳纤维布按碳纤维炭化不同主要可以分为:石墨化碳纤维布、碳纤维布、预氧化碳纤维布。 碳纤维布按织造方式的不同主要可以分为:机织碳纤维布、针织碳纤维布、编织碳纤维布、碳纤维预浸布等等。

碳纤维布加固依据结构施工图、构件的腐蚀情况、结构或构件的实际检测强度、《混凝土结构加固技术规程》等资料，考虑提高结构或构件的抗弯（抗压、抗拉）强度等级，对结构或构件进行加固设计。

2.2加固粘结材料

碳纤维片材加固胶粘材料一般包括三种胶，按用途分它们各自的作用分别是：1、底涂胶（又称底层树脂）：涂刷于混凝土基层上，强化混凝土表面强度，从而使混凝土与碳纤维之间的粘结性得到提高。2、修补胶（又称整平材料或腻子）：整平混凝土表面，便于碳纤维片材的粘贴。3、浸渍树脂（又称浸渍树脂）：将碳纤维片材结合在一起，使之呈板状硬化物；同时将碳纤维与混凝土粘接在一起，也形成一个复合整体，共抵抗外力。三种胶粘剂之中，浸渍树脂最为重要，它的性能直接决定碳纤维片材能否有效地加固补强混凝土结构。

3、碳纤维复合材料加固混凝土结构的优良性能

（1）高强度高弹性模量。碳纤维的强度高，极限抗拉强度约为钢材的10 倍，弹性模量和钢材相近。

（2）抗腐蚀能力强、耐久性好。碳纤维材料化学性质稳定，不与酸、碱、盐等化学物质发生反应，因而碳纤维加固后的钢筋混凝土结构具有良好的抗腐蚀性和耐久性。

（3）热膨胀系数小。碳纤维材料的热膨胀系数非常小，其在纤维方向的热膨胀系数几乎等于零。

（4）施工简便，工作效率高。碳纤维布加固不需要大型施工机械和重型设备，施工占用场地少，无湿作业，碳纤维布柔性好，可以任意裁剪，操作简单，施工速度快。

（5）施工质量易于保证。碳纤维布是柔性材料，即使被加固构件的表面不是非常平整，经过修补后，有效粘贴率可达到95%以上。

（6）对结构影响小。碳纤维材料重量轻，厚度薄，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，不影响结构的使用空间。

（7）适用范围广。可用于不同结构类型、不同结构形状、不同材料的构件加固，也可用于构件的不同部位及不同薄弱因素的加固。

4、碳纤维复合材料加固混凝土结构的应用

在实际工程中，用来加固的碳纤维材料主要是碳纤维布。碳纤维布加固技术在混凝土结构中的应用已较成熟，主要集中在以下几个方面。

（1）提高受剪承载力

碳纤维布对构件抗剪的贡献类似于箍筋的作用，与混凝同承受剪力。另外，碳纤维布具有对核心混凝土的约束作用，并能承担拉应力，防止主筋过早屈服，抑制剪切裂缝的出现和发展。因此，碳纤维布可以明显提高钢筋混凝土构件的受剪承载力，增强构件的变形能力。

（2）提高受弯承载力

由于碳纤维布具有抗拉强度高的特性，可以将碳纤维布粘贴在构件的受拉表层，使之与混凝同承担拉应力，以提高构件的受弯承载力，达到加固补强的目的。粘贴碳纤维布后，受弯构件的受弯承载能力明显提高，有效的抑制了裂缝的开展，构件的变形能力和延性性能得到显著改善。

（3）提高抗震能力

由于碳纤维布能够约束构件的开裂，提高构件的刚度和抵抗变形的能力，当需要提高构件的抗震能力时，亦可用碳纤维布进行增强和增韧。尤其对于钢筋混凝土梁柱节点和受轴向力作用的钢筋混凝土柱，往往要求进行构件的抗震设计。采用碳纤维布粘贴于梁柱节点范围，或对钢筋混凝土柱进行包裹，可以明显改善结构中混凝土构件的延性，增加耗能能力，具有良好的抗震加固效果。

（4）提高抗疲劳能力

用碳纤维布进行钢筋混凝土梁和预应力钢筋混凝土梁的加固，经200 万次重复荷载作用后，加固构件的强度和刚度不会降低，也不会发生剥落和脆断现象。如果采用预应力碳纤维布加固的形式，预应力碳纤维布的存在，使构件中纵筋的应力幅值有所降低，减少了发生疲劳破坏的可能。而始终处于高应力状态的碳纤维布具有良好的抗疲劳性能。其综合效应使所加固构件的疲劳寿命大大提高，疲劳变形有所减小，构件的疲劳抗裂性能得到较大提高，从而延长构件的使用寿命。

5、碳纤维复合材料加固混凝土结构的不足

（1）碳纤维是一种线弹性脆性材料，只有当构件发生较大变形时，才能充分发挥其高强高弹模的性能。而混凝土结构对变形有比较严格的控制，在一定程度上限制了碳纤维复合材料能力的发挥。

（2）碳纤维布加固混凝土结构后，容易发生粘贴剥离破坏，使加固后混凝土结构呈现明显的脆性破坏形态，对结构的可靠度水平有所影响。

（3）目前对碳纤维复合材料加固混凝土结构在长期荷载、冲击荷载作用下受力性能的研究较少，在类似方面应用时缺少专门研究。

（4）对于碳纤维材料加固混凝土梁、柱的抗剪及抗弯加固机理和计算方法已有了成熟的研究和应用成果，但对碳纤维材料加固剪力墙等方面的研究理论还较缺乏。

总之，碳纤维材料加固技术具有良好的经济效益、社会效益和环境效益，随着碳纤维材料的发展、生产成本的降低及国内外碳纤维材料加固技术研究的不断深入，该项技术在混凝土结构加固领域中的应用会越来越广泛，具有广阔的发展前景。

参考文献：

[1].《混凝土结构加固技术规范》 CECS25：90

[2].《建筑抗震加固技术规程》 JGJ116-98

篇（7）

1 碳纤维复合材料超低温环境力学性能研究背景

如何降低空间飞行器在发射时的成本，使空间飞行器的发射效率提高，一直以来都是各国进行研究的关键领域之一。20世纪90年代中期，美国国家航空航天局（NASA）开始了对亚轨道可重复使用飞行器（RLV）的研发试验。

针对这一新形势，我国在“十五”计划初期，即开展了可重复使用飞行器技术的跟踪、探索和研究。为了避免在全球竞争中出现装备跨代落后的不利局面，而加大了对可重复使用飞行器的研发力度。

由液氢（-253℃）、液氧（-183℃）、液氮（-196℃）、液氦（-269℃）及其蒸发气体共同组成了主要的超低温流体介质。其中，液态氢和液态氧是液体火箭发动机发射过程中，一种具备比推力大的燃料，并且不产生污染物质；液He是作为空间装置、超导装置中广泛应用的低温密封介质；液态氮具有惰性特质、价格低廉并且介于液氢和液氧之间的热力学特点，常应用于低温试验和作为预冷介质[2]。

在以液态燃料作为飞行器动力系统燃料供应的设计中，液氧（LO2）燃贮箱及工作系统使用温度为-183℃，液氢燃料贮箱及工作系统使用温度为-253℃，液氢燃料贮箱及供给管系统和液氧燃贮箱及供给管系统工作于低温环境。当飞行器返回时，可重复使用运载器贮箱及供给管要承受170℃的高温考验，燃料贮箱工作温度范围很大，因此在设计时必须综合考虑在此温度范围内应用复合材料贮箱的可靠性[3]。

上世纪80至90年代，研发复合材料液氢贮箱的课题在美国国家航天飞机（NASP）计划以及DCX计划都涉及，并取得了一些成就。X-33计划则直接计划使用复合材料液氢贮箱，但由于在实验中，热应力引起微裂纹导致液氢渗漏以及其他技术方面问题，最终决定用铝制贮箱将出问题的复合材料贮箱代替下来。相比其国外研究机构对飞行器贮箱材料方面的尝试，国内对超低温用树脂基增强复合材料的研究还处于起步阶段，出于保险考虑，贮箱一直采用金属材料，在超低温复合材料方面技术性的突破成为国内研究的重点课题。

2 国内外对碳纤维复合材料超低温力学性能的研究现状

目前，在工程中有着非常广泛应用的树脂基复合材料主要包括：连续纤维增强环氧、双马和聚酰亚胺复合材料。他们具有较高的比强度和比模量，能够有效的抗疲劳、耐腐蚀，并且可设计性较强，便于大面积整体成型，并且，他们还具有特殊电磁性能等特点。先进树脂基复合材料已经成为继铝合金、钛合金和钢之后的最重要航空结构材料之一。

先进树脂基复合材料在飞行器材料应用上表现出色，目前已经在部分机型上实现减重效益，这是使用其它材料所不能比拟的。因此，先进树脂基复合材料的用量比例已经成为航空结构先进性的重要标志之一。

2.1 超低温复合材料用基体

据了解，应用在超低温环境下的树脂基体主要有：

（1）热固性树脂包括：环氧树脂，氰酸酯树脂，聚酰亚胺等；

（2）热塑性树脂包括：聚醚酰亚胺，聚醚醚酮，聚四氟乙烯，聚醚砜，聚苯硫醚，聚砜，液晶聚合物等。

配方的设计对于树脂基体制备非常重要。对于环氧树脂材料，经常会碰到脆性过高、容易开裂的问题。解决这一问题行之有效的方法是使环氧树脂柔性化，或是使整个配方体系柔性化。而这也是我们在该试验中在选取材料方面提前做好的准备。经过柔化的环氧树脂脆性降低，不易开裂，在工程应用中表现更加出色。

可重复加工的特点是高性能热塑性树脂具备的特点之一，在低温复合材料中的具有很大的潜在应用价值。比如说，碳纤维增强聚醚醚酮复合材料力学性能，虽然在超低温破坏强度方面表现良好，但由于成型困难以及巨大的加工成本，限制了热塑性基体在低温领域下的应用。

在本次试验中所应用到的便是改性后的环氧树脂，改性后使其在常温和低温下均具备稳定的力学性能。

2.2 超低温复合材料用增强材料

纤维增强复合材料是由增强纤维，如玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维等材料与基体经过模压、缠绕或拉挤等工艺而形成的复合材料。

在一些低温工程中，由于纤维增强复合材料具有如下特点：

（1）比模量大，比强度高；（2）材料具有可设计性；（3）抗腐蚀性和耐久性能良好；（4）热膨胀系数与混凝土材料形似。根据他们特性及制备加工工艺方面的综合考虑，应用最广泛的增强纤维是碳纤维和玻璃纤维。

对于玻璃纤维，研究表明，低温下纤维的拉伸强度和拉伸模量均有不同程度的增加，玻璃纤维Weibull分布尺度参数有很大的提升。玻璃纤维，E-glass从室温到4K，它的杨氏模量提高15%，S-g lass从295K到4K其杨氏模量提高10%。

碳纤维增强树脂基复合材料，由于它在航空航天军事等领域应用较多，因而也成为科研工作者研究的热点。试验发现，将模高强碳纤维作为超低温复合材料的增强材料，强度和模量与室温时相比变化很小，是比较理想的超低温增强材料。

2.3 树脂基复合材料制造工艺

依据不同类型的复合材料、不同形状的构件以及对构件质量和性能的不同要求，先进树脂基复合材料可采用不同的成型工艺。目前航空航天领域先进树脂基复合材料主要成型工艺包括：热压罐成型工艺、RTM成形工艺、缠绕成型工艺、拉挤成型工艺、热压成型工艺、自动铺放工艺等。

通过对上世纪六十年代至九十年代不同组织及个人对各类常用纤维复合材料常、低温力学性能测试的结果做出总结与比较。R.P.Reed、M.Golda、J.B.Schutz等人发现：低温状态下，芳族聚酰胺纤维复合材料的低温拉伸强度与常温时比较变化较小，而其他各类纤维复合材料的低温拉伸强度均比常温状态时有所提高。

参考文献：

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中图分类号：TB33 文献标志码：A

Current Situations of Carbon Fiber Reinforced Composites Used for Lightweighting of Automobile at Home and Abroad

Abstract： To meet the requirements of energy-saving， emission reduction and developing new energy vehicles， lightweighting of automotive materials is one of the most important targets for technological R&D in global auto industry. In this article， recent progress on using carbon fiber reinforced composites for automobile lightweighting has been systematically reviewed based on case study of leading auto manufacturers from home and abroad. Finally， the choke points for the development of automobile lightweihting in China are summarized.

Key words： automobile lightweighting； CFRP； high performance fiber

目前，全球生产石油的70% ～ 80%被用作汽车燃油，减少汽车燃油用量是改善全球气候问题的重要组成部分。世界多个国家和地区已经对汽车二氧化碳排放量进行了严格限制，我国也已颁布《节能与新能源汽车产业发展规划（2012 ― 2020年）》，要求到2020年乘用车平均燃料消耗量降至5.0 L/百公里，节能型乘用车燃料消耗量降至4.5 L/百公里以下。

轻量化技术是汽车降低油耗、减少排放、提高新能源汽车续航里程最有效工程途径之一。采用高性能纤维增强复合材料部分代替传统金属材料是目前汽车实现轻量化最有效的途径。德国宝马率先在i3、i8电动车、7系、5系等量产车中大量使用碳纤维复合材料（CFRP），轻量化效果显著，掀起了一场汽车产业材料革新的浪潮。目前全球几乎所有的汽车企业都制定了CFRP轻量化发展计划。CFRP用于汽车轻量化的优势主要在于：密度小，比强度、比模量高，轻量化效果明显；集成度高，减少零部件数量；可设计、造型自由，实现流线型曲面的成本低；吸收冲击性能是金属的 5倍，提高碰撞过程人员安全性；减震性能好；颠覆汽车生产流程，采用模压和粘结工艺代替冲压和焊接。目前CFRP作为汽车轻量化结构材料替代金属材料，其在性能上完全可以满足要求，关键是批量生产技术和成本。基于最新的行业报告数据及实践调研，本文将对国内外汽车轻量化用CFRP的发展现状进行概述。

1 国外汽车轻量化用碳纤维复合材料发展现状

自1953年世界第 1 台纤维增强复合材料汽车 ――GM Corvette制造成功以后，复合材料正式在汽车工业生产中登上历史舞台。发展至今，CFRP成为目前公认的汽车用复合材料未来发展趋势。欧美日等发达国家汽车生产巨头们一直是汽车轻量化用CFRP的引领者和推动者，下文将针对国外主要汽车生产商在CFRP应用技术方面的进展进行介绍。

德国宝马公司是CFRP在汽车领域应用的先驱，其在2008年宣布把CFRP带入汽车主流材料；2011年，法兰克福车展首次i3电动概念车和i8混动概念跑车；2014年，批量化生产i3和i8系列纯电动车在全球正式上市，为碳纤维产品在通用汽车领域的商业化普及应用迈出了重要的一步。i3和i8创新的车体架构由 2 部分构成：一部分是由铝合金材料制成、驱动车辆的Drive模块，集成了驱动系统、底盘、蓄电池、结构功能组件和防碰撞功能组件，另一部分是由CFRP制成、构成车厢主体的Life模块（图 1）。2015年7月1日，全新第六代BMW 7系汽车在丁格芬工厂正式投产，该车型所有创新都始终贯穿着车辆整体轻量化的概念，是宝马核心产品中第一款实现将工业制造的碳纤维材料、高强度钢材和铝材完美组合应用到车身的车型。这种独树一帜的车身结构被称为“Carbon Core高强度碳纤维内核”，不仅优化了车身重量，增强了车身的强度和抗扭刚度，还具有舒适的驾驶体检。

宝马公司还率先开启了CFRP在汽车领域的全方位应用模式，包括：车身、底盘、车顶、车门、头盖、引擎盖、尾翼、压尾翼、中控台、装饰条、仪表盘、传动轴、特殊动力传动系统、座椅、座椅套垫、前扩散器、尾扰流板、后扩散器、后视镜外壳、悬挂臂、前唇、侧裙、侧格栅、车用箱包、导流罩、A柱、遮阳罩、散热器面罩、侧护板、低位踏板、副保险杠等外部和车身、内饰和外饰配件等系统。宝马公司或将在未来 1 ～ 2 年内为旗下车型配备大量的碳纤维部件，特别是碳纤维轮毂，这将大幅度降低汽车的重量。宝马公司的CFRP轮毂是与i系列汽车同时开发的，包括全碳纤维轮毂和碳纤维轮辋+合金轮辐的轮毂。全碳纤维轮毂的重量比锻造合金轮毂轻35%，而合金+碳纤维轮毂比锻造合金轮毂轻25%，这将显著降低整车的重量，宝马公司有望在 2 年内把这种轮毂推向市场。此外，全碳纤维制造的传动轴还将作为单独配件配备新宝马M3和M4系汽车。宝马还在大力宣扬他们的碳纤维材料二次利用，例如i3和i8汽车的边角料可以用来取代传统铝镁合金材料制作仪表板支撑结构、座架以及备用车轮。

在生产工艺方面，为降低CFRP零部件的生产成本以及提高生产效率，宝马采用针对热固性CFRP快速制造开发了高压树脂转移模塑（HP-RTM）工艺（图 2）。该工艺首先将碳纤维织物进行初步的预成型，然后将碳纤维预制件放入到模具当中，在高压状态下将环氧树脂注入模具当中，通过精准的温度、压力和时间控制，使碳纤维和环氧树脂结合，并进行固化，最终形成具备优秀刚性的碳纤维板材。这个加工过程可以全程自动化进行，而高压、高温的处理过程仅需大约 5 min，传统制造工艺则往往需要几个小时。车身的组装工艺采取模块化连接，碳纤维部件的结合像堆砌模型一样采用胶水连接（图 3）。为了缩短固化时间，宝马专门研发了特种粘合剂，在涂敷到车身部件之后仅90 s就可以接受加工，然后产生粘性，在经过1.5 h后就已经固化。这使得车身组件具有完全的刚性，制造速度比普通工艺提升10倍。整个过程全部为自动化操作，包括粘合剂的涂抹、部件的对接等，除了节约人力之外，也减少了粘合剂中的化学成分对工人健康的危害。

纵观宝马几款碳纤维车身的生产过程，有几个明显的特点可谓贯穿始终。首先是颠覆传统汽车生产流程，如果说福特创建流水线生产是汽车行业的第一次革命，那么“碳纤维+新能源”可能是第二次汽车革命，碳纤维生产的车身不需要传统的冲压、焊接、涂装，变成了模压成型、粘结、涂装或塑料外壳；其次是高度的机械化，在整个生产过程当中，机器人的大量使用已经让生产过程基本实现自动化，人工操作仅局限在最低程度，不仅明显提高生产效率，减小制造误差，人力成本也得以大幅降低；最后是环保与可持续发展的理念，宝马大量使用可回收材料制造汽车部件，同时全面采用水电和风电等可再生能源。

除了宝马，丰田、大众、奔驰、现代等多家汽车制造商也都在开发汽车轻量化用CFRP，并应用于车身、轮毂、座椅、氢气瓶、前舱盖、底盘结构件、传动轴等部件。美国Morison公司为Dcna公司生产的CFRP汽车传动轴（图 4（左）），供通用汽车公司载重汽车用。福特1999 ― 2004野马载重车汽车也采用了CFRP传动轴（图 4（右））。采用CFRP可使原来 2 件简化合并成 1个传动轴，且与钢材料相比，可减重60% ～ 70%。英国GKN技术公司也开发了CFRP传动轴，重量减轻50% ～60%，抗扭性比钢大10倍，弯曲刚度大15倍。

2008年，日本Weds Sports公司在推出的概念车上第一次使用了碳纤维轮毂，但当时还是停留在概念阶段。2009年，澳大利亚Carbon Revolution公司开发出了CR9“一体式”全CFRP轮毂，相比铝合金轮毂，其重量减轻了40% ～ 50%，并且首次应用在Shelby Ultimate Aero跑车上。2012年该公司生产的CFRP轮毂成功地在保时捷911上使用。目前Carbon Revolution公司在筹备为兰博基尼、奥迪R8推出碳纤维轮毂。2015年初，美国福特了全新一代野马Shelby GT350R汽车，其采用的碳纤维轮毂再一次引起了关注。以福特Shelby GT350R Mustang所装备的碳纤维轮圈为例，将原本每个轮毂重14.98 kg的铝合金材质换为8.17 kg的碳纤维轮圈后，全车减重27.24 kg，这将显著地改善车辆的操控性能。另外，由于轮圈减重45%，轮圈+轮胎的转动角动量能约降低40%，也改善了加速和刹车的效能。

2011年4月，比利时Solvay公司开发了一种全新轻巧的CFRP Polimotor四缸发动机缸体（图 5）。被浇注的复合材料缸体是最终净形状，消除了二次加工的麻烦，且振动噪声显着减少，耐腐蚀。此外，和压铸工艺相比，模具工具成本减少50%。CFRP缸体比合金缸体重量轻20磅。第二代Polimotor全碳纤维发动机缸体项目在2015年有了新的进展，预计该发动机将于2016年预先应用于赛车、OEM汽车和卡车。该项目有望推动未来汽车领域的重大革新，使碳纤维发动机缸体有可能广泛地应用于商用车。

日产汽车株式会社旗下的2014款GT-R跑车采用了三菱丽阳生产的碳纤维后备箱车盖，该量产化车盖以碳纤维和固化时间为 2 ～ 5 min的热固性环氧树脂为原料，利用三菱丽阳开发的预浸料模压成型工艺生产。三菱丽阳称该工艺将单个部件的生产时间缩短了10 min，更适合汽车部件的规模化量产，而且模压成型的部件表面平滑，易于涂漆装饰。

日本东丽与丰田合作开发的碳纤维增强热塑性聚合物复合材料，可用作制造燃料电池反应堆框架（图6），目前已应用于丰田燃料电池汽车Mirai中，这是世界上第一次将热塑性碳纤维复合材料用于量产汽车结构部件。碳纤维增强热塑性聚合物具有成型时间短的优点，与热固性聚合物相比，生产效率更高，更适合大规模生产。

2015年东京车展上，雅马哈展出了仅重750 kg的全新概念跑车SportsRideConcept（图 7），该车身长3 900 mm，宽1 720 mm，高1 170 mm，超轻的车身得益于其iStream CFRP底盘。iStream碳纤维底盘由英国Gordon Murray Design公司开发，历经 2 年时间，材质由最初的玻璃纤维转变为碳纤维。iSteam采用了创新的“三明治”结构，蜂窝状的内核被 2 片碳纤维板夹在中间。相比超跑所采用的碳纤维单体壳结构，iStream碳纤维底盘的生产周期更短，生产过程可实现全自动化，周转时间仅为100 s，年产量可达1 000 ～ 350 000件。iStream碳纤维底盘同样具有轻量化、高刚性的特点，相比宝马7系仅关键部件为碳纤维材质，iStream碳纤维底盘的减重效果更加明显。这项技术的出现，或将成为入门级跑车爱好者的福音。

韩国现代最新推出的Intrado燃料电池概念车同样秉承了轻量化的设计理念，该车全车架、引擎盖以及侧板均采用CFRP制造，质量比传统钢板制造的汽车轻60%，大大提高了燃油效率，一次补充燃料可行驶644 km，百公里加速时间低于12 s。

2 国内汽车轻量化用碳纤维复合材料发展现状

得益于国家“十五”和“十一五”863计划碳纤维专项支持，我国碳纤维的产业化取得重大进展，通用型高强T300级碳纤维实现了产业化，T700级碳纤维实现了工程化，T800级碳纤维突破了关键技术，开始批量生产，高模型（M40）碳纤维也实现了关键制备技术的突破。国内相关碳纤维生产企业的大规模建设为汽车用CFRP的国产化和低成本化奠定了坚实的基础，一大批企业开展了碳纤维在汽车轻量化方面的应用研究。

江苏奥新新能源汽车有限公司于2015年1月成功研发了我国首辆碳纤维新能源汽车（图 8），并于2016年3月获得中国汽车生产许可证。奥新e25紧凑型A级车，具有核心技术自主知识产权，采用CFRP车身（图 9），轻量化效果明显：百公里耗能低于10 kW・h，续航能力强，充一次电最长可行驶440 km，0 ～ 50 km/h加速仅需4.7 s。目前奥新建立了完整的CFRP车身及其零部件结构设计、制造与评价体系，创造了第一个 2 万辆碳纤维纯电动汽车制造工厂、第一条电动汽车铝合金底盘机器人焊接线、第一条高温高压真空辅助碳纤维成型生产线 3 项中国第一。奥新正与东华大学等国内高校紧密合作，进一步优化零部件结构以及提高制造效率，研发自动化量产技术与装备。

北京汽车在推动汽车轻量化用CFRP方面，成功研发了用于碳纤维发动机盖覆盖件及车身功能件的一系列CFRP部件。在2016年其新型SUV车型上，将会搭载碳纤维发动机罩盖（图 10），相比钢质前机舱盖可减重17 kg（50%）。BJ40车型使用了玻纤、碳纤混杂复合材料车顶盖，较钢制顶盖减重48%。绅宝D60则采用了CFRP前格栅和尾翼，彰显运动和时尚特性。

奇瑞汽车开发了一款CFRP电动汽车（图11），该电动车是奇瑞首款采用PHEV（插电进行充电的混合动力汽车）的车型。其优势在于采用CFRP部件后的车身仅重218 kg，相比金属车身418 kg，车身减重48%。另外，CFRP部件的应用也显著提高了汽车的抗冲撞性能和操控性。奇瑞汽车目前正努力解决该车型实现低成本、批量化生产所面临着的诸多技术难题。

北京长城华冠汽车技术开发有限公司开发了一款名为前途（EVENT）的纯电动跑车概念车。该电动跑车以节能、环保为设计出发点，产品集成了众多汽车行业的前沿科技。长城华冠EVENT车体内外覆盖件整体采用CFRP，在大幅度减轻车体重量的同时，产品的力学及安全性能也优于传统金属钣金部件。该款车型目前已经在苏州建设生产车间，预计2017年开始生产。

上海汽车公司自2008年起，先后承担了多项国家级、上海市和地方的汽车轻量化项目，包括上海市科委科技创新计划项目“新能源汽车CFRP典型部件的开发与应用”、上海市科委重点攻关项目“新能源汽车轻量化技术开发”、上汽 ― 科委专项创新项目“轻量化技术在荣威E50纯电动轿车上的应用研究”，为汽车轻量化技术方面的研究与开发积累了良好的基础。

长安汽车开展了大量CFRP在汽车轻量化应用的探索工作，研发了准备在量产车应用的碳纤维传动轴和后举门。中国第一汽车集团公司开展了复合材料板簧、传动轴和CFRP前后盖的研究。复合材料传动轴采用碳纤维增强环氧树脂预浸料，经由卷搓/热压罐成型工艺制造，相比传统金属传动轴，碳纤维传动轴可减重40%，采用CFRP还可使原来由 2 件合并成 1 个单件传动轴。CFRP前后盖，采用T300碳纤维和环氧树脂，经由RTM工艺制造，相比金属材料可减重64%。

篇（9）

尼龙66本身虽是性能优异的工程塑料，但吸湿性大，制品尺寸稳定性差，强度与硬度也远远不如金属，为了克服这些缺点，早在七十年代以前，人们就采用碳纤维或其它品种的纤维进行增强以改善其性能。用碳纤维增强尼龙材料近年来发展很快，因为尼龙和碳纤维都是工程塑料领域性能优异的材料，二者复合综合体现了各自的优点，强度与刚性比未增强的尼龙高很多，蠕变小，尺寸精度好，热稳定性显著提高，耐磨，阻尼性优良，与玻纤增强相比有更好的性能[1，2]。

碳纤维增强尼龙66复合材料制备的传统工艺一般都是将经过处理的碳纤维与尼龙66原生粒经螺杆进行挤出造粒，然后再通过二次加工型（注塑成型、层压成型等）制得所需产品[3]。传统工艺中的造粒过程都是采用分批进料（尼龙66粒子和碳纤维），批次差异无法克服，直接导致产品质量不均匀，物性指标低；又因传统工程塑料改性加工技术的原料为颗粒状，改性生产必须经过将固态转化为熔融态的再熔融过程，能耗及生产成本相对较高，同时再熔融过程为高温降解过程，产品理化性能必然会受到影响，降低产品质量。而本生产工艺是在尼龙66聚合的过程中加入碳纤维，有效降低尼龙66在二次熔融的过程高温氧化的风险，生产工序简洁，能耗少，成本低。

一、实验部分

1.实验仪器与试剂

尼龙66盐溶液，为工业级，自制；抗氧化剂，分析纯，科莱恩化工；光稳定剂，分析纯，科莱恩化工；碳纤维，工业级，上海英嘉特种纤维材料有限公司。

真空干燥箱，DZX-3型（6020B）， 上海福玛试验设备有限公司；万能试验机，CMT4204型，美特斯工业系统（中国）有限公司；万能制样机，WZY—240，承德科承试验机公司；塑料摆锤冲击试验机，ZBC1251-B型，美特斯工业系统（中国）有限公司。

2.工艺流程

在尼龙66连续聚合生产过程中，将经过真空干燥除水后的碳纤维经上料装置，连续送入螺杆挤出机喂料口，然后经造粒系统造粒，得到碳纤维增强尼龙66粒子，最后再经干燥除水，通过注塑机制备出所需样条。

3.力学性能测试

拉伸性能的测试标准按GB/T1040.2-2006进行，环境温度为23±2℃、相对湿度为50±5%，样品为哑铃状，采用电子式万能试验机检测拉伸强度，拉伸速率为5mm/min，采样5次进行测试，结果取平均值。

冲击强度的测试标准按ISO179进行，环境温度为23±2℃、相对湿度为50±5%，采用塑料摆锤冲击试验机进行缺口悬臂梁抗冲击测试，采样5次进行测试，结果取平均值。

弯曲性能的测试标准按GB/T9341-2000进行，测试环境温度为23±2℃、相对湿度为50±5%，采用万能试验机检测弯曲强度，采样5次进行测试，结果取平均值。

二、结果与讨论

三、结论

本文通过新工艺制得碳纤维增强尼龙66复合材料的力学性能达到传统工艺制得复合材料的力学性能，并且与传统工艺相比，此工艺简单，能耗低、生产效率高，成本低，装置运行稳定可靠，一次造粒最大限度的保持了尼龙66树脂的新鲜度。

参考文献

[1] 张淑芳. 增强增韧尼龙材料[J]. 工程塑料应用， 1991， 2：51.

篇（10）

中图分类号：TQ342+.74 文献标志码：A

Technology Development of Recovery & Reuse of Carbon Fiber Composite

Abstract： The current R&D situation of recycling carbon fiber reinforced plastic （CFRP） wastes was illustrated in this article， in terms of several relative technologies and processes introduced by universities； research institutes and companies abroad. Furthermore， some suggestions on how to develop domestic technologies of recycling carbon fibers from CFRP wastes and reuse them were put forward.

Key words： carbon fiber reinforced plastic （CFRP）； reused carbon fiber； recycling technology

1 前言

所谓碳纤维复合材料废弃物的回收再生或再利用主要是针对碳纤维增强塑料（CFRP）而言，因为根据调查它已占碳纤维市场的90%以上，随着CFRP在航空航天、大型风电叶片、土木建筑、新能源和清洁能源（电池部件、压缩天然气和氢气瓶、太阳能柜架）、汽车、传统能源（油井抽油杆、海上油田平台、煤矿刮板机）、高铁和货物列车、船舶、日用电器、机械及体育用品等领域应用的迅速扩大，其废弃物的回收再利用技术的开发和产业化已迫在眉睫。其中碳纤维增强热塑性树脂（CFRTP）可通过制成切片再利用，而碳纤维增强热固性树脂的回收是有难度的。

CFRP的碳纤维回收技术始于本世纪初，要取得稳定的回收材料并不容易。目前除利用熔矿炉的热源进行热再生已实用化外，面向混凝土补强材料的碳纤维回收也进入实用化阶段。然而，为满足人们对构筑循环型社会的迫切期待，需研发出高水平的碳纤维回收技术。以下分别介绍近年来一些大学、科研院所和企业在碳纤维复合材料回收方面的技术开发现状。

2 全球主要碳纤维回收企业及其技术介绍

2.1 东丽、东邦Tenax和三菱丽阳公司

据统计，目前东丽、东邦Tenax和三菱丽阳这 3 家日本顶级的聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）企业的碳纤维产量占据全球小丝束PAN-CF的70%左右，产品分别应用机、汽车等一般产业和体育休闲用品中，随着其废弃物的日益增多，必须联合开发回收技术。另一方面，在碳纤维的生产过程中，会排放出温室效应气体（CO2），需通过扩大CFRP的应用领域来实现更多的节能减排。为此，当务之急是尽快确立CFRP的回收技术。

关于碳纤维再生技术的开发，早在2006年日本通产省就通过其补助的“碳纤维再生技术的实证研究开发”课题在福冈县大牟田市内建设了中试厂，自2009年起得到了福冈县和大牟田市的资助，从而可作为碳纤维协会的活动内容，并积极从事基础技术开发。通过研究，取得了可控制所回收碳纤维长度、并可除去金属杂质和树脂残渣量低的再生碳纤维技术，从而达到了碳纤维协会的开发目标，并于2013年底终止了协会活动。为此由上述 3 家PAN-CF企业接力，设立了“碳纤维再生技术开发组合”，以进一步深化该回收技术，以期实现产业化。

JFCC与大同大学等的共同研究组合，找到了由CFRP废材回收碳纤维并可大幅提高与树脂粘合性的再生技术，无需使用上浆剂，从而实现了高效和低成本的回收再生。

以往由于碳纤维与树脂的粘合性差，通常需要通过氧化剂刻蚀处理后，再于碳纤维表面涂覆上浆剂（集束剂）方能使用，而其他由废CFRP回收碳纤维的技术，也需要进行再生碳纤维的表面处理，造成成本较高。而JFCC的方法由于经过含氮气的过热蒸汽处理，得到了双重效果，即过热蒸汽处理使碳纤维表面的酸度增加了，且表面增加了氢氧基，使之与树脂的吸附活性点增加，而添加氮气使碳纤维表面的碱度上升，使之与树脂的粘合性大增，而且随着处理温度的上升，碳纤维与树脂的粘合性也提高，在700 ℃以上进行处理时，可以达到与市售的经上浆剂处理的碳纤维同等的粘合水平。目前JFCC已销售该热处理设备。

2.3 碳纤维再生工业公司

位于日本岐阜县美浓加茂市的碳纤维再生工业公司（CFRI）创立了热解法由废CFRP回收碳纤维的独有技术，其特点是以废料燃烧时所产生的热分解气作为碳纤维回收工程的热源，从而可比以往的方法节约 6 成的能源，而所回收的碳纤维强度可达原生碳纤维的80%以上。目前该回收产品已应用于汽车部件，可实现整车减重20%以上。

再生过程是通过碳化炉和烧成炉两段烧成而得，可原封不动地回收长纤维，该回收系统所回收的碳纤维产能约为60 t/a。

在碳化工程中，将CFRP废料加入密闭容器中，并将容器外侧加热，使废材分解。最初用灯油燃烧加热，到400 ℃前后塑料发生气化，通过配管将该气导出，在燃烧器中与氧混合燃烧，利用产生的气体加热产生气体的循环，达到用废材自身的能量进行加热设计，而且当混合燃烧开始时，灯油燃烧器随即停止，如图 1 所示。

一般来说，CFRP中碳纤维与树脂的比例约为1∶1，碳纤维再生工业公司注意到树脂燃烧释放的卡路里较高，从而开发了利用废材自身所持有的能量进行碳纤维再生的节能技术。最初碳化工程所需的能量为每回收 1 kg碳纤维需15.3 MJ（非焦耳），而通过使用热蒸汽使密闭容器内的温度均匀等手段，现已使能耗下降至6.71 MJ。

CFRP废材燃烧时，可得到表面覆有残留碳的碳纤维，在随后的烧成工序中，需将温度调高至碳纤维表面上仅残留适度的碳，这样所得碳纤维的强度较高。若烧成温度再高一些，就可完全除去残留碳，目前以480 ℃烧成 3 h最为合适。

2.4 西门子中央研究院

西门子中央研究院采用溶剂分解回收的方法，由废CFRP部件中回收碳纤维。据介绍，所用溶剂不会破坏环境，所需能量比制造新的碳纤维要少得多，而且能回收CFRP中的碳纤维织物或纤维等原形，以便进一步加工成新的CFRP制品，并几乎保留原有的力学性能。具体方法是在200 ℃和水的存在下对CFRP废材施压并进行加热，使其中的树脂转化成低相对分子质量的水溶性醇类。

2.5 德国宝马和美国波音公司

2012年德国宝马（BMW）汽车公司和美国波音飞机公司达成了共同研发碳纤维回收再生技术的协议，内容包括制造技术秘密共享等，并致力于自动化过程的研究。

如所周知，这两家公司都在积极从事CFRP制品的生产，其中波音公司采用约50%CFRP的B-787飞机已经实现商业化运行，目前月产 7 架，而BMW公司于2013年下半年开始销售两款使用了CFRP部件已批量生产的车型 —— BMW i3和BMW i8。因此，对这两公司而言，研发可连续化的碳纤维回收技术和方法，成了不可回避的课题。

2.6 华东理工大学和波音公司

华东理工大学和波音公司最近签署了利用太阳能从热固型CFRP废材中回收碳纤维的合作开发协议，旨在研发出一条低能耗并能由大尺寸CFRP废材部件高效回收碳纤维的方法，以改进现有回收技术普遍存在能耗大、二次污染以及难以或无法得到连续有序的再生碳纤维的方法。

2.7 德国RWTH Aachen大学纺织技术研究所

德国RWTH Aachen大学纺织技术研究所利用碳粗纱（6 ～ 24 K，单丝直径 7 μm）生产过程产生的废丝以及卷曲或非卷曲碳纤维织物切割时产生的边角料，研发出了 3种碳废丝的切割装置（图 2）及其空气动力学非织造布的生产技术，由它可连续生产再生碳纤维非织造布。

该所同时还对上述 3 种不同切割装置所生产的短切碳纤维（图 3，纤维长度>15 mm）提出了碳纤维长度的测定和表征方法。其中切割机（图2（a））法中，在切割机的转子上装有易替换的刀片和外罩，可以15 m/s的高速度运行，这些叶片相互略有倾斜，以达到斜向切割，可制成30 mm和60 mm等长度；单轴切碎机（图2（b））法中，切割机以 5 ～ 10 m/s的速度中速运行，由一个活塞推动进口废丝朝转子方向行进，转子上装有易替换的切割齿，当超载时转子会自动反转，可制成60 mm等长度的纤维；旋转剪切机（图2（c））法中，切割机以0.3 ～ 0.8 m/s的速度低速运行，其两轴相连，因此靠本身的旋转剪切力就可供入原料，每个轴上装有几个切割盘，再生碳纤维在两个相对的切盘间被切割，当出现超载时，双轴会自动反转。

试验结果表明，单轴切碎机和旋转剪切机都适于生产较短的短切纤维，但会产生大量粉尘；而切割机法适合生产较长的纤维，且粉尘量少。图 4 所示为采用切割机所生产的碳纤维长度的表征结果。通过比较可以发现，纤维的平均长度和标准偏差值取决于所使用的测试方法和切割进程。这两种方法均显示出有所差别和较高的标准偏差及离散系数，而人工法（DIN）却显示出较大的纤维平均长度及较小的长度偏差。实验证明，经第一切割周期后，不同纤维样品的平均长度变化较大（样品 1 ～ 3），但经切割 3 ～ 5次后（样品 4 ～ 11）则趋于均匀，但标准偏差仍居高位。

总之，切割机法最适于由碳纤维粗纱的废品制取短纤维。

2.8 德国萨克森纺织研究所（STFI）等

STFI从事对碳纤维和CFRP生产过程中所产生的多种废料等的再利用研究，并将回收的碳纤维应用于加工非织造布。其研究的再生碳纤维可充分保持原有特性，并以长度50 ～ 100 mm的形式加以利用。同时该所还开展用碳纤维正品与再生碳纤维形成共混网材的技术研发，以提高综合使用性能、耐变形性能和耐破裂强度等。

德国Thuringen纤维塑料研究所（TITK）则研发将切碎的碳纤维加工形成网材的技术。

CFK Valley Stade Recycling公司也表示，将热处理后的再生碳纤维切割成10 mm后就可用梳棉机制成网材。试验结果表明，还可使用长度100 mm的碳纤维正品与30 mm的再生碳纤维加工形成共混网材。

Bonding工程公司曾报道，采用该公司的Maliwatt针刺结合法也可有效形成短切碳纤维网，即在梳棉工序就可形成由100%长50 ～ 100 mm的碳纤维正品与30 mm长的再生碳纤维制成的共混网材，它可作为CFRP的基础材料。由该工序所形成的再生碳纤维所制成的CFRP，已确认可应用于以往的多个领域，但在汽车领域，考虑到安全因素，只限于内装的坐席和轿车车尾的行李厢中。

2.9 其他

日立化成开发了采用常压溶解法由CFRP废料回收再生碳纤维的技术，信州大学开发了利用氧化物半导体的热活性回收碳纤维的技术，而静冈大学则利用超临界或亚临界流体回收再生碳纤维的技术，据说我国的上海交通大学也在研发相关技术。

3 结语

目前，我国某些大学和科研院所也在开展由废CFRP回收碳纤维的技术，但要实现产业化尚需时日。在国外，随着一些CFRP汽车产品进入报废期，当务之急便是开发大规模回收碳纤维的连续化、低成本和低能耗的回收生产线，以避免这些废材在将来堆积如山。

另外，碳纤维生产过程中所产生的废丝或是深加工过程及CFRP制备过程中所产生的废品，将随着产量的迅速增加而不断增多。对于生产过程中所产生的废丝，目前国内外生产厂家都已将其加工成短切或研磨碳纤维出售，而CFRP废品仍需针对产品的具体特点，通过适用的回收技术加以利用。

据了解，目前我国已有30多家规模不一的碳纤维生产厂以及数百家下游CFRP生产厂，而且据预测到2017年前后，我国有望变成全球最大的碳纤维消费国，因此及早研发出具有自主知识产权的CFRP废材回收技术已是相关行业刻不容缓的责任，国家有关部门应予以政策和资金上的大力支持。

参考文献

[1] 急于开发CFRP再生技术[N]. 化学工业日报，2013-05-16：2.

[2] 三家PAN基碳纤维厂家设立开发碳纤维再生技术组合[N]. 塑料产业资材新闻，2013-05-15（01）.

[3] JFCC等确立CFRP再生技术目标[N]. 化学工业日报，2013-08-07：3.

[4] 碳纤维再生工业公司由CFRP废材回收碳纤维[N]. 化学工业日报，2013-04-29：3.