提高CFRP材料性能的方法

提高CFRP材料性能的方法

CFRP（碳纤维增强复合材料）因其轻质高强的特点，在航空航天、风电叶片、新能源汽车等领域展现出广阔的应用前景。本文将探讨提高CFRP材料性能的理论与方法，包括界面相增强理论、优化碳纤维的方法、优化聚合物兼容性以及高性能碳纤维的应用前景。

增强 CFRP 材料性能的理论

界面相是碳纤维布材料界面处理增强了纤维与聚合物之间的粘结性，使复合材料内部模量过渡平稳，使纤维与聚合物基体之间应力传递均匀，防止应力集中，增强纤维复合材料的完整性。

碳纤维与聚合物之间的键合方式可分为物理键合（主要有机械联锁、吸附、范德华力、氢键等）和化学键合（主要有共价键等），主要的界面增强理论包括：

| 机械联锁理论：研究纤维粗糙度和表面结构；

| 化学键理论：研究纤维表面反应性功能基团及共价键的接枝；

| 润湿性理论：研究纤维表面与基质之间的润湿性。

优化碳纤维以增强 CFRP 材料性能

氧化法

| 氧化法的定义:

氧化方法属化学键合方法，可分为气相氧化、液相氧化和电化学氧化。

气相氧化一般采用气态氧化剂在碳纤维表面生成活性基团；液相氧化是指在浓硝酸、混酸或强氧化剂等液体介质中对碳纤维进行氧化；电化学氧化以碳纤维为阳极，以碳酸氢钠等物质为电解液，对碳纤维表面进行活化。

| 氧化法的特点:

气相氧化反应条件难以控制，易破坏纤维固有强度；

液相氧化比气相氧化温和，但需要更长的处理时间，并且由于强酸等危险液体会污染环境而带来风险。

阳极氧化可以在温和的氧化条件下对碳纤维进行优化，通过改变电解液得到具有不同表面活性的改性碳纤维，目前已进入工业应用，实现了工业连续化生产。

化学接枝法

| 嫁接方法的定义

化学接枝是对碳纤维表面进行接枝处理，使其活化。表面接枝物质可分为三类：

小分子：如重氮化合物、硝基端、氨基端的重氮分子。

聚合物：例如环氧树脂和超支化聚酰亚胺。

纳米材料：例如碳纳米管（CNT）和二氧化硅纳米颗粒。

| 嫁接方法的特点

设计性强，操作简便，效果显著，但需检测嫁接效果及稳定性，稳定性是工业化应用需要解决的问题。

涂布方式

| 涂装方法的定义

涂层是将粘度大、活性高的分子或聚合物涂覆到纤维表面，常用的方法有上浆处理、气相沉积、偶联剂处理等。

| 涂装方法的特点

设计灵活性高，成本低，实施效果好，适合工业化生产。上浆涂层已经实现商业化，但某些上浆剂的使用会造成环境污染。

优化聚合物兼容性以增强 CFRP 材料性能

纤维与聚合物的相容性是复合材料研究的关键问题，聚合物的模量、流动性、固化条件、固化后的力学性能等都会影响纤维-聚合物的相容性和CFRP材料的性能。

不同的复合材料成型工艺对聚合物固化性能的要求不同，聚合物的选择需根据成型方法的要求来确定，不同类型的聚合物也需要不同的界面处理方法。

热固性树脂

碳纤维表面具有惰性，润湿性较差，因此一般选用环氧树脂作为CFRP的基体，这是因为环氧树脂含有较多极性羟基、醚、酯基，黏附力强，比较容易与碳纤维粘结。

热固性树脂的优点是耐热、耐压、耐火，制品尺寸稳定性好，缺点是脆性大。碳纤维具有较高的模量，增强了基体树脂的模量，改善了纤维与树脂之间的模量匹配，可以在不损伤纤维的情况下提高复合材料整体的界面强度，从而提高了复合材料的刚性和CFRP材料性能.

另外环氧树脂固化剂也至关重要，一般分为室温固化和热固化，室温固化剂有脂肪族多胺、聚酰胺、脂环族多胺等，热固化剂常有酸酐、多胺等。

热塑性树脂

近年来，对碳纤维增强热塑性树脂（如聚酰胺（PA））的研究也有所增加。

虽然热塑性树脂与碳纤维的粘结难度比热固性树脂更大，但有效的碳纤维表面改性和树脂改性方法，以及专用热塑性上浆剂的开发，可以促进高性能碳纤维增强热塑性复合材料的发展。而且热塑性树脂的可再加工性有利于可回收性，满足了对可回收碳纤维增强复合材料的需求。

高性能碳纤维的应用

碳纤维增强复合材料材料性能的提高，具有重量轻、比强度高、比模量高的优点，在航空航天、风电叶片、新能源汽车等领域有着广阔的应用前景。

|飞机：CFRP在飞机上的应用最早是从副翼、翼梢小翼、方向舵开始，随着CFRP材料力学性能的提高，目前已可应用于机身、垂直尾翼、机翼等主要结构，逐步取代轻质金属合金。空客A350也是主要使用CFRP，占机身重量的53%；私人飞机、直升机等也使用CFRP，占比达到70%-80%。

|车辆：新能源汽车的重量问题是影响车辆续航里程的关键因素，车辆重量每减轻10%，续航里程可增加约5.5%。新能源汽车采用轻量化、高强度的碳纤维作为承载部件，可大幅减轻车辆重量，提高车辆强度、减振性能、抗疲劳性能，达到降低能耗、增加续航里程的目的。

图片来源：Researchgate & Tieusplastics & Vem-tooling