电磁技术在碳纤维及其复合材料制造中的应用研究进展
电磁技术在碳纤维及其复合材料制造中的应用研究进展
在全球能源紧缺和环境压力不断加剧的背景下，低碳排放与可持续发展已成为材料工业亟待解决的重要课题。碳纤维增强复合材料（CFRP）凭借其轻质、高强等优异性能，正广泛应用于航空航天、汽车制造、基础设施建设以及可再生能源等领域。然而，传统的热依赖型制造与回收工艺存在的高能耗、高排放问题，已成为制约其可持续发展的瓶颈。
北京化工大学先进复合材料研究中心依托于“有机无机复合材料国家重点实验室”、“国家碳纤维工程技术研究中心”、“碳纤维及特种高分子教育部重点实验室”和“北京市新型高分子材料制备与成型加工重点实验室”等国家级、省部级研发平台，是我国树脂基复合材料科学与工程研究领域重要的研究力量之一。近年来，该团队一直致力于电磁技术在碳纤维及其复合材料制造中的研究。
基于以上研究基础，北京化工大学团队与澳大利亚南昆士兰大学团队合作，在复合材料领域知名期刊Compos. Part B的Future Composites -50 Year专刊上发表了题为“Electromagnetic techniques in carbon fibre and carbon fibre composites manufacturing: A review”的综述性论文。从碳纤维制造、界面构建、固化成型和绿色回收等方面，系统解析了电磁驱动技术在CFRP全生命周期中的革新应用，提出了“节能-增效-循环” 一体化的解决方案，为未来碳纤维复合材料领域的相关研究提供了新思路。
碳纤维生成制造
传统依靠热传导的碳化工艺存在温度分布不均、加热效率低、能耗高等问题，导致生产成本居高不下。为此，电弧加热和电磁感应加热等新型加热技术因其均热高效、节能降耗的优势，正逐渐成为未来碳纤维生产的重要替代方案。直流焦耳加热利用电流直接在碳前驱体内部产生局部高温，实现快速升温、精准控温和电迁移效应，从而重组碳结构，显著提高了纤维的强度和模量；而微波碳化则通过分子级能量转换实现三维均匀加热，不仅提高了石墨化程度和力学性能，还大幅降低了能耗和碳排放。这些电磁驱动加热技术为碳纤维生产提供了高效、节能、低碳的新途径，助力产业实现绿色转型升级。
图1 电磁驱动技术在CFRP的全产业链中的应用
复合材料界面构建
传统改性方法难以克服碳纤维表层低反应性的问题。电磁驱动技术通过阳极氧化在直流电场作用下高效生成羧基、羟基等官能团，及电泳沉积技术将氧化石墨烯、碳纳米管、MXene和金属有机框架等纳米材料精准沉积于纤维表面，构建多级界面结构；此外，微波活化技术利用体积加热与局部高温效应，实现纤维表面快速均匀活化，极大改善了界面粘结力和机械性能。这些方法不仅高效节能、环保，还具备在线roll-to-roll大规模生产的潜力。
图2 以微波辐照为代表的电磁驱动界面构建技术
复合材料固化成型
传统固化方法依赖烘箱和模具逐层传热，存在能耗高、固化不均及内部应力集中的弊端。相比之下，电磁驱动固化技术采用非接触式加热：焦耳加热利用碳纤维高导电性实现快速均热；感应加热通过优化设计的电磁线圈产生均匀涡流，实现精准控温；微波固化则利用915MHz或2.45GHz电磁波，综合发挥树脂介电损耗与碳纤维导电损耗，实现大件与复杂结构的体积加热，大幅缩短固化周期并降低能耗。
碳纤维回收再利用
传统的填埋、焚烧和机械回收方法不仅环境污染严重，还难以保证回收纤维的高强性能。电磁驱动技术，尤其是微波热解技术，通过利用碳纤维的微波响应性实现内部体积加热，“天线效应”使纤维迅速升温，并借助火花辉光放电等机制促使树脂裂解，从而高效分离出表面完好、强度保留较高的再生纤维。进一步结合催化剂（如ZnCl?、铁基催化剂）和极性溶剂，微波催化热解及微波辅助化学回收技术可在温和条件下实现定向转化与高效回收，极大提升了纤维的再生价值。同时，利用脉冲电流或高压静电场等技术也能迅速实现废旧纤维的解聚与高值再生。
未来展望
尽管电磁场与材料的微观相互作用机制仍待深入研究，该技术已展现出显著的工业化潜力，从“卷对卷”连续生产到工程级快速制造，正推动CFRP向低碳化、智能化迈进。未来，随着电磁–材料交互机制的深入解析与工艺优化，电磁驱动技术将重塑复合材料产业生态，为新能源与信息技术等领域提供高性能、可持续的材料解决方案，引领生产模式的革命性变革。
本工作受到北京自然科学基金、2022-2024有机无机复合材料国家重点实验室开放课题、澳大利亚研究委员会发现项目、中央高校基本科研业务费、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金等项目资助。