摘 要

輕質高強的碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)在碳達峰和碳中和的國家戰(zhàn)略中展現(xiàn)出重要的研究價值，提高復合材料界面結合強度是重點和難點問題。針對碳纖維表面浸潤性差和力學性能轉化率低的問題，簡述了CFRP界面增強理論和碳纖維表面處理方法，重點闡述了氧化法、化學接枝和涂層法，用物理或化學手段提高復合材料力學性能。此外，從熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩種基體材料的各自性能特點分析了碳纖維與樹脂基體適配性的問題，提出了不同的解決方案。最后，介紹了CFRP在航空、風電葉片和新能源汽車領域的研究進展，提出了飛機輕量化、風機大型化和電車普及背景下材料研究的發(fā)展建議，如優(yōu)化針對高強或高模等具有不同表面形態(tài)碳纖維的特定表面改性技術，開發(fā)針對不同樹脂的改性方法，研發(fā)不同類別及應用場景下的碳纖維上漿劑，加強復合材料界面增強理論和界面表征技術研究，制定碳纖維復合材料標準化體系。

作 者

劉柳薪,盧曉英*,荔栓紅,吳謹好,袁文靜,高 源

(中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院, 北京 102206)

正 文

碳纖維(CF)是一種碳含量超過90%(質量分數(shù)，下同)的無機纖維材料，其分子構造介于石墨和金剛石之間，呈現(xiàn)出混合層狀的石墨結構[1-2]。CF的主要應用形式是作為承力結構制備CF增強樹脂基復合材料(CFRP)，具有輕質高強的特點。與普通金屬材料相比，CFRP的密度更低，抗腐蝕性能更強。同時，它還具有減振、耐高溫和耐疲勞等優(yōu)點，綜合性能優(yōu)異[3]?？湛虯350和波音787的機身上都使用了CFRP材料，質量占比超過了50%。并且，輕質高強的CFRP在風電葉片、新能源汽車等領域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，可以有效解決大風力環(huán)境下長葉片材料的密度、強度、模量和耐疲勞性能難以平衡的問題和電池系統(tǒng)下汽車里程低的問題[4]。此外，模擬計算的出現(xiàn)加快了復合材料成型的進程，通過數(shù)值模擬纖維增強樹脂基復合材料成型過程可以更精確調控樹脂的固化和成型[5]。在2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”的雙碳目標背景下，CF及CFRP成為熱點研究方向，是經(jīng)濟結構轉型，實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色發(fā)展的優(yōu)勢材料。圖1系統(tǒng)描述了CFRP的全產(chǎn)業(yè)鏈，CF、樹脂基體兩種原材料通過界面改性提高復合材料性能，最終實現(xiàn)應用。

根據(jù)碳源種類，CF可以被劃分為黏膠基CF、瀝青基CF以及聚丙烯腈(PAN)基CF[6]。其中黏膠基CF防隔熱，瀝青基CF高導熱，PAN基CF不僅兼具良好結構與功能特性，還具有耐高溫、耐腐蝕、高比強度和高比模量的特性，是高性能CF的主導品種[7]。PAN 基CF的制造工藝涉及聚合、紡絲、預氧化、碳化和高溫石墨化等，技術路線復雜，因而CF產(chǎn)品易出現(xiàn)性能差異大、穩(wěn)定性不足的問題[2]。日本東麗公司將CF分為四個類型：高強(T700S等)、高強中模(T800S等)、高模(M40等)和高強高模(M50J等)型，國產(chǎn)CF一般也依據(jù)上述型號性能分類[8-9]。高模碳纖維(HMCF)需要在CF的基礎上進行高溫石墨化處理，但是石墨化程度的提升也會增加纖維的表面惰性[10]。惰性表面會造成CF與樹脂間浸潤性差，附著力低，導致界面結合強度弱，嚴重降低復合材料力學性能[11-12]。CF自身的力學性能優(yōu)異，但是如何提高其組裝為復合材料時的纖維力學性能轉化率是研究難點。

界面結合強度是影響復合材料綜合力學性能的關鍵因素，改善CF表面惰性，提高其與樹脂的結合強度具有重要的研究意義和價值。因此，本文重點總結了CF表面處理技術和復合材料界面改性方法的研究進展，并從熱固性和熱塑性樹脂兩方面闡述了CF與樹脂基體適配性的問題，最后展望了CFRP的應用情況和需要持續(xù)關注的研究方向。

1 界面增強理論

界面相是復合材料中的研究重點，界面處理的目的是增強纖維與樹脂基體的黏結力，使得復合材料間實現(xiàn)模量的平穩(wěn)過渡，使纖維和樹脂基體間的應力均勻傳遞，防止應力集中，進而增強纖維復合材料的完整性，提高力學性能[13]。CF表面惰性、浸潤性差，與樹脂基體的黏附性差，嚴重限制了CF基復合材料的發(fā)展。

纖維和樹脂間的結合方式可分為以機械鎖合、吸附、范德華力和氫鍵等為主的物理結合和以共價鍵等為主的化學結合[14]。界面研究的重點在于纖維和樹脂基體間的潤濕性、機械鎖合和化學結合。CF復合材料界面增強理論是研究的重點方向[15]，主要包括：(1)機械互鎖理論，研究纖維的粗糙度和表面結構[16];(2)化學鍵理論，研究纖維表面接枝可反應的官能團和共價鍵等;(3)浸潤性理論，研究纖維表面與基體的浸潤性能;(4)擴散理論，研究纖維和樹脂基體間分子間相互作用力等;(5)吸附理論，研究纖維和樹脂間的范德華力、氫鍵和靜電相互作用等非共價鍵;(6)過渡層理論，研究模量過渡層，緩解由纖維和樹脂間的模量差異過大而引起的應力集中問題;(7)柔性界面層理論，研究模量低于纖維和樹脂的界面層，可以通過變形釋放應力集中。

依據(jù)界面增強理論和需求，根據(jù)高強/高模等不同種類CF的表面結構和模量差異等，結合熱固性或熱塑性樹脂的特有特征，設計相對應的纖維與樹脂的適配方案，選用合適的物理/化學處理方法是提高界面強度的研究思路。

2 碳纖維表面處理

CF由很多石墨微晶組成，微晶尺寸由核到皮逐漸增大，皮層的石墨微晶尺寸大，排列有序，缺陷少，導致CF表面活性碳原子位點更少、表面能更低[13]。因而與樹脂的結合性更差。對CF的表面處理可以增加CF表面活性、粗糙度和潤濕度，來提高纖維和樹脂的界面黏結，進而提高整體的力學性能。具體措施為：減少界面缺陷;在纖維表面制造溝壑，以起到機械鎖合作用，有益于黏結樹脂基體[17];增強樹脂和纖維之間的化學連接[18]。根據(jù)界面增強理論，目前修飾CF表面的方法可分為物理法、化學法及物理化學結合法，具體為氧化法、化學接枝和涂層等[19-20]。

2.1 氧化法

氧化法屬于化學結合法，可分為氣相、液相和電化學氧化法[21]。氣相氧化法一般是采用氣相氧化劑使得CF表面生成活性基團的方法。Kruppke等[22]將CF固定在金屬框架上，置于間歇式反應器中，通入不同比例的氟/氧氣的混合氣對其進行表面處理，當氟含量為5%時，CF表面功能化和拉伸強度的提高效果最佳。液相氧化法是指在濃硝酸、混合酸或強氧化劑等液相介質中氧化CF[23]。Lakshminarayanan等[24]將氣相生長CF浸泡在69%~71%的水相硝酸溶液中，在115 ℃環(huán)境下氧化10~90 min時，氧含量從6.3%增加到18.3%~22.5%，纖維在水中的浸潤性明顯增加。電化學氧化法是以CF作為陽極，碳酸氫鈉等作為電解質來活化CF表面。Bauer等[25]通過用兩種不同的電解液對CF進行陽極氧化，一種是用碳酸氫銨水溶液(pH≈8)在固定的纖維束上對其進行靜態(tài)不連續(xù)的陽極氧化(圖2(a));另一種是用稀硫酸溶液(pH≈2)對纖維束進行動態(tài)連續(xù)的陽極氧化(圖2(b))。結果證明在酸性電解液中氧化程度更高，主要是酸性中—COOH基團濃度的增加，證實了在酸性電解質溶液中的高潛力。氧化法可以在纖維表面負載大量含氧官能團，但缺陷是容易破壞纖維固有的力學強度。

2.2 化學接枝法

化學接枝改性屬于化學結合，是對CF表面進行接枝處理進而起到活化作用。表面接枝的物質可以分為以下三類。

第一類是小分子，如重氮化合物，硝基封端、端氨基重氮分子。Lin等[26]使用氨基封端的萘二酰亞胺(NDI)作為改性劑來處理HMCF表面，亞穩(wěn)態(tài)的NDI在改性HMCF的成核表面經(jīng)過溶劑蒸發(fā)和異相成核后，由于改性纖維表面sp2區(qū)形成的π-π共軛和氫鍵平衡作用下實現(xiàn)了分子自組裝行為。NDI在改性HMCF上形成平行組裝結構(圖3(a))，引入多壁碳納米管(MWNT)后，在MWNT的限域作用以及HMCF和MWNT的雙重成核效應下，NDI發(fā)生傾斜式自組裝結構，構建了具有納米結構的多尺度強化界面相，有助于增加裂紋擴展，并減少應力集中(圖3(b))。相應地，NDI/MWNT@HMCF相比MWNT@HMCF和NDI@HMCF復合材料，NDI/MWNT形成的傾斜式自組裝結構使得應力集中點從纖維表面轉移到模量平臺末端，從而增加了裂紋擴展的有效路徑和對破壞能量的吸收，獲得最高界面剪切強度(圖3(c)~(e))。此外，NDI中的端氨基可以參與環(huán)氧樹脂基體的交聯(lián)固化，進而增強HMCF和樹脂基體界面的黏結強度。

第二類是聚合物，如環(huán)氧、超支化聚咪唑等。Shi等[27]通過原位聚合法將異佛爾酮二異氰酸酯和咪唑在CF表面合成了超支化聚咪唑(HBM)，有效改善了CF表面的極性基團、粗糙度和潤濕性，在纖維和環(huán)氧樹脂間構建了化學相互作用和物理相互作用強的界面層。

第三類是納米材料，如碳納米管(CNT)、二氧化硅納米粒子等。納米材料具有比表面積大，功能性強的優(yōu)點，但需要注意防止其在CF表面的團聚，提高其分散性。Yan等[28]利用層層組裝技術，先用硝酸處理CF，增加氧化位點，降低長徑比，隨后利用紫外氧化在CF表面共價接枝CNT，提供了CF的表面活性和粗糙度，增強了CF和環(huán)氧樹脂的界面相互作用。Feng等[29]采用自組裝法在KH550修飾的CF表面引入KH560修飾的二氧化硅納米粒子，來提高CF和聚乳酸聚合物間的界面黏結性(圖4)。

2.3 涂層法

涂層法屬于物理化學結合法，是在纖維表面涂覆較高和活性的分子或者聚合物。上漿處理、氣相沉積和偶聯(lián)劑處理是較常用的方法。Liu等[30]通過改性富含親水基團的氧化木質素，并將其與CNT復合，制備出一種親水性木質素基上漿劑，用于制備CF/環(huán)氧樹脂復合材料。使用該種上漿劑后，復合材料的層間剪切強度提高了58.4%，這得益于上漿劑、CF和環(huán)氧樹脂間的π-π共軛和氫鍵作用以及CF和環(huán)氧樹脂間的機械互鎖作用。Wu等[31]首先在CF表面構筑不同厚度的聚多巴胺涂層，使得金屬催化劑有效均勻地分布在CF表面，隨后應用氣相沉積法使得CNTs在金屬催化劑作用下有序生長在CF表面，界面增強機理如圖5所示。CNTs的毛細管效應增強了纖維和樹脂間的作用面積和潤濕性能，阻礙了界面間裂紋擴展并能夠傳遞、分散和吸收應力。引入聚多巴胺涂層后使得纖維在高溫和金屬催化劑下仍能保持纖維強度不被損傷，同時有利于CNTs的有序分布。

CF表面處理方法匯總如表1所示[22-31]。氧化法工藝簡單、易于操作，能夠實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，其中氣相氧化法的反應條件不易控制，容易損傷纖維的固有強度;液相氧化法相比氣相氧化法反應緩和，但處理時間長，且強酸等危險液體存在風險，會污染環(huán)境;陽極氧化法可以在溫和的氧化條件下改性CF，且可通過改變電解質獲得不同表面活性的改性CF，目前已進入產(chǎn)業(yè)化應用，實現(xiàn)了連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)?；瘜W接枝法可設計性強，易于操作，效果顯著，但是需要檢測接枝效果和接枝穩(wěn)定性，穩(wěn)定性是其進入產(chǎn)業(yè)化應用需要解決的問題。涂層法使用較普遍，具有設計靈活性高、成本低、實施效果好、適合工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點，目前上漿涂層已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，但不足之處是某些上漿劑的使用會造成環(huán)境污染。此外，應用到納米粒子改性的接枝法或涂層法需要考慮團聚問題，納米材料的分散性是實際應用的難題。

3 碳纖維與樹脂基體的適配性

纖維與樹脂的適配性是復合材料研究的一個關鍵性問題。樹脂的模量、本征黏度、流動性、固化條件和固化后力學性能等是影響纖維和樹脂適配性的重要因素。復合材料不同成型工藝對樹脂固化性能等具有不同的要求，樹脂的選擇也需要根據(jù)成型方式的要求確定，不同類型的樹脂也需要不同的界面處理方法。其中熱固性樹脂表面活性基團較多，而熱塑性樹脂大多為非極性材料，使其與CF結合難度更高，因而兩種樹脂的改性側重點不同。熱固性樹脂主要側重于模量改性，熱塑性樹脂側重于增加表面活性位點。此外，由于熱固性樹脂不能加熱熔融，只能一次成型，而熱塑性樹脂可反復加熱熔融，多次使用，熱塑性樹脂更有利于解決CFRP的回收利用問題。

3.1 熱固性樹脂

CF表面惰性，浸潤性差，一般CFRP的基體選用環(huán)氧樹脂。這是由于環(huán)氧樹脂中含有大量極性羥基、醚鍵和酯鍵等基團，黏附力強，與CF結合的難度相對較小。環(huán)氧樹脂是含有一個以上環(huán)氧基團的低分子量預聚物，能固化形成三維網(wǎng)絡[32]。按照分子結構可分為縮水甘油類、脂環(huán)族、環(huán)氧烯烴和雜環(huán)環(huán)氧。環(huán)氧樹脂屬于熱固性樹脂，固化后由線型網(wǎng)絡轉變?yōu)榻宦?lián)網(wǎng)絡狀結構，是不溶不熔的固化物。其優(yōu)點是耐熱、耐壓、不易燃，制品尺寸穩(wěn)定性好，缺點是脆性較大[33]。

CF模量高，增強基體樹脂的模量，改善纖維和樹脂的模量匹配性，可以在不損傷纖維的前提下提高復合材料整體的界面強度，增強復合材料的剛性[34]。環(huán)氧樹脂基體的模量與主鏈的流動性、分子間作用力和固化交聯(lián)網(wǎng)絡的自由體積有關[35]。樹脂基體模量的提高有助于改善HMCF復合材料的界面剪切強度。界面相可以包括CF和上漿劑的界面，上漿劑和樹脂基體的界面等。這些不同模量界面層可稱為模量中間層，起到平穩(wěn)連接纖維和樹脂的作用。CF模量高于樹脂，兩者間存在模量差，通過構建模量過渡層可以提高復合材料整體的力學性能。Xu等[34]通過調節(jié)脂環(huán)族環(huán)氧樹脂(CE)和酰胺酸(AA)的剛性有機分子結構來調節(jié)環(huán)氧樹脂的模量，制備出低、中、高三種模量的環(huán)氧樹脂基體(圖6(a))。應力傳遞過程中遇到高模量物質會產(chǎn)生應力集中點。如圖6(b)所示，HMCF和低模量樹脂間由于模量急劇下降，在上漿劑/樹脂界面發(fā)生剪切破壞之前，易發(fā)生應力集中的是上漿劑/HMCF界面，此類型界面剪切強度最低。隨著樹脂基體模量增加，纖維和樹脂的模量差異減小，模量上的梯度過渡可以使載荷均勻傳遞，并使應力集中遠離HMCF表面(圖6(c))。樹脂基體模量在增加時，應力集中點從HMCF表面有效地轉移到模量平臺的末端，使裂紋在富含樹脂區(qū)擴散路徑更曲折，提高了HMCF/高模樹脂復合材料的界面剪切強度(圖6(d))。此外，環(huán)氧樹脂固化劑也至關重要，一般分為常溫固化和加熱固化，常溫固化劑選用脂肪族多元胺、聚酰胺和脂環(huán)族多元胺等，加熱固化劑多選用酸酐和多元胺。

3.2 熱塑性樹脂

近年來CF增強熱塑性樹脂的研究也逐漸增多，如聚酰胺(PA)、聚苯硫醚和聚醚醚酮(PEEK)樹脂等[36]。熱塑性相較于熱固性樹脂一般具有抗沖擊性強、韌性高、可回收利用等優(yōu)點。與此同時，CF增強熱塑性樹脂基復合材料的研發(fā)增多，一方面是高性能熱塑性工程塑料研發(fā)取得一定成果，具有優(yōu)良的綜合性能，如耐高溫PEEK材料;另一方面是可循環(huán)CFRP的需求，可反復加工的熱塑性樹脂有益于可循環(huán)回收利用。所以，雖然熱塑性樹脂與CF界面結合難度高，但其高性能和易回收的優(yōu)勢吸引大量學者對其進行改性研究來適配CF。

熱塑性樹脂大部分為非極性材料，表面活性基團較少，因而黏附性不如環(huán)氧樹脂，需要開發(fā)適用的熱塑性復合材料專用上漿劑。Yan等[37]制備了一種CF/PA6復合材料，使用合成的新型聚酰胺型水性上漿劑提高CF的表面潤濕性和界面相容性，增強PA6基體在CF表面的浸潤性，上漿劑含量為4%時復合材料的層間剪切強度從45.1 MPa提高到54.2 MPa。PEEK是一種熱塑性工程塑料，耐高溫，熔點為334 ℃，長期使用溫度為240 ℃，熱分解溫度為520 ℃，CF增強PEEK復合材料可耐300 ℃以上，是優(yōu)異的耐高溫樹脂。正是由于PEEK優(yōu)異的耐熱性和化學穩(wěn)定性導致復合材料界面性能下降。主要存在以下兩方面問題：(1)PEEK常溫下不溶，而且熔體黏度高，熔融狀態(tài)下與纖維的浸潤性差;(2)化學穩(wěn)定性好，常規(guī)加工過程中無法形成化學鍵等強相互作用。為制備CF/PEEK復合材料必須提高纖維與PEEK基體的適配性，使用有效的改性手段增強界面強度。目前，制備PEEK型上漿劑是增強該復合體系界面強度比較有效的方法。Wang等[38]使用PEEK接枝CNT(CNT-gPEEK)與可溶性PEEK混合作為PEEK-gCNT上漿劑制備了CF/PEEK復合材料，層間剪切強度達到了103.4 MPa，發(fā)揮了優(yōu)異的界面增強效果。圖7是PEEK-CNT，PEEK-aCNT和PEEK-gCNT三種上漿劑的制備示意圖，CNT的存在形式依次為CNT、酸化CNT(CNT-COOH)和CNT-gPEEK，其中PEEK-gCNT上漿劑具有更強的耐溶劑性能。Zhou等[39]制備了一種磺化聚醚醚酮(SPEEK)/羧基化碳納米管(MWCNTS)上漿劑，SPEEK磺化度為16.67%，MWCNTS含量為0.5%，上漿劑提高了纖維和PEEK樹脂的相容性，應用后CF/PEEK復合材料的層間剪切強度提高了84.2%。雖然熱塑性樹脂與CF的結合相比于熱固性樹脂更困難，但依靠有效的CF表面改性和樹脂改性方法以及開發(fā)專用熱塑性上漿劑可以推動高性能CF增強熱塑性復合材料的開發(fā)，是纖維增強樹脂基復合材料方面一個重大的進展。

應用進展

改性CF和改性樹脂基體經(jīng)過界面結構設計制備為結構功能一體化復合材料，具有輕質、高比強度和高比模量的性能優(yōu)勢，在航空航天、風電葉片以及新能源汽車等領域具有廣闊的應用前景等。

1990年，波音公司便采用碳纖維預浸料用于波音777的主機身結構[40]。目前，CFRP在波音787上已應用到機身、主翼、尾翼和襟翼，而波音767主要用于襟翼，CFRP質量比從3%提高到50%，波音787的質量顯著減輕，并節(jié)省了20%~22%的燃油?？湛虯350也主要使用CFRP，質量達到53%。私人飛機和直升機的CFRP的使用量已達到70%~80%。CFRP在飛機上的應用從副翼、翼片和方向舵等開始，隨著復合材料力學性能的研發(fā)進步，能夠應用于機身、垂直尾翼和機翼等主要結構，并逐漸取代輕質金屬合金。CFRP除作為結構材料外，其導電性能也被設計用于防雷涂層。Langot等[41]研究了不同方阻的無紡布鍍鎳CF在飛機防雷擊保護測試中的表現(xiàn)，并與膨脹銅箔進行對比，結果表明無紡布鍍鎳CF具有與膨脹銅箔相似的防雷擊性能，但是材質更輕。CFRP的應用需要關注樹脂基體的改性研究。低成本大絲束CF復合材料的超薄化是促進CFRP產(chǎn)業(yè)化的一個趨勢，超薄預浸料具有厚度小、設計好、屈曲角小等優(yōu)點，能夠延遲基體開裂和分層。但是，常用的環(huán)氧樹脂并不能滿足這一要求。Zhang等[42]研究了CNT增強環(huán)氧樹脂對超薄CFRP的影響，當CNT含量在0.2%時，環(huán)氧樹脂的抗壓強度、抗彎強度、抗彎模量和抗拉強度最高，由此制備得到的復合材料的抗拉強度、層間剪切強度和抗壓強度均有顯著提高，在航空航天領域具有潛在的應用前景。

隨著風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為降本增效，風電葉片逐漸大型化。大型風電葉片可以增大年發(fā)電量，同時可以減少風電機組占用土地面積和安裝等成本，有利于降低用電成本。目前風機葉片長度向160 m發(fā)展[43]。大型化的風機葉片對材料的強度、模量、密度和耐疲勞性等性能提出了更高的要求，無堿玻纖/織物的模量約為40 GPa以上，而純CF織物、預浸料和拉擠板的模量提高到了120 GPa以上，傳統(tǒng)玻璃纖維的強度和模量已經(jīng)不能滿足需求，輕質高強的CF展現(xiàn)出比玻纖更大的優(yōu)勢和必要性。國外風電葉片基本都轉向CF技術路線，50~120 m葉片大部分都采用CF，國內CF主要應用于海上百米級風電葉片。風電葉片材料的優(yōu)化進程主要是材料質量、性能和成本的優(yōu)化過程。隨著CF原絲和碳絲成本的降低，CF在風電葉片領域的應用占比會大量提升。風電葉片的增強材料主要用于主梁和葉片根部，一般選用連續(xù)纖維作為增強材料，熱固性樹脂來黏結和支撐增強材料，其中熱固性樹脂主要選用環(huán)氧樹脂?，F(xiàn)今風電葉片主要使用CF拉擠板，因為拉擠碳板相較于預浸料和織物而言，缺陷少，纖維含量更高，從而性能更高，且能夠連續(xù)成型，易于自動化，質量穩(wěn)定，適合大批量生產(chǎn)[44]。拉擠工藝用樹脂基體的要求為黏度低、適用期長和固化收縮小，長葉片用環(huán)氧樹脂還要求具有優(yōu)良的彎曲強度和結構性能[45]。拉擠工藝用的CF使用前必須經(jīng)過表面處理，增大樹脂的浸漬性，未來研發(fā)的方向是開發(fā)專用的風電拉擠用CF及適配的改性樹脂。

新能源汽車的質量問題是影響汽車續(xù)航里程的關鍵問題。汽車質量每降低10%，續(xù)航里程約提高5.5%[46-47]。將輕質高強的CF復合材料作為新能源汽車承重件，不僅可以大幅減輕汽車的質量，也增強了汽車的強度、減震特性和耐疲勞使用性能，達到了降低能耗和增加續(xù)航的目的。目前CFRP已經(jīng)應用于車門、引擎蓋和行李箱蓋等車身覆蓋件;車身、頂蓋、座椅和底盤等車身結構件;輪轂、制動盤和內外飾材料等[48]。CFRP用于新能源汽車的車身，將其代替鋼鐵等金屬材料，質量可以減輕40%~60%[49]。英國的減重實驗表明CFRP制作的車身質量為172 kg，相比鋼制車身的368 kg，減重約50%[49]。車用CF復合材料主要應用大絲束CF，成型工藝有濕法模壓和快速成型工藝等，具體包括預浸料壓縮成型、模壓成型、高壓樹脂傳遞模塑和注塑成型等[50]。目前常用的是CF增強環(huán)氧樹脂復合材料，成型過程中大絲束CF與樹脂的結合性提升是關鍵，可以選用機械打磨和上漿處理CF、改性環(huán)氧樹脂使其適配成型工藝等組合改性方法以提高界面結合強度。

結束語

本文針對CF復合材料制備時存在CF表面惰性和力學性能轉化率低等問題，設計出與熱固性或熱塑性樹脂相匹配的界面改性方法，主要包括氧化法、化學接枝和涂層法的CF表面處理技術以及樹脂改性方法，對于CFRP的力學性能調控和終端產(chǎn)業(yè)鏈的應用具有重要意義。全文從CF、樹脂、復合材料構建和最終的應用情況四個方面逐級對CFRP從材料到應用進行了評述和分析，圍繞此研究內容，后續(xù)可從以下方面改進：

(1)優(yōu)化針對高強或高模等具有不同表面形態(tài)CF的特定表面改性技術。氧化法是工業(yè)化程度較高的方法，其中陽極氧化法通過多樣的電解液在較溫和的條件下可以獲得不同表面活性的改性CF，效果顯著并已進入產(chǎn)業(yè)化應用。涂層法中上漿處理能夠增強CF表面活性而不損傷纖維，適合工業(yè)化生產(chǎn)?；瘜W接枝法的設計靈活性高、效率高，但進行工業(yè)化生產(chǎn)時穩(wěn)定性不易控制。不同種類CF的表面形態(tài)不同，未來工業(yè)化改性方法可以選用氧化法和非氧化法相結合的復合改性法。

(2)開發(fā)針對不同樹脂的改性方法，研發(fā)不同類別及應用場景下的CF市售上漿劑。熱固性樹脂的模量、表面基團、固化性能等以及熱塑性樹脂的表面活性等需要改性來提高其與CF的界面結合性。除環(huán)氧上漿劑外，熱塑性上漿劑的需求增加且CF回收利用問題逐漸突出。特定應用的上漿劑亟需市場化，如耐高溫上漿劑、拉擠碳板專用上漿劑等。熱塑性上漿劑的普及會促進CF增強熱塑性樹脂的大面積使用，有益于實現(xiàn)復合材料的回收利用。

(3)加強復合材料界面增強理論和界面表征技術研究。隨著科學儀器的發(fā)展，可以應用更直觀的界面表征手段來獲取界面層數(shù)據(jù)，同時界面模擬等模擬技術應用增多，可以預測界面改性效果，提供大數(shù)據(jù)庫，提高改性的準確性和有效性。

(4)制定碳纖維復合材料標準化體系。從CF單絲參數(shù)到復合材料成型工藝參數(shù)、各領域需要的制品尺寸規(guī)格和性能范圍趨向標準化。標準化體系的建立可以降低CF材料生產(chǎn)商的制備成本，生產(chǎn)通用型碳纖維復合材料制品用于專用領域，可實現(xiàn)提質增效，擴大CFRP的應用比例。

參考文獻

來源：劉柳薪,盧曉英,吳穎,等.碳纖維增強樹脂基復合材料界面改性及應用進展[J].材料工程,2024,52(9):70-81.