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序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦十篇碳纖維復合材料范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。
中圖分類號：TU531.6
1 引言
一般按照材料特性將井蓋分為鑄鐵（包括灰口鑄鐵和球墨鑄鐵）、復合材料、水泥及菱鎂等幾種井蓋。傳統的水泥混凝土井蓋具有造價低、制造方便、取材方便等優勢，但其脆性大、易老化、易斷裂；目前國內常用的井蓋還是以鑄鐵的（含球墨鑄鐵）[1]為主。鑄鐵井蓋最突出的優點是強度高、使用壽命長、工藝成熟。但其造價高，防盜性差。主要是因其材料可以回收利用，因而容易被盜，這不僅造成巨大的經濟損失，還會引發嚴重的安全問題。通過安裝防盜裝置會進一步增加井蓋的成本，因而，為解決此問題，采用沒有回收利用價值的復合材料井蓋就是最佳的選擇。目前市政工程中的復合材料井蓋存在承壓能力低、易老化變形等問題，因此在傳統的井蓋基礎上引進高強度新材料開發能夠保證承載力、耐久性好且無回收利用價值的復合材料井蓋是一個值得關注的研究方向。
2 碳纖維加固混凝土的國內外研究概況
2.1國外研究現狀
碳纖維加固技術最初起源于德國和瑞士，接著日本也進入了碳纖維加固行業，并且迅速的推廣了碳纖維加固技術，加固范圍和加固領域也一直在不斷擴大和延伸，而運用碳纖維材料加固的最主要對象為鋼筋混凝土結構。歐美及日本的大量研究機構從上個世紀的八十年代開始就通過科研實踐，對碳纖維加固技術進行深入研究，現在在全世界都在廣泛的使用這項加固技術，此方法已經成為了一種常用的加固方法[2]。
2.1國外研究現狀
碳纖維加固技術最初起源于德國和瑞士，接著日本也進入了碳纖維加固行業，并且迅速的推廣了碳纖維加固技術，加固范圍和加固領域也一直在不斷擴大和延伸，而運用碳纖維材料加固的最主要對象為鋼筋混凝土結構。歐美及日本的大量研究機構從上個世紀的八十年代開始就通過科研實踐，對碳纖維加固技術進行深入研究，現在在全世界都在廣泛的使用這項加固技術，此方法已經成為了一種常用的加固方法[2]。
Shahawy[3]在對CFRP 加固梁的疲勞性能和靜力性能研究方面，通過試驗結果分析研究得出了混凝土強度等級、碳纖維布加固層數和碳纖維的不通加固方式對梁的靜力性能影響較大，尤其是對梁的極限承載力以及混凝土的延性性能方面影響較大。同時此文還研究了加固梁的疲勞性能，通過研究結果得出利用碳纖維加固對混凝土梁的疲勞性能也有顯著影響，利用碳纖維加固能使梁具有很好的疲勞性能。得出結論如下：CFRP 加固在很大作用上能夠增強梁的疲勞性能和靜力性能。他還對整個試驗的過程通過運用有限元軟件進行了模擬，并對比試驗結果，驗證了利用有限元分析結構性能具有合理性。
2.2國內研究現狀
我國則從1997年才開始對碳纖維復合材料加固混凝土結構進行研究。近幾年來對采用粘貼碳纖維布材加固鋼筋混凝土梁的抗彎受力性能研究方面較為普遍，相應的研究成果較多。
馮鵬、陸新征等通過實驗研究四根不同加固形式的構件，對試驗構件的受力全過程進行了分析記錄，并對構件純彎段裂縫狀況、荷載撓度曲線、跨中混凝土截面應變分布、彎矩-碳纖維應變關系和同樣撓度時的極限彎矩值進行了詳細記錄研究，并利用試驗結果進行了匯總出了開裂彎矩、屈服彎矩、極限彎矩和混凝土、鋼筋和碳纖維應變等具體數據，運用公式所得的結果與試驗值基本符合。
趙志平等通過試驗得出了不同形式加固梁的屈服荷載和極限荷載，再利用ANSYS 有限元分析軟件對試驗中的梁進行了有限元非線性分析的模擬，得出有限元分析的結果能夠與試驗所得的值較好的符合，利用ANSYS 建模分析時，只要合理選用模型單元和合理設置計算參數，模型還是較高的實用性和可靠性的。
國內外學者研究表明，碳纖維材料能夠有效的加固混凝土，提高混凝土的強度和承載力。
3 復合材料井蓋的研究現狀
3.1國內研究現狀
國內常用的復合材料井蓋有以下，這些復合材料井蓋各有特點，共同的優勢是金屬材料含量極小或沒有，沒有值得回收利用的價值，可以起到適當的防盜作用，能夠彌補鑄鐵井蓋最大的缺憾。
（1）鋼纖維混凝土井蓋
鋼纖維混凝土井蓋是早期的復合材料井蓋，相對混凝土井蓋而言，較強的抗裂性能和抗沖擊性能是此類井蓋的最大特點。可以承受荷載的反復碾壓，表現出較好的耐久性能，且加工成本便宜，回收價值不大。但是，該類混凝井蓋重量較大，施工檢修較費力，井蓋邊緣容易破損，一般需要通過外加金屬邊框來改善這種崩邊現象。在城市道路、居民小區和工廠的雨水口等處一定程度上取代了鑄鐵井蓋。
3.2國外研究現狀
國外設計井蓋一般會根據井蓋不同部位采用增強材料各異。為保證其承載能力，通常在井蓋下部受力較大處使用連續纖維增強。為提高井蓋抗變形性能，在井蓋中部會大量使用填料；而為保證井蓋較好的耐磨性能，硬度較高、耐磨耐候性好的材料會用于井蓋上部，同時設計出相應的圖案、數字、文字和顏色。通過這一套工藝程序就能夠滿足耐磨耐候性和外觀要求。玻璃鋼井蓋優勢較明顯，既能保證井蓋的輕質高強和抗疲勞性能好等要求，同時還具有耐腐蝕和外表美觀等優點，也可以解決鑄鐵井蓋被盜的缺點，成為其替代產品。
綜上所述，國內外學者和業內相關人士對于井蓋進行了大量的研究，研究方法包括實驗、模型仿真、加工工藝等多種途徑，表明井蓋技術在城市道路建設和規劃中得到越來越廣泛的關注和重視，新型材料井蓋研究技術也將成為一種新型的技術領域。在不同的使用條件下，可以通過不同的復合材料井蓋來代替傳統的和常用的鑄鐵井蓋。碳纖維在混凝土領域的應用已經比較廣泛，但是，關于新型碳纖維在井蓋中的研究非常鮮見，在井蓋領域中碳纖維的應用還是空白，有極大的應用潛力和發展空間，未來將成為傳統鑄鐵井蓋和水泥混凝土井蓋的理想換代產品。
參考文獻
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[3]文斌等.基于界面效應的碳纖維水泥基復合材料壓敏性實驗研究.重慶科技學院學報，2009，11（6）：65-68.
本文以碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料為研究對象，對相關的概念和內容進行了梳理和總結。其中概括了碳纖維的性質性能，對復合材料的概念進行了闡述，最后對碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的力學性能作了詳盡的分析說明。
1.關于碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的概述
⑴復合材料的概念：面對傳統、單一組分的材料已經難以滿足現在應用需要的現實狀況，開發研制新材料，是解決這個問題的根本途徑。運用對材料改性的方法，來改善材料的性能是可取的。而材料改性的方法中，復合是最為常見的一種。國際標準化組織對于復合材料的概念有明確的界定：復合材料是指由兩種或兩種以上不同化學性質和物理性質的物質組成的混合固體材料。它的突出之處在于此復合材料的特定性能優于任一單獨組分的性能。⑵復合材料的分類簡介：復合材料的有幾種分類，這里不作一一介紹。只介紹兩種與本論文相關的類別劃分。如果以基體材料分類，復合材料有金屬基復合材料；陶瓷基復合材料；碳基復合材料；高分子基復合材料。本文討論的是最后一種高分子基復合材料，它是以有機化合物包括熱塑性樹脂、熱固性樹脂、橡膠為基體制備的復合材料。第二，如果按增強纖維的類別劃分，就存在有機纖維復合材料、無機纖維復合材料、其他纖維復合材料。其中本文討論的對象屬于無機纖維復合材料這一類別，因為碳纖維就是無機纖維復合材料的其中一種。特別值得注意的是，當兩種或兩種以上的纖維同時增強一個基體，制備成的復合材料叫做混雜纖維復合材料。實質上是兩種或兩種以上的單一纖維材料的互相復合，就成了復合材料的“復合材料”。
2.纖維增強樹脂基復合材料的性能特點
纖維增強樹脂基復合材料是指以高分子聚合物為基體材料，用纖維作增強材料復合制備而成的。基體材料和增強材料必然各自發揮自己的優勢作用。之所以用纖維作增強材料是因為纖維具有高強度和高模量的優點，所以是承載體的“不二人選”。而采用高分子聚合物作基體材料，是考慮其良好的粘接性能，可以將纖維和基體牢固的粘連起來。不僅僅如此，基體還需發揮均勻分散載荷的作用，通過界面層，將載荷傳遞到纖維，從而使纖維承受剪切和壓縮的載荷。當兩者存在良好的復合狀態，并且使結構設計趨于最佳化，就能最大程度上發揮復合材料的綜合性能。⑴抗疲勞性能好：所謂疲勞破壞指的是材料在承受交變負荷時，形成裂縫繼續擴大而引起的低應力破壞。纖維增強樹脂基復合材料的疲勞破壞的發生過程是，首先出現裂縫，繼而裂紋向進一步擴大的趨勢發展，直到被基體和纖維的界面攔阻。在此過程中，纖維的薄弱部位最先被破壞，隨之逐漸擴延到結合面。因此，纖維增強樹脂基復合材料在疲勞破壞前存在明顯的征兆，這與金屬材料的疲勞發生截然不同。這也是它的抗疲勞性能好的具體表現。⑵高溫性能好：纖維增強樹脂基復合材料具有很好的耐熱性能。將材料置于高溫中，表面分解、氣化，在吸熱的同時又冷卻下來。材料在高溫下逐漸消失的同時，表面又有很高的吸熱效率。這些都是材料高溫性能卓越的物理特征。⑶高比強度和比模量：纖維增強樹脂基復合材料具有高比強度和高比模量的特征。甚至在和鋼、鋁、鈦等金屬材料相比，它的力學性能也十分出色。這種材料在宇航工業中，受到極大的應用。⑷安全性能好：纖維增強樹脂基復合材料中分布的纖維數量巨大，并且密度強，用數據來說明的話，每平方厘米的復合材料上的纖維數量少則幾千根，多則達到上萬根。即便材料超負荷，發生少量纖維的斷裂情況，載荷也會進行重新分配，著力在尚未斷裂的纖維部分。因此，短時間內，不會影響到整個構件的承載能力。⑸設計的可操作性強：當復合材料需要符合性能和結構的設計需求時，可以通過很多方法來實現。包括改變基體和纖維的品種，調整它們的含量比例，也可以通過調整纖維的層鋪結構和排列方式來實現。因此，可以說，纖維增強樹脂基復合材料有很強的設計可操作性。⑹成型工藝簡單易成：成型工藝過程十分簡單易成，因其制品大多都是整體成型，無需使用到焊接、切割等二次加工，工藝流程簡單好操作。一次性成型不僅可以減少加工的時間，同時減少了零部件、緊固件、接頭的損耗，使結構更趨于輕量化。⑺減震性能好：高的自振頻率可以對工作狀態下的早期破壞起到規避和防范的作用。自振頻率和材料比模量的平方根成正比，和材料結構也息息相關。纖維增強樹脂基復合材料的基體界面和纖維因為具有吸振能力，所以能夠起到很好的減震效果。
3.碳纖維增強熱塑料樹脂基復合材料中碳纖維的性質
⑴對纖維的分類：纖維存在有機纖維和無機纖維之分。增強纖維共有五大類別，分別是：硼纖維、碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維以及芳綸纖維。除最后一種芳綸纖維以外，其他四種都屬于無機纖維。碳纖維是五大纖維之冠，是增強纖維中最有活力的一種。碳纖維復合材料種類很多，但是應用最廣泛的還要屬碳纖維增強樹脂基復合材料。⑵碳纖維的性質和性能：碳纖維是纖維狀的碳素材料，它的性質包括導熱、導電、耐溫、耐磨、比重小且耐腐蝕性等。除此之外，它的性能也相當突出，具有熱膨脹系數小、抗震動衰減、自性以及防原子輻射等。因為碳纖維的纖維屬性，因此可以對其編制加工，纏繞成型。利用纖維狀直徑細的特點，是制成復合材料雜曲面構件部件的絕佳材料。碳纖維能夠成為最有活力的增強纖維，它密度低，抗拉伸強度可以和玻璃纖維比肩，而碳纖維的彈性模量卻是后者的4到5倍。在惰性氣氛中，碳纖維的抗拉強度隨溫度的升高而攀升，表現出極佳的性能。因此，不得不說碳纖維是復合材料增強纖維的首選。⑶碳纖維的力學性質：碳纖維的力學性質主要通過軸向抗拉模量來體現。當熱處理溫度上升，碳纖維的模量隨之攀升。細直徑纖維在預氧化過程中，發生碳化，產生很多排列整齊的餓表皮結構。這些結構對碳纖維模量的增加又起到推波助瀾的作用，促使它的模量進一步提高。碳纖維模量的變化趨勢以施加負荷的方式作為判別標準，不是隨應變的增加而增加，就是隨應變的增加而下降，無非是這兩種情況。
中圖分類號：TQ342+.74 文獻標志碼：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
碳纖維分為PAN基碳纖維、粘膠基碳纖維和瀝青基碳纖維，其中PAN基碳纖維市場占有率超過90%，其生產流程包括纖維紡絲，預氧化、碳化，復合成型和回收利用等流程。
1 碳纖維及復合材料生產技術現狀
1.1 原絲生產技術現狀
原絲的高純化、高強化、致密化以及表面光潔是制備高性能碳纖維的首要條件。在PAN基碳纖維生產中，原絲約占總成本的50% ～ 60%，原絲質量既影響碳纖維的質量，又制約其生產成本。
原絲生產包括聚合和紡絲。原絲聚合是丙烯腈和第二單體、第三單體在引發劑作用下進行共聚反應，生成PAN紡絲液。日本東麗采用AIBN（偶氮二異丁腈）作引發劑，二甲基亞砜（DMSO）作溶劑，DMSO+AIBN體系憑借其操作安全和高質量產品，成為碳纖維丙烯腈聚合的主流方法。PAN基碳纖維原絲通過濕法和干噴濕紡紡絲工藝制造。濕法紡絲是碳纖維生產普遍采用的方法，其技術成熟，易工程化，所得原絲纖度均勻且纖維表面溝槽結構易于后道復合加工；干噴濕紡是將干法和濕法結合的新方法，可實現高品質原絲的細纖化和均質化，紡絲速度是濕法紡絲的 5 ～ 10倍，是高性能原絲生產最好方法之一。東麗、三菱麗陽，美國赫氏和韓國曉星都擁有干噴濕紡紡絲技術，中國中復神鷹、中油吉化等少數企業掌握干噴濕紡T700級碳纖維原絲生產技術，但產品的穩定性有待提高。
1.2 碳纖維的生產技術現狀
原絲經預氧化、碳化和后處理等工藝制得碳纖維。預氧化是纖維組織結構轉變的過渡階段，在保證絲條均質化的前提下，縮短預氧化時間，可以降低生產成本。碳化是纖維亂層石墨結構的成形階段，可使纖維強度大幅提升，碳化條件控制不當會造成纖維結構中有空隙、裂紋等缺陷，影響碳纖維性能。石墨化即高溫下牽伸，使纖維由亂層石墨結構向三維石墨結構轉化，提高碳纖維彈性模量。
碳化爐是制造碳纖維的關鍵設備，國產碳化爐發熱體最高耐熱溫度1 400 ℃，而國外大規模高溫碳化爐對我國實行出口限制，中等規模碳化爐價格又很高，提高了國內碳纖維的建設成本，導致國產碳纖維市場競爭力不足，研發高強級碳纖維生產線的國產設備迫在眉睫。
1.3 碳纖維增強復合材料技術現狀
碳纖維增強復合材料是以碳纖維及織物為增強體、樹脂為基體制成，其代表是以三維編織物為增強體，采用樹脂傳遞模塑工藝（RTM）進行浸膠固化而成的三維編織復合材料。三維編織技術具有較強的仿形編織能力，可以實現復雜結構的整體編織，常用編織工藝有四步法、二步法及多層聯鎖編織工藝。四步法操作靈活性強，編織物整體結構好，但編織速度較慢，對設備要求較高；二步法織造簡單，易實現自動化，適合編織較厚制件，但其執行機構以間斷的離散方式運動；多層聯鎖編織工藝編織的織物機械性能好，設備可平穩連續工作，但不易實現自動化生產。目前可滿足大而厚預制件編織需求的大型三維編織機不多，設計與研發高水平的三維編織機仍是努力的方向。
三維編織實現了增強材料的整體成型，而RTM工藝正是適于整體成型的工藝方法。RTM工藝是將液態樹脂注入閉合模具中浸潤增強材料并固化成型的工藝方法，是接近最終形狀部件的生產方法，基本無需后續加工。由于其效率高、能耗低、工藝適應性強等優點，適宜多品種、高質量的先進復合材料加工。RTM-三維編織復合材料是完全整體結構，與傳統復合材料相比，具有較高的損傷容限、強度和模量，為復合材料應用于承力結構件，特別是應用于航天航空等領域提供了廣闊前景。
1.4 碳纖維增強復合材料回收利用現狀
回收利用碳纖維可降低能耗、節約能源，主要方法有高溫熱解法、流化床分解法和超/亞臨界流體法。高溫熱解法是在高溫下使復合材料降解，回收的碳纖維力學性能降低幅度較大，影響碳纖維再利用，是目前唯一商業化運營的回收方法；流化床熱分解法采用高溫空氣熱流對復合材料進行高溫熱分解，通常用旋風分離器來獲得表面干凈的碳纖維，由于受高溫、砂粒磨損的影響，碳纖維長度變短、力學性能下降，影響回收碳纖維的應用范圍；超/亞臨界法是利用液體在臨界點附近具有高活性和高溶解性等性能來分解復合材料，最大限度地保留碳纖維的原始性能，由于其獨特的優越性，受到產業界高度重視，將可能成為碳纖維主要回收方法之一，目前多數回收技術仍停留在實驗階段，商業化道路漫長。
2 碳纖維及復合材料市場現狀分析
2.1 碳纖維市場現狀分析
碳纖維分為大絲束碳纖維（>24K）和小絲束碳纖維（
2.2 碳纖維復合材料市場現狀
2013年碳纖維復合材料總產值147億美元，其中CFRP產值94億美元，約占64%。碳纖維復合材料的需求7.2萬t，2020年需求將達14.6萬t（表 2），2010 ― 2020年復合年均增長率超過11%。
碳纖維復合材料主要應用到國防航空、交通工具、風力發電、運動休閑、土木建筑等領域，各領域產值見表 3。
（1）國防航空
2013年碳纖維增強復合材料在國防航空領域產值達41.2億美元，其中民用航空24.7億美元，占60%，軍用飛機占16%，商業飛機占8%。在航空領域，碳纖維復合材料占空客A380結構材料的20%以上，波音787結構材料中近50%使用碳纖維復合材料和玻璃纖維增強塑料。碳纖維復合材料取代金屬結構材料，減輕機身質量，節約燃油，在航空領域應用不斷拓展。在國防領域，碳纖維復合材料已用于隱形機、戰斗機、導彈等開發。美國研制出世界上最小無人機，主體由碳纖維制成，僅重106 mg，用于搜索和救援行動，美國F-22和F-35戰斗機，歐洲A400M大型軍用運輸機，日本M-5火箭等都在不斷拓展碳纖維復合材料的應用。美國防部在“面向21世紀國防需求的材料研究”報告中強調，“到2020年，只有復合材料才有潛力使裝備獲得20% ～ 25%的性能提升”。
（2）交通工具
2013年碳纖維增強復合材料在交通工具領域產值達22億美元，其中汽車領域10.1億元，占總產值46%，卡車領域占18%，摩托車占15%，客運火車占13%。CFRP具有輕質高強的特點，逐漸成為汽車輕量化首選材料。試驗證明，汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%；汽車質量每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3 ～ 0.6 L。全球大型汽車制造商積極聯合碳纖維生產企業，旨在突破碳纖維零部件的低成本工業化生產，廣泛應用于普通汽車。
（3）風力發電
2013年碳纖維增強復合材料在風力發電領域產值達17.6億美元，消耗碳纖維約6 700 t。1985年風輪平均直徑僅15 m，單位產出低于 1 MW，到2013年風輪平均直徑達100 m，平均產出為2.5 MW。當風輪葉片長度在40 ～ 50 m時，碳纖維是唯一能用于制造葉片的材料，隨著風電裝機容量的增加，也必然會促進碳纖維在這領域快速發展。風力發電主要集中在3 個國家，2013年中國達91 GW，占全球30%，其次是美國和德國，分別達62G W和34 GW。
（4）運動休閑
2013年碳纖維增強復合材料在運動休閑領域產值達14.7億美元，其中高爾夫桿等產品產值5.6億美元，占38%，網球和羽毛球球拍占21%，自行車占14%。運動休閑用碳纖維消耗量最大在亞洲，特別是中國，高爾夫球桿、網球拍、釣魚竿、自行車架、船槳、公路賽車等都用到碳纖維。由于成本問題，制約碳纖維在該領域的快速發展，預計2015年全球運動休閑領域對碳纖維需求增長依然保持在4%左右。
（5）土木建筑
2013年碳纖維增強復合材料在建筑工程領域產值達5.9億美元，消耗碳纖維約2 300 t。隨著碳纖維成本降低與復合材料加工技術的發展，土木建筑領域將成為碳纖維復合材料應用新市場。碳纖維復合材料層板加固或修復橋梁及建筑物，碳纖維增強混凝土等都將會有很大發展。在美國約有30萬座橋有潛在維修需求，德國在2030年前將投入160億歐元，用于修復橋梁和路面。預計未來 5 年，碳纖維復合材料在土木建筑領域將以6%左右速度增長。
3 中國碳纖維發展之路
2013年我國碳纖維產能達1.8萬t，實際產量約3 000 t，全為小絲束。碳纖維指標達到東麗公司T300水平，但質量穩定性還需提高；干噴濕法紡絲T700級碳纖維實現工業化生產，但產品質量有待穩定；T800、M40J、M50J等高品質碳纖維仍在中試或攻關階段。國際上碳纖維高端技術和產品對中國實行封鎖，并利用高性能碳纖維盈利來彌補通用級碳纖維的虧損，對中國碳纖維市場進行降價打壓，企圖遏制中國碳纖維產業的發展。受國外低價傾銷和惡意競銷行為影響，國內碳纖維企業基本處于全線虧損境地。
中國碳纖維發展需重點關注以下幾個方面：一是組織技術攻關。重點解決T300級等中低端碳纖維產品穩定性和成本控制問題，加快T700級等中高端碳纖維產品產業化及高模量碳纖維研發，加強高品質油劑、上漿劑、樹脂等輔助材料配套能力，加快預氧化爐和多段寬口碳化爐等設備研發。二是加強應用牽引。建立產學研用產業技術創新聯盟，以應用需求為牽引，深化碳纖維生產與應用企業合作，實現優勢互補。三是深化軍民融合。加大滿足國防發展需求的高端碳纖維及復合材料的研發力度，打破體制機制束縛，引導優勢民企進入軍品領域，加快提升碳纖維行業軍民融合水平。四是推動標準體系建設。建立適合我國產業發展特點并與國際接軌的碳纖維標準體系，解決限制我國碳纖維下游應用瓶頸的標準和應用設計規范問題，逐步擴大國產碳纖維對進口碳纖維的替代。五是加強人才培養。培養一批高端生產和應用技術人才，推動“產學研用”產業鏈一體化發展。
參考文獻
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1．1檢測裝置設計
在執行剪斷操作之前，需要將兩個帶電極的導輪與待剪斷碳纖維絲束帶相接觸，將其兩端壓緊，然后執行剪斷操作，剪斷刀具位于兩個導輪之間，剪斷檢測的裝置中包括檢測電路以及數據采集卡，檢測裝置的簡圖如圖1所示。在執行剪斷檢測的過程中，只需要將連接檢測電路以及數據采集卡的導線接入鋪絲頭結構，就可以實現在狹小空間內的檢測。
1．2檢測電路設計
碳纖維絲束帶可以等效為一個可變電阻R，通過實驗測量，當絲束帶完整連接時，每200mm長度的電阻值約為10Ω，當絲束帶僅剩一絲連接時，其電阻變為500Ω。進行剪斷操作時，首先通過導輪壓緊碳纖維絲束帶，將兩端固定，然后驅動剪斷刀具進行剪斷操作。在剪斷過程中將兩導輪作為電極，將絲束帶與檢測電路相連，檢測電路中包括1個12V穩壓電源、3個分壓電阻以及2個限流電阻，分壓電阻以及分流電阻的作用是降低可能產生在鋪絲頭結構中的電壓電流，具體的檢測電路如圖2所示。通過數據采集卡獲取碳纖維絲束帶兩端的電壓值，從而判斷碳纖維絲束帶是否完全剪斷。碳纖維絲束帶可以等效為10Ω到無窮大的可變電阻R，兩端的電壓UC與電流IC為在圖1電路中，3個分壓電阻均為1kΩ，2個限流電阻為20kΩ，代入R1～R5，當碳纖維絲束帶電阻R在10～500Ω變化時，其兩端的理論電壓UC以及電流IC變化如圖3所示。在圖3中，當電阻R在10～500Ω范圍內變化時，其兩端電壓逐漸增加，通過的電流逐漸減小。當碳纖維絲束帶完全連接時，其兩端電壓為0．9834mV，通過碳纖維絲束帶的電流為98．34μA；當絲束帶僅剩一絲連接時，其電阻為500Ω，其兩端電壓為48．58mV，通過碳纖維絲束帶的電流為97．17μA；當碳纖維絲束帶完全剪斷時，其等效電阻為無窮大，根據式（1）、式（2）可得其兩端電壓為4V，相對于48．58mV的電壓有明顯增加，通過碳纖維絲束帶的電流為0A。無論碳纖維絲束帶通斷，電路中的電流都很小，因此不會對鋪絲頭產生不良影響。
2電壓信號的采集與處理
2．1電壓信號的采集
在鋪絲頭進行剪斷操作期間，通過數據采集卡采集待剪斷碳纖維絲束帶兩端電壓信號，設置采樣數為1000，采集時間為1s。當碳纖維絲束帶完全被剪斷時，采集得到的信號如圖4所示，當碳纖維絲束帶未被完全剪斷，僅剩一絲連接時，采集得到的信號如圖5所示。
2．2電壓信號的處理
當碳纖維絲束帶完全剪斷時，獲得的信號如圖4所示。從采集的信號中可以看出，在大約0．14s時進行剪斷操作，此時碳纖維絲束帶兩端電壓有一個明顯的躍升，此后兩端電壓幅值保持在4V不變。當碳纖維絲束帶未被完全剪斷時，獲得的信號如圖5所示，在大約0．2s時進行剪斷操作，此時碳纖維絲束帶兩端電壓有小幅變化，與完全剪斷時的幅值相比，其幅值的變化很小。為了識別出碳纖維絲束帶是否被完全剪斷，需要分析采集到的電壓信號幅值，但是在圖4和圖5中，獲取的信號中會存在一些干擾的噪聲，因此需要對信號進行去噪處理。首先分析兩個電信號的傅里葉變換FFT頻譜，如圖6和圖7所示，從頻譜中可以發現，電壓信號的峰值頻率為0、50Hz以及其倍頻100、150和200Hz，主要的信號為0Hz的直流信號以及50Hz的交流信號。為了濾除噪聲的干擾，可以對電壓信號進行低通濾波，其截止頻率設置為60Hz，然后測量濾波后信號的幅值，由于測量中會存在一些干擾和誤差等不確定因素，因此設置判斷電壓閾值為1V，即當測量電壓大于1V時認為碳纖維絲束帶被完全剪斷。當絲速帶完全剪斷時，采集的電壓信號經過低通濾波后得到的結果如圖8所示，絲束帶未完全剪斷的處理結果如圖9所示。在圖8的情況中，采集得到的電壓為4．377V，大于設置的閾值1V，認定此時絲束帶完全剪斷，與實際情況相符。在圖9的情況中，采集得到的電壓為0．06797V，小于設置的閾值1V，認定此時絲束帶未被完全剪斷，與實際情況相符，此時絲束帶未剪斷部分為0．2mm。
3檢測結果校核
為了驗證碳纖維絲束帶剪斷檢測方法的準確性，需要對該方法的檢測結果進行校核。對10條絲束帶分別進行剪斷操作，使其分別剩余0．5、1．0、1．5、2．0、2．5、3．0、3．5、4．0、4．5和7．0mm（完整絲束帶），在剪斷過程中測量電壓信號的峰值。測量剪斷后碳纖維絲束帶電阻，將其代入式（1）計算對應的理論電壓，測量結果如表1和圖10所示。從對比結果可以看出，當絲束帶剪斷剩余量較少時，誤差較大，但最大絕對誤差仍小于10mV，說明檢測結果較為準確。
碳纖維復合材料具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕、抗疲勞、可設計性強、方便整體成型等特點，在航空、航天等領域已經獲得成熟應用。隨著高速鐵路的快速發展，對車體輕量化的需求也越來越明顯，應用復合材料制造的車體，具備重量輕、強度高、剛性大等特性，在有效地較低車體重量的同時，也提高了車體運行的平穩性和穩定性。
復合材料是一種各向異性的材料，在設計過程中具有很強的靈活性，設計人員可以從選材、成型工藝、結構設計等方面綜合考慮，充分發揮復合材料比強度、比模量高的特性，在滿足強度要求的同時，通過結構的優化計算，減少材料的使用，從而達到減重、降低成本的目的，為復合材料在軌道車輛領域的應用提供了可能。
復合材料車體和金屬車體相比存在一些需要解決的問題：碳纖維復合材料成本比較高、工藝成型技術水平要求高；復合材料車體需要達到和金屬車體一樣的防火要求，泡沫、樹脂、預浸料要做防火處理；復合材料車體需要考慮車體接地和電氣設備接地問題；車體大部件之間的連接方式要考慮滿足車體強度、使用壽命、整體密封等要求；復合材料車體應避免開孔，或者避免在碳纖維連續傳力的區域開孔；復合材料車體小件需要選擇合適的連接方式。
1 國內外復合材料車體應用概況
復合材料除廣泛用于航空航天領域外，在軌道車輛制造業也有一定的應用。有些國家已將復合材料廣泛地應用到軌道車輛上，如法國國營鐵路公司（SNCF）使用復合材料O計出了TGV雙層掛車，對其耐火性、抗沖擊強度進行了運行試驗，證實了復合材料車體制造工藝是有效的，實現了CFRP車體結構的重大突破。韓國TTX碳纖維復合材料整體車身也于2010年投入運營。Schindler Waggon公司應用玻纖或碳纖維纏繞制成的輕型承載結構車體在聯邦鐵路線上進行運行試驗，運行速度達到140km/h，也達到了滿意的效果。德國AEG和MBB與德國聯邦鐵路合作開發的世界上第一個復合材料轉向架構架，在運營了100多萬公里后未檢測出任何磨損及損壞，與原結構相比不僅重量大大減少，同時也提高了運行舒適度、降低了檢修成本。此外，復合材料在車廂內飾件以及車頭前端領域的應用也比較廣泛。
國內復合材料在軌道交通中應用還處于試驗階段，主要應用還受限于車頭前端和車廂內飾件，復合材料在整車的應用上還處于研究階段。
2 材料性能和成型工藝
碳纖維復合材料車體各部件主要采用碳纖維-芯層結構（類似于三明治結構），碳纖維-芯層結構主要由兩層碳纖維蒙皮中間加入泡沫或蜂窩夾芯組成，碳纖維-芯層結構不僅具有質量輕、彎曲剛度和強度大，還具有耐疲勞性、隔音隔熱等優點。在車體設計時，需要根據車體結構承載要求，在夾層內部預埋縱、橫加強梁，或者在承載區域做局部加強，在不承力區域可以做適當減薄處理。
復合材料成型工藝主要有手糊成型、噴射成型、拉擠成型、纏繞成型、真空熱壓罐成型及真空導入成型等成型工藝。手糊成型雖然工藝簡單、價格相對比較便宜，但是由于生產效率很低、質量不穩定等因素不適于生產結構件。噴射成型為使用短切纖維和樹脂經過噴槍混合后，壓縮空氣噴灑在模具上，然后經過按壓固化成型，可用于制造過程中的過渡層。拉擠成型適合于生產各種截面形狀的型材，如工字型、槽型等截面型材。纏繞成型可用于制造圓柱體、球體、筒形等回轉體結構。真空熱壓罐成型工藝，需要將預浸料在磨具中按照設計要求鋪好后，送入熱壓罐中加溫加壓固化成型。這種成型工藝方法生產的產品韌性好、結構強度高、尺寸精度較高、工藝穩定性好，但是對溫度控制、設備成本、工藝水平等要求比較高，制造成本比較昂貴，所以此種成型工藝只適用于制造車體的一些承力件，比如底架邊梁、牽枕緩結構。真空袋壓成型工藝的特點是既能獲得相較于手糊工藝的高強度重量比和尺寸精度，同時和熱壓罐成型工藝相比制造成本相對較低，所以此種方法適合于車體大部件的設計。
以車體底架為例，車體底架整體采用復合材料夾層結構，選用熱壓罐成型工藝，成型步驟如下：模具準備；底架上蒙皮鋪貼；底架上蒙皮固化成型；加入包裹膠膜的泡沫，同時可以加入預埋金屬件或復合材料預制件；泡沫與底架上蒙皮整體成型；在泡沫結構上鋪貼底架下蒙皮；整體固化。
3 復合材料車體關鍵問題研究
3.1 防火要求
復合材料選用的材料，如預浸料、樹脂、粘接劑、泡沫，要滿足軌道車輛的防火要求，如果選用的樹脂、預浸料，不滿足防火要求，需要加入防火材料，滿足整體的防火要求。
3.2 接地和電磁兼容要求
金屬車體可以導電，所以只需要將車體上的接地設備先連接到車體上，通過車體連入轉向架輪對導入大地，復合材料車體為不良導體，需要對設備統一做接地處理，可以考慮在夾層內部預埋銅板，然后在設備需要接地的位置通過螺栓連接到銅板，最后將整個銅板通過轉向架輪對導入大地。
電磁兼容要保證整車電磁兼容的要求，對于車下磁場較強部位，需要作隔磁處理。
3.3 剛度要求
由于碳纖維-芯層結構為各項異性材料，車體剛度要保證在正常載荷和自然頻率下，車體變形不超過運行條件所決定的極限值，需要在車體結構設計時，選擇合適比重的芯層結構，并在車體變形比較大的區域做局部加強。
3.4 車體大部件連接方式
碳纖維車體不能像金屬車體一樣通過焊接方式來連接車體大部件，需要考慮通過膠粘或者螺栓、鉚釘等緊固件的方式進行連接，在考慮連接強度的同時，還要重點考慮整車壽命要滿足設計要求，以及連接后整車的密封和防水要求。
3.5 開孔問題
復合材料車體在做系統設計時，應避免在承力區域開孔，否則可能導致碳纖維傳力的不連續。
3.6 車體小件連接方式
復合材料車體由于無法焊接，小件只能通過膠粘或者緊固件連接，小件材質若為金屬材質，還要在復合材料夾層中預埋金屬板，然后再通過緊固件進行連接。
4 碳纖維復合材料車體在軌道車輛領域的可行性分析
碳纖維復合材料車體主要受幾方面的制約，主要包括：碳纖維材料成本比較高、成型工藝要求比較高、設計者需要具備一定的設計經驗、量產料件如何保證工藝穩定性和產品質量。
碳纖維復合材料車體的應用還處于初級階段，針對復合材料的設計準則、工藝規范、材料標準、產品檢驗和試驗驗證等工作還沒有建立或完善，需要大量的試驗研究和試驗驗證工作。這些因素也阻K了碳纖維復合材料在軌道交通領域的發展。
碳纖維復合材料車體如果想要在軌道交通領域很好的應用，就要在以下幾個方便做考慮，首先材料選擇上可以考慮在次承力結構上采用玻纖和碳纖混雜設計，充分發揮碳纖維材料強度高，玻纖價格便宜的優勢，將減重和降低成本整體考慮；其次在設計過程中，考慮結構優化、系統集成，在提高復合材料隔聲隔音前提下，就可以考慮將車體結構、內裝結構集成在一起，去除防寒和隔音材料，這樣就可以大幅度較少整車重量、降低成本；最后一定要優化工藝成型技術，簡化工藝過程、提升工藝穩定性、提高生產效率。
5 結束語
隨著對碳纖維復合材料研究的深入，逐步解決碳纖維復合材料車體設計中存在的問題，碳纖維復合材料在軌道車輛車體上的應用也會越來越廣泛。
參考文獻
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1、碳纖維復合材料加固原理
碳纖維加固混凝土結構是一種新型的混凝土結構加固方法，其研究始于20世紀80年代，自1996年引入我國，立即受到了工程界的關注，成為了研究和應用的熱點。碳纖維加固修復混凝土結構是將碳纖維材料粘貼于混凝土結構表面，通過其與結構或構件的協同工作，達到對結構構件補強加固及改善受力性能的目的。
2、碳纖維復合材料
混凝土結構構件加固修復所用碳纖維材料主要有兩種：碳纖維材料和配套樹脂。碳纖維材料具有高強度、高彈性模量、重量輕及耐腐蝕性好等特點，其抗拉強度是普通鋼筋的十倍左右，彈性模量略高于普通鋼筋的彈性模量；配套樹指則包括底層樹脂、找平樹脂及粘結樹脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結質量，而后者的作用則是使碳纖維與混凝土能夠形成一個復合材料體，并且共同工作，提高結構構件的抗彎、抗剪承載能力，達到對結構構件進行加固、補強的目的。
2.1碳纖維布
碳纖維布按碳纖維原絲不同主要可以分為:PAN基碳纖維布；黏膠基碳纖維布；瀝青基碳纖維布。
碳纖維布按碳纖維規格不同主要可以分為:1K碳纖維布、3K碳纖維布、6K碳纖維布、12K碳纖維布、24K及以上大絲束碳纖維布。 碳纖維布按碳纖維炭化不同主要可以分為:石墨化碳纖維布、碳纖維布、預氧化碳纖維布。 碳纖維布按織造方式的不同主要可以分為:機織碳纖維布、針織碳纖維布、編織碳纖維布、碳纖維預浸布等等。
碳纖維布加固依據結構施工圖、構件的腐蝕情況、結構或構件的實際檢測強度、《混凝土結構加固技術規程》等資料，考慮提高結構或構件的抗彎（抗壓、抗拉）強度等級，對結構或構件進行加固設計。
2.2加固粘結材料
碳纖維片材加固膠粘材料一般包括三種膠，按用途分它們各自的作用分別是：1、底涂膠（又稱底層樹脂）：涂刷于混凝土基層上，強化混凝土表面強度，從而使混凝土與碳纖維之間的粘結性得到提高。2、修補膠（又稱整平材料或膩子）：整平混凝土表面，便于碳纖維片材的粘貼。3、浸漬樹脂（又稱浸漬樹脂）：將碳纖維片材結合在一起，使之呈板狀硬化物；同時將碳纖維與混凝土粘接在一起，也形成一個復合整體，共抵抗外力。三種膠粘劑之中，浸漬樹脂最為重要，它的性能直接決定碳纖維片材能否有效地加固補強混凝土結構。
3、碳纖維復合材料加固混凝土結構的優良性能
（1）高強度高彈性模量。碳纖維的強度高，極限抗拉強度約為鋼材的10 倍，彈性模量和鋼材相近。
（2）抗腐蝕能力強、耐久性好。碳纖維材料化學性質穩定，不與酸、堿、鹽等化學物質發生反應，因而碳纖維加固后的鋼筋混凝土結構具有良好的抗腐蝕性和耐久性。
（3）熱膨脹系數小。碳纖維材料的熱膨脹系數非常小，其在纖維方向的熱膨脹系數幾乎等于零。
（4）施工簡便，工作效率高。碳纖維布加固不需要大型施工機械和重型設備，施工占用場地少，無濕作業，碳纖維布柔性好，可以任意裁剪，操作簡單，施工速度快。
（5）施工質量易于保證。碳纖維布是柔性材料，即使被加固構件的表面不是非常平整，經過修補后，有效粘貼率可達到95%以上。
（6）對結構影響小。碳纖維材料重量輕，厚度薄，經加固修補后的構件，基本上不增加原結構的自重及尺寸，不影響結構的使用空間。
（7）適用范圍廣。可用于不同結構類型、不同結構形狀、不同材料的構件加固，也可用于構件的不同部位及不同薄弱因素的加固。
4、碳纖維復合材料加固混凝土結構的應用
在實際工程中，用來加固的碳纖維材料主要是碳纖維布。碳纖維布加固技術在混凝土結構中的應用已較成熟，主要集中在以下幾個方面。
（1）提高受剪承載力
碳纖維布對構件抗剪的貢獻類似于箍筋的作用，與混凝同承受剪力。另外，碳纖維布具有對核心混凝土的約束作用，并能承擔拉應力，防止主筋過早屈服，抑制剪切裂縫的出現和發展。因此，碳纖維布可以明顯提高鋼筋混凝土構件的受剪承載力，增強構件的變形能力。
（2）提高受彎承載力
由于碳纖維布具有抗拉強度高的特性，可以將碳纖維布粘貼在構件的受拉表層，使之與混凝同承擔拉應力，以提高構件的受彎承載力，達到加固補強的目的。粘貼碳纖維布后，受彎構件的受彎承載能力明顯提高，有效的抑制了裂縫的開展，構件的變形能力和延性性能得到顯著改善。
（3）提高抗震能力
由于碳纖維布能夠約束構件的開裂，提高構件的剛度和抵抗變形的能力，當需要提高構件的抗震能力時，亦可用碳纖維布進行增強和增韌。尤其對于鋼筋混凝土梁柱節點和受軸向力作用的鋼筋混凝土柱，往往要求進行構件的抗震設計。采用碳纖維布粘貼于梁柱節點范圍，或對鋼筋混凝土柱進行包裹，可以明顯改善結構中混凝土構件的延性，增加耗能能力，具有良好的抗震加固效果。
（4）提高抗疲勞能力
用碳纖維布進行鋼筋混凝土梁和預應力鋼筋混凝土梁的加固，經200 萬次重復荷載作用后，加固構件的強度和剛度不會降低，也不會發生剝落和脆斷現象。如果采用預應力碳纖維布加固的形式，預應力碳纖維布的存在，使構件中縱筋的應力幅值有所降低，減少了發生疲勞破壞的可能。而始終處于高應力狀態的碳纖維布具有良好的抗疲勞性能。其綜合效應使所加固構件的疲勞壽命大大提高，疲勞變形有所減小，構件的疲勞抗裂性能得到較大提高，從而延長構件的使用壽命。
5、碳纖維復合材料加固混凝土結構的不足
（1）碳纖維是一種線彈性脆性材料，只有當構件發生較大變形時，才能充分發揮其高強高彈模的性能。而混凝土結構對變形有比較嚴格的控制，在一定程度上限制了碳纖維復合材料能力的發揮。
（2）碳纖維布加固混凝土結構后，容易發生粘貼剝離破壞，使加固后混凝土結構呈現明顯的脆性破壞形態，對結構的可靠度水平有所影響。
（3）目前對碳纖維復合材料加固混凝土結構在長期荷載、沖擊荷載作用下受力性能的研究較少，在類似方面應用時缺少專門研究。
（4）對于碳纖維材料加固混凝土梁、柱的抗剪及抗彎加固機理和計算方法已有了成熟的研究和應用成果，但對碳纖維材料加固剪力墻等方面的研究理論還較缺乏。
總之，碳纖維材料加固技術具有良好的經濟效益、社會效益和環境效益，隨著碳纖維材料的發展、生產成本的降低及國內外碳纖維材料加固技術研究的不斷深入，該項技術在混凝土結構加固領域中的應用會越來越廣泛，具有廣闊的發展前景。
參考文獻：
[1].《混凝土結構加固技術規范》 CECS25：90
[2].《建筑抗震加固技術規程》 JGJ116-98
1 碳纖維復合材料超低溫環境力學性能研究背景
如何降低空間飛行器在發射時的成本，使空間飛行器的發射效率提高，一直以來都是各國進行研究的關鍵領域之一。20世紀90年代中期，美國國家航空航天局（NASA）開始了對亞軌道可重復使用飛行器（RLV）的研發試驗。
針對這一新形勢，我國在“十五”計劃初期，即開展了可重復使用飛行器技術的跟蹤、探索和研究。為了避免在全球競爭中出現裝備跨代落后的不利局面，而加大了對可重復使用飛行器的研發力度。
由液氫（-253℃）、液氧（-183℃）、液氮（-196℃）、液氦（-269℃）及其蒸發氣體共同組成了主要的超低溫流體介質。其中，液態氫和液態氧是液體火箭發動機發射過程中，一種具備比推力大的燃料，并且不產生污染物質；液He是作為空間裝置、超導裝置中廣泛應用的低溫密封介質；液態氮具有惰性特質、價格低廉并且介于液氫和液氧之間的熱力學特點，常應用于低溫試驗和作為預冷介質[2]。
在以液態燃料作為飛行器動力系統燃料供應的設計中，液氧（LO2）燃貯箱及工作系統使用溫度為-183℃，液氫燃料貯箱及工作系統使用溫度為-253℃，液氫燃料貯箱及供給管系統和液氧燃貯箱及供給管系統工作于低溫環境。當飛行器返回時，可重復使用運載器貯箱及供給管要承受170℃的高溫考驗，燃料貯箱工作溫度范圍很大，因此在設計時必須綜合考慮在此溫度范圍內應用復合材料貯箱的可靠性[3]。
上世紀80至90年代，研發復合材料液氫貯箱的課題在美國國家航天飛機（NASP）計劃以及DCX計劃都涉及，并取得了一些成就。X-33計劃則直接計劃使用復合材料液氫貯箱，但由于在實驗中，熱應力引起微裂紋導致液氫滲漏以及其他技術方面問題，最終決定用鋁制貯箱將出問題的復合材料貯箱代替下來。相比其國外研究機構對飛行器貯箱材料方面的嘗試，國內對超低溫用樹脂基增強復合材料的研究還處于起步階段，出于保險考慮，貯箱一直采用金屬材料，在超低溫復合材料方面技術性的突破成為國內研究的重點課題。
2 國內外對碳纖維復合材料超低溫力學性能的研究現狀
目前，在工程中有著非常廣泛應用的樹脂基復合材料主要包括：連續纖維增強環氧、雙馬和聚酰亞胺復合材料。他們具有較高的比強度和比模量，能夠有效的抗疲勞、耐腐蝕，并且可設計性較強，便于大面積整體成型，并且，他們還具有特殊電磁性能等特點。先進樹脂基復合材料已經成為繼鋁合金、鈦合金和鋼之后的最重要航空結構材料之一。
先進樹脂基復合材料在飛行器材料應用上表現出色，目前已經在部分機型上實現減重效益，這是使用其它材料所不能比擬的。因此，先進樹脂基復合材料的用量比例已經成為航空結構先進性的重要標志之一。
2.1 超低溫復合材料用基體
據了解，應用在超低溫環境下的樹脂基體主要有：
（1）熱固性樹脂包括：環氧樹脂，氰酸酯樹脂，聚酰亞胺等；
（2）熱塑性樹脂包括：聚醚酰亞胺，聚醚醚酮，聚四氟乙烯，聚醚砜，聚苯硫醚，聚砜，液晶聚合物等。
配方的設計對于樹脂基體制備非常重要。對于環氧樹脂材料，經常會碰到脆性過高、容易開裂的問題。解決這一問題行之有效的方法是使環氧樹脂柔性化，或是使整個配方體系柔性化。而這也是我們在該試驗中在選取材料方面提前做好的準備。經過柔化的環氧樹脂脆性降低，不易開裂，在工程應用中表現更加出色。
可重復加工的特點是高性能熱塑性樹脂具備的特點之一，在低溫復合材料中的具有很大的潛在應用價值。比如說，碳纖維增強聚醚醚酮復合材料力學性能，雖然在超低溫破壞強度方面表現良好，但由于成型困難以及巨大的加工成本，限制了熱塑性基體在低溫領域下的應用。
在本次試驗中所應用到的便是改性后的環氧樹脂，改性后使其在常溫和低溫下均具備穩定的力學性能。
2.2 超低溫復合材料用增強材料
纖維增強復合材料是由增強纖維，如玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維等材料與基體經過模壓、纏繞或拉擠等工藝而形成的復合材料。
在一些低溫工程中，由于纖維增強復合材料具有如下特點：
（1）比模量大，比強度高；（2）材料具有可設計性；（3）抗腐蝕性和耐久性能良好；（4）熱膨脹系數與混凝土材料形似。根據他們特性及制備加工工藝方面的綜合考慮，應用最廣泛的增強纖維是碳纖維和玻璃纖維。
對于玻璃纖維，研究表明，低溫下纖維的拉伸強度和拉伸模量均有不同程度的增加，玻璃纖維Weibull分布尺度參數有很大的提升。玻璃纖維，E-glass從室溫到4K，它的楊氏模量提高15%，S-g lass從295K到4K其楊氏模量提高10%。
碳纖維增強樹脂基復合材料，由于它在航空航天軍事等領域應用較多，因而也成為科研工作者研究的熱點。試驗發現，將模高強碳纖維作為超低溫復合材料的增強材料，強度和模量與室溫時相比變化很小，是比較理想的超低溫增強材料。
2.3 樹脂基復合材料制造工藝
依據不同類型的復合材料、不同形狀的構件以及對構件質量和性能的不同要求，先進樹脂基復合材料可采用不同的成型工藝。目前航空航天領域先進樹脂基復合材料主要成型工藝包括：熱壓罐成型工藝、RTM成形工藝、纏繞成型工藝、拉擠成型工藝、熱壓成型工藝、自動鋪放工藝等。
通過對上世紀六十年代至九十年代不同組織及個人對各類常用纖維復合材料常、低溫力學性能測試的結果做出總結與比較。R.P.Reed、M.Golda、J.B.Schutz等人發現：低溫狀態下，芳族聚酰胺纖維復合材料的低溫拉伸強度與常溫時比較變化較小，而其他各類纖維復合材料的低溫拉伸強度均比常溫狀態時有所提高。
參考文獻：
中圖分類號：TB33 文獻標志碼：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，全球生產石油的70% ～ 80%被用作汽車燃油，減少汽車燃油用量是改善全球氣候問題的重要組成部分。世界多個國家和地區已經對汽車二氧化碳排放量進行了嚴格限制，我國也已頒布《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012 ― 2020年）》，要求到2020年乘用車平均燃料消耗量降至5.0 L/百公里，節能型乘用車燃料消耗量降至4.5 L/百公里以下。
輕量化技術是汽車降低油耗、減少排放、提高新能源汽車續航里程最有效工程途徑之一。采用高性能纖維增強復合材料部分代替傳統金屬材料是目前汽車實現輕量化最有效的途徑。德國寶馬率先在i3、i8電動車、7系、5系等量產車中大量使用碳纖維復合材料（CFRP），輕量化效果顯著，掀起了一場汽車產業材料革新的浪潮。目前全球幾乎所有的汽車企業都制定了CFRP輕量化發展計劃。CFRP用于汽車輕量化的優勢主要在于：密度小，比強度、比模量高，輕量化效果明顯；集成度高，減少零部件數量；可設計、造型自由，實現流線型曲面的成本低；吸收沖擊性能是金屬的 5倍，提高碰撞過程人員安全性；減震性能好；顛覆汽車生產流程，采用模壓和粘結工藝代替沖壓和焊接。目前CFRP作為汽車輕量化結構材料替代金屬材料，其在性能上完全可以滿足要求，關鍵是批量生產技術和成本。基于最新的行業報告數據及實踐調研，本文將對國內外汽車輕量化用CFRP的發展現狀進行概述。
1 國外汽車輕量化用碳纖維復合材料發展現狀
自1953年世界第 1 臺纖維增強復合材料汽車 ――GM Corvette制造成功以后，復合材料正式在汽車工業生產中登上歷史舞臺。發展至今，CFRP成為目前公認的汽車用復合材料未來發展趨勢。歐美日等發達國家汽車生產巨頭們一直是汽車輕量化用CFRP的引領者和推動者，下文將針對國外主要汽車生產商在CFRP應用技術方面的進展進行介紹。
德國寶馬公司是CFRP在汽車領域應用的先驅，其在2008年宣布把CFRP帶入汽車主流材料；2011年，法蘭克福車展首次i3電動概念車和i8混動概念跑車；2014年，批量化生產i3和i8系列純電動車在全球正式上市，為碳纖維產品在通用汽車領域的商業化普及應用邁出了重要的一步。i3和i8創新的車體架構由 2 部分構成：一部分是由鋁合金材料制成、驅動車輛的Drive模塊，集成了驅動系統、底盤、蓄電池、結構功能組件和防碰撞功能組件，另一部分是由CFRP制成、構成車廂主體的Life模塊（圖 1）。2015年7月1日，全新第六代BMW 7系汽車在丁格芬工廠正式投產，該車型所有創新都始終貫穿著車輛整體輕量化的概念，是寶馬核心產品中第一款實現將工業制造的碳纖維材料、高強度鋼材和鋁材完美組合應用到車身的車型。這種獨樹一幟的車身結構被稱為“Carbon Core高強度碳纖維內核”，不僅優化了車身重量，增強了車身的強度和抗扭剛度，還具有舒適的駕駛體檢。
寶馬公司還率先開啟了CFRP在汽車領域的全方位應用模式，包括：車身、底盤、車頂、車門、頭蓋、引擎蓋、尾翼、壓尾翼、中控臺、裝飾條、儀表盤、傳動軸、特殊動力傳動系統、座椅、座椅套墊、前擴散器、尾擾流板、后擴散器、后視鏡外殼、懸掛臂、前唇、側裙、側格柵、車用箱包、導流罩、A柱、遮陽罩、散熱器面罩、側護板、低位踏板、副保險杠等外部和車身、內飾和外飾配件等系統。寶馬公司或將在未來 1 ～ 2 年內為旗下車型配備大量的碳纖維部件，特別是碳纖維輪轂，這將大幅度降低汽車的重量。寶馬公司的CFRP輪轂是與i系列汽車同時開發的，包括全碳纖維輪轂和碳纖維輪輞+合金輪輻的輪轂。全碳纖維輪轂的重量比鍛造合金輪轂輕35%，而合金+碳纖維輪轂比鍛造合金輪轂輕25%，這將顯著降低整車的重量，寶馬公司有望在 2 年內把這種輪轂推向市場。此外，全碳纖維制造的傳動軸還將作為單獨配件配備新寶馬M3和M4系汽車。寶馬還在大力宣揚他們的碳纖維材料二次利用，例如i3和i8汽車的邊角料可以用來取代傳統鋁鎂合金材料制作儀表板支撐結構、座架以及備用車輪。
在生產工藝方面，為降低CFRP零部件的生產成本以及提高生產效率，寶馬采用針對熱固性CFRP快速制造開發了高壓樹脂轉移模塑（HP-RTM）工藝（圖 2）。該工藝首先將碳纖維織物進行初步的預成型，然后將碳纖維預制件放入到模具當中，在高壓狀態下將環氧樹脂注入模具當中，通過精準的溫度、壓力和時間控制，使碳纖維和環氧樹脂結合，并進行固化，最終形成具備優秀剛性的碳纖維板材。這個加工過程可以全程自動化進行，而高壓、高溫的處理過程僅需大約 5 min，傳統制造工藝則往往需要幾個小時。車身的組裝工藝采取模塊化連接，碳纖維部件的結合像堆砌模型一樣采用膠水連接（圖 3）。為了縮短固化時間，寶馬專門研發了特種粘合劑，在涂敷到車身部件之后僅90 s就可以接受加工，然后產生粘性，在經過1.5 h后就已經固化。這使得車身組件具有完全的剛性，制造速度比普通工藝提升10倍。整個過程全部為自動化操作，包括粘合劑的涂抹、部件的對接等，除了節約人力之外，也減少了粘合劑中的化學成分對工人健康的危害。
縱觀寶馬幾款碳纖維車身的生產過程，有幾個明顯的特點可謂貫穿始終。首先是顛覆傳統汽車生產流程，如果說福特創建流水線生產是汽車行業的第一次革命，那么“碳纖維+新能源”可能是第二次汽車革命，碳纖維生產的車身不需要傳統的沖壓、焊接、涂裝，變成了模壓成型、粘結、涂裝或塑料外殼；其次是高度的機械化，在整個生產過程當中，機器人的大量使用已經讓生產過程基本實現自動化，人工操作僅局限在最低程度，不僅明顯提高生產效率，減小制造誤差，人力成本也得以大幅降低；最后是環保與可持續發展的理念，寶馬大量使用可回收材料制造汽車部件，同時全面采用水電和風電等可再生能源。
除了寶馬，豐田、大眾、奔馳、現代等多家汽車制造商也都在開發汽車輕量化用CFRP，并應用于車身、輪轂、座椅、氫氣瓶、前艙蓋、底盤結構件、傳動軸等部件。美國Morison公司為Dcna公司生產的CFRP汽車傳動軸（圖 4（左）），供通用汽車公司載重汽車用。福特1999 ― 2004野馬載重車汽車也采用了CFRP傳動軸（圖 4（右））。采用CFRP可使原來 2 件簡化合并成 1個傳動軸，且與鋼材料相比，可減重60% ～ 70%。英國GKN技術公司也開發了CFRP傳動軸，重量減輕50% ～60%，抗扭性比鋼大10倍，彎曲剛度大15倍。
2008年，日本Weds Sports公司在推出的概念車上第一次使用了碳纖維輪轂，但當時還是停留在概念階段。2009年，澳大利亞Carbon Revolution公司開發出了CR9“一體式”全CFRP輪轂，相比鋁合金輪轂，其重量減輕了40% ～ 50%，并且首次應用在Shelby Ultimate Aero跑車上。2012年該公司生產的CFRP輪轂成功地在保時捷911上使用。目前Carbon Revolution公司在籌備為蘭博基尼、奧迪R8推出碳纖維輪轂。2015年初，美國福特了全新一代野馬Shelby GT350R汽車，其采用的碳纖維輪轂再一次引起了關注。以福特Shelby GT350R Mustang所裝備的碳纖維輪圈為例，將原本每個輪轂重14.98 kg的鋁合金材質換為8.17 kg的碳纖維輪圈后，全車減重27.24 kg，這將顯著地改善車輛的操控性能。另外，由于輪圈減重45%，輪圈+輪胎的轉動角動量能約降低40%，也改善了加速和剎車的效能。
2011年4月，比利時Solvay公司開發了一種全新輕巧的CFRP Polimotor四缸發動機缸體（圖 5）。被澆注的復合材料缸體是最終凈形狀，消除了二次加工的麻煩，且振動噪聲顯著減少，耐腐蝕。此外，和壓鑄工藝相比，模具工具成本減少50%。CFRP缸體比合金缸體重量輕20磅。第二代Polimotor全碳纖維發動機缸體項目在2015年有了新的進展，預計該發動機將于2016年預先應用于賽車、OEM汽車和卡車。該項目有望推動未來汽車領域的重大革新，使碳纖維發動機缸體有可能廣泛地應用于商用車。
日產汽車株式會社旗下的2014款GT-R跑車采用了三菱麗陽生產的碳纖維后備箱車蓋，該量產化車蓋以碳纖維和固化時間為 2 ～ 5 min的熱固性環氧樹脂為原料，利用三菱麗陽開發的預浸料模壓成型工藝生產。三菱麗陽稱該工藝將單個部件的生產時間縮短了10 min，更適合汽車部件的規模化量產，而且模壓成型的部件表面平滑，易于涂漆裝飾。
日本東麗與豐田合作開發的碳纖維增強熱塑性聚合物復合材料，可用作制造燃料電池反應堆框架（圖6），目前已應用于豐田燃料電池汽車Mirai中，這是世界上第一次將熱塑性碳纖維復合材料用于量產汽車結構部件。碳纖維增強熱塑性聚合物具有成型時間短的優點，與熱固性聚合物相比，生產效率更高，更適合大規模生產。
2015年東京車展上，雅馬哈展出了僅重750 kg的全新概念跑車SportsRideConcept（圖 7），該車身長3 900 mm，寬1 720 mm，高1 170 mm，超輕的車身得益于其iStream CFRP底盤。iStream碳纖維底盤由英國Gordon Murray Design公司開發，歷經 2 年時間，材質由最初的玻璃纖維轉變為碳纖維。iSteam采用了創新的“三明治”結構，蜂窩狀的內核被 2 片碳纖維板夾在中間。相比超跑所采用的碳纖維單體殼結構，iStream碳纖維底盤的生產周期更短，生產過程可實現全自動化，周轉時間僅為100 s，年產量可達1 000 ～ 350 000件。iStream碳纖維底盤同樣具有輕量化、高剛性的特點，相比寶馬7系僅關鍵部件為碳纖維材質，iStream碳纖維底盤的減重效果更加明顯。這項技術的出現，或將成為入門級跑車愛好者的福音。
韓國現代最新推出的Intrado燃料電池概念車同樣秉承了輕量化的設計理念，該車全車架、引擎蓋以及側板均采用CFRP制造，質量比傳統鋼板制造的汽車輕60%，大大提高了燃油效率，一次補充燃料可行駛644 km，百公里加速時間低于12 s。
2 國內汽車輕量化用碳纖維復合材料發展現狀
得益于國家“十五”和“十一五”863計劃碳纖維專項支持，我國碳纖維的產業化取得重大進展，通用型高強T300級碳纖維實現了產業化，T700級碳纖維實現了工程化，T800級碳纖維突破了關鍵技術，開始批量生產，高模型（M40）碳纖維也實現了關鍵制備技術的突破。國內相關碳纖維生產企業的大規模建設為汽車用CFRP的國產化和低成本化奠定了堅實的基礎，一大批企業開展了碳纖維在汽車輕量化方面的應用研究。
江蘇奧新新能源汽車有限公司于2015年1月成功研發了我國首輛碳纖維新能源汽車（圖 8），并于2016年3月獲得中國汽車生產許可證。奧新e25緊湊型A級車，具有核心技術自主知識產權，采用CFRP車身（圖 9），輕量化效果明顯：百公里耗能低于10 kW?h，續航能力強，充一次電最長可行駛440 km，0 ～ 50 km/h加速僅需4.7 s。目前奧新建立了完整的CFRP車身及其零部件結構設計、制造與評價體系，創造了第一個 2 萬輛碳纖維純電動汽車制造工廠、第一條電動汽車鋁合金底盤機器人焊接線、第一條高溫高壓真空輔助碳纖維成型生產線 3 項中國第一。奧新正與東華大學等國內高校緊密合作，進一步優化零部件結構以及提高制造效率，研發自動化量產技術與裝備。
北京汽車在推動汽車輕量化用CFRP方面，成功研發了用于碳纖維發動機蓋覆蓋件及車身功能件的一系列CFRP部件。在2016年其新型SUV車型上，將會搭載碳纖維發動機罩蓋（圖 10），相比鋼質前機艙蓋可減重17 kg（50%）。BJ40車型使用了玻纖、碳纖混雜復合材料車頂蓋，較鋼制頂蓋減重48%。紳寶D60則采用了CFRP前格柵和尾翼，彰顯運動和時尚特性。
奇瑞汽車開發了一款CFRP電動汽車（圖11），該電動車是奇瑞首款采用PHEV（插電進行充電的混合動力汽車）的車型。其優勢在于采用CFRP部件后的車身僅重218 kg，相比金屬車身418 kg，車身減重48%。另外，CFRP部件的應用也顯著提高了汽車的抗沖撞性能和操控性。奇瑞汽車目前正努力解決該車型實現低成本、批量化生產所面臨著的諸多技術難題。
北京長城華冠汽車技術開發有限公司開發了一款名為前途（EVENT）的純電動跑車概念車。該電動跑車以節能、環保為設計出發點，產品集成了眾多汽車行業的前沿科技。長城華冠EVENT車體內外覆蓋件整體采用CFRP，在大幅度減輕車體重量的同時，產品的力學及安全性能也優于傳統金屬鈑金部件。該款車型目前已經在蘇州建設生產車間，預計2017年開始生產。
上海汽車公司自2008年起，先后承擔了多項國家級、上海市和地方的汽車輕量化項目，包括上海市科委科技創新計劃項目“新能源汽車CFRP典型部件的開發與應用”、上海市科委重點攻關項目“新能源汽車輕量化技術開發”、上汽 ― 科委專項創新項目“輕量化技術在榮威E50純電動轎車上的應用研究”，為汽車輕量化技術方面的研究與開發積累了良好的基礎。
長安汽車開展了大量CFRP在汽車輕量化應用的探索工作，研發了準備在量產車應用的碳纖維傳動軸和后舉門。中國第一汽車集團公司開展了復合材料板簧、傳動軸和CFRP前后蓋的研究。復合材料傳動軸采用碳纖維增強環氧樹脂預浸料，經由卷搓/熱壓罐成型工藝制造，相比傳統金屬傳動軸，碳纖維傳動軸可減重40%，采用CFRP還可使原來由 2 件合并成 1 個單件傳動軸。CFRP前后蓋，采用T300碳纖維和環氧樹脂，經由RTM工藝制造，相比金屬材料可減重64%。
尼龍66本身雖是性能優異的工程塑料，但吸濕性大，制品尺寸穩定性差，強度與硬度也遠遠不如金屬，為了克服這些缺點，早在七十年代以前，人們就采用碳纖維或其它品種的纖維進行增強以改善其性能。用碳纖維增強尼龍材料近年來發展很快，因為尼龍和碳纖維都是工程塑料領域性能優異的材料，二者復合綜合體現了各自的優點，強度與剛性比未增強的尼龍高很多，蠕變小，尺寸精度好，熱穩定性顯著提高，耐磨，阻尼性優良，與玻纖增強相比有更好的性能[1，2]。
碳纖維增強尼龍66復合材料制備的傳統工藝一般都是將經過處理的碳纖維與尼龍66原生粒經螺桿進行擠出造粒，然后再通過二次加工型（注塑成型、層壓成型等）制得所需產品[3]。傳統工藝中的造粒過程都是采用分批進料（尼龍66粒子和碳纖維），批次差異無法克服，直接導致產品質量不均勻，物性指標低；又因傳統工程塑料改性加工技術的原料為顆粒狀，改性生產必須經過將固態轉化為熔融態的再熔融過程，能耗及生產成本相對較高，同時再熔融過程為高溫降解過程，產品理化性能必然會受到影響，降低產品質量。而本生產工藝是在尼龍66聚合的過程中加入碳纖維，有效降低尼龍66在二次熔融的過程高溫氧化的風險，生產工序簡潔，能耗少，成本低。
一、實驗部分
1.實驗儀器與試劑
尼龍66鹽溶液，為工業級，自制；抗氧化劑，分析純，科萊恩化工；光穩定劑，分析純，科萊恩化工；碳纖維，工業級，上海英嘉特種纖維材料有限公司。
真空干燥箱，DZX-3型（6020B）， 上海福瑪試驗設備有限公司；萬能試驗機，CMT4204型，美特斯工業系統（中國）有限公司；萬能制樣機，WZY—240，承德科承試驗機公司；塑料擺錘沖擊試驗機，ZBC1251-B型，美特斯工業系統（中國）有限公司。
2.工藝流程
在尼龍66連續聚合生產過程中，將經過真空干燥除水后的碳纖維經上料裝置，連續送入螺桿擠出機喂料口，然后經造粒系統造粒，得到碳纖維增強尼龍66粒子，最后再經干燥除水，通過注塑機制備出所需樣條。
3.力學性能測試
拉伸性能的測試標準按GB/T1040.2-2006進行，環境溫度為23±2℃、相對濕度為50±5%，樣品為啞鈴狀，采用電子式萬能試驗機檢測拉伸強度，拉伸速率為5mm/min，采樣5次進行測試，結果取平均值。
沖擊強度的測試標準按ISO179進行，環境溫度為23±2℃、相對濕度為50±5%，采用塑料擺錘沖擊試驗機進行缺口懸臂梁抗沖擊測試，采樣5次進行測試，結果取平均值。
彎曲性能的測試標準按GB/T9341-2000進行，測試環境溫度為23±2℃、相對濕度為50±5%，采用萬能試驗機檢測彎曲強度，采樣5次進行測試，結果取平均值。
二、結果與討論
三、結論
本文通過新工藝制得碳纖維增強尼龍66復合材料的力學性能達到傳統工藝制得復合材料的力學性能，并且與傳統工藝相比，此工藝簡單，能耗低、生產效率高，成本低，裝置運行穩定可靠，一次造粒最大限度的保持了尼龍66樹脂的新鮮度。
參考文獻
[1] 張淑芳. 增強增韌尼龍材料[J]. 工程塑料應用， 1991， 2：51.
中圖分類號：TQ342+.74 文獻標志碼：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
所謂碳纖維復合材料廢棄物的回收再生或再利用主要是針對碳纖維增強塑料（CFRP）而言，因為根據調查它已占碳纖維市場的90%以上，隨著CFRP在航空航天、大型風電葉片、土木建筑、新能源和清潔能源（電池部件、壓縮天然氣和氫氣瓶、太陽能柜架）、汽車、傳統能源（油井抽油桿、海上油田平臺、煤礦刮板機）、高鐵和貨物列車、船舶、日用電器、機械及體育用品等領域應用的迅速擴大，其廢棄物的回收再利用技術的開發和產業化已迫在眉睫。其中碳纖維增強熱塑性樹脂（CFRTP）可通過制成切片再利用，而碳纖維增強熱固性樹脂的回收是有難度的。
CFRP的碳纖維回收技術始于本世紀初，要取得穩定的回收材料并不容易。目前除利用熔礦爐的熱源進行熱再生已實用化外，面向混凝土補強材料的碳纖維回收也進入實用化階段。然而，為滿足人們對構筑循環型社會的迫切期待，需研發出高水平的碳纖維回收技術。以下分別介紹近年來一些大學、科研院所和企業在碳纖維復合材料回收方面的技術開發現狀。
2 全球主要碳纖維回收企業及其技術介紹
2.1 東麗、東邦Tenax和三菱麗陽公司
據統計，目前東麗、東邦Tenax和三菱麗陽這 3 家日本頂級的聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF）企業的碳纖維產量占據全球小絲束PAN-CF的70%左右，產品分別應用機、汽車等一般產業和體育休閑用品中，隨著其廢棄物的日益增多，必須聯合開發回收技術。另一方面，在碳纖維的生產過程中，會排放出溫室效應氣體（CO2），需通過擴大CFRP的應用領域來實現更多的節能減排。為此，當務之急是盡快確立CFRP的回收技術。
關于碳纖維再生技術的開發，早在2006年日本通產省就通過其補助的“碳纖維再生技術的實證研究開發”課題在福岡縣大牟田市內建設了中試廠，自2009年起得到了福岡縣和大牟田市的資助，從而可作為碳纖維協會的活動內容，并積極從事基礎技術開發。通過研究，取得了可控制所回收碳纖維長度、并可除去金屬雜質和樹脂殘渣量低的再生碳纖維技術，從而達到了碳纖維協會的開發目標，并于2013年底終止了協會活動。為此由上述 3 家PAN-CF企業接力，設立了“碳纖維再生技術開發組合”，以進一步深化該回收技術，以期實現產業化。
JFCC與大同大學等的共同研究組合，找到了由CFRP廢材回收碳纖維并可大幅提高與樹脂粘合性的再生技術，無需使用上漿劑，從而實現了高效和低成本的回收再生。
以往由于碳纖維與樹脂的粘合性差，通常需要通過氧化劑刻蝕處理后，再于碳纖維表面涂覆上漿劑（集束劑）方能使用，而其他由廢CFRP回收碳纖維的技術，也需要進行再生碳纖維的表面處理，造成成本較高。而JFCC的方法由于經過含氮氣的過熱蒸汽處理，得到了雙重效果，即過熱蒸汽處理使碳纖維表面的酸度增加了，且表面增加了氫氧基，使之與樹脂的吸附活性點增加，而添加氮氣使碳纖維表面的堿度上升，使之與樹脂的粘合性大增，而且隨著處理溫度的上升，碳纖維與樹脂的粘合性也提高，在700 ℃以上進行處理時，可以達到與市售的經上漿劑處理的碳纖維同等的粘合水平。目前JFCC已銷售該熱處理設備。
2.3 碳纖維再生工業公司
位于日本岐阜縣美濃加茂市的碳纖維再生工業公司（CFRI）創立了熱解法由廢CFRP回收碳纖維的獨有技術，其特點是以廢料燃燒時所產生的熱分解氣作為碳纖維回收工程的熱源，從而可比以往的方法節約 6 成的能源，而所回收的碳纖維強度可達原生碳纖維的80%以上。目前該回收產品已應用于汽車部件，可實現整車減重20%以上。
再生過程是通過碳化爐和燒成爐兩段燒成而得，可原封不動地回收長纖維，該回收系統所回收的碳纖維產能約為60 t/a。
在碳化工程中，將CFRP廢料加入密閉容器中，并將容器外側加熱，使廢材分解。最初用燈油燃燒加熱，到400 ℃前后塑料發生氣化，通過配管將該氣導出，在燃燒器中與氧混合燃燒，利用產生的氣體加熱產生氣體的循環，達到用廢材自身的能量進行加熱設計，而且當混合燃燒開始時，燈油燃燒器隨即停止，如圖 1 所示。
一般來說，CFRP中碳纖維與樹脂的比例約為1∶1，碳纖維再生工業公司注意到樹脂燃燒釋放的卡路里較高，從而開發了利用廢材自身所持有的能量進行碳纖維再生的節能技術。最初碳化工程所需的能量為每回收 1 kg碳纖維需15.3 MJ（非焦耳），而通過使用熱蒸汽使密閉容器內的溫度均勻等手段，現已使能耗下降至6.71 MJ。
CFRP廢材燃燒時，可得到表面覆有殘留碳的碳纖維，在隨后的燒成工序中，需將溫度調高至碳纖維表面上僅殘留適度的碳，這樣所得碳纖維的強度較高。若燒成溫度再高一些，就可完全除去殘留碳，目前以480 ℃燒成 3 h最為合適。
2.4 西門子中央研究院
西門子中央研究院采用溶劑分解回收的方法，由廢CFRP部件中回收碳纖維。據介紹，所用溶劑不會破壞環境，所需能量比制造新的碳纖維要少得多，而且能回收CFRP中的碳纖維織物或纖維等原形，以便進一步加工成新的CFRP制品，并幾乎保留原有的力學性能。具體方法是在200 ℃和水的存在下對CFRP廢材施壓并進行加熱，使其中的樹脂轉化成低相對分子質量的水溶性醇類。
2.5 德國寶馬和美國波音公司
2012年德國寶馬（BMW）汽車公司和美國波音飛機公司達成了共同研發碳纖維回收再生技術的協議，內容包括制造技術秘密共享等，并致力于自動化過程的研究。
如所周知，這兩家公司都在積極從事CFRP制品的生產，其中波音公司采用約50%CFRP的B-787飛機已經實現商業化運行，目前月產 7 架，而BMW公司于2013年下半年開始銷售兩款使用了CFRP部件已批量生產的車型 —— BMW i3和BMW i8。因此，對這兩公司而言，研發可連續化的碳纖維回收技術和方法，成了不可回避的課題。
2.6 華東理工大學和波音公司
華東理工大學和波音公司最近簽署了利用太陽能從熱固型CFRP廢材中回收碳纖維的合作開發協議，旨在研發出一條低能耗并能由大尺寸CFRP廢材部件高效回收碳纖維的方法，以改進現有回收技術普遍存在能耗大、二次污染以及難以或無法得到連續有序的再生碳纖維的方法。
2.7 德國RWTH Aachen大學紡織技術研究所
德國RWTH Aachen大學紡織技術研究所利用碳粗紗（6 ～ 24 K，單絲直徑 7 μm）生產過程產生的廢絲以及卷曲或非卷曲碳纖維織物切割時產生的邊角料，研發出了 3種碳廢絲的切割裝置（圖 2）及其空氣動力學非織造布的生產技術，由它可連續生產再生碳纖維非織造布。
該所同時還對上述 3 種不同切割裝置所生產的短切碳纖維（圖 3，纖維長度>15 mm）提出了碳纖維長度的測定和表征方法。其中切割機（圖2（a））法中，在切割機的轉子上裝有易替換的刀片和外罩，可以15 m/s的高速度運行，這些葉片相互略有傾斜，以達到斜向切割，可制成30 mm和60 mm等長度；單軸切碎機（圖2（b））法中，切割機以 5 ～ 10 m/s的速度中速運行，由一個活塞推動進口廢絲朝轉子方向行進，轉子上裝有易替換的切割齒，當超載時轉子會自動反轉，可制成60 mm等長度的纖維；旋轉剪切機（圖2（c））法中，切割機以0.3 ～ 0.8 m/s的速度低速運行，其兩軸相連，因此靠本身的旋轉剪切力就可供入原料，每個軸上裝有幾個切割盤，再生碳纖維在兩個相對的切盤間被切割，當出現超載時，雙軸會自動反轉。
試驗結果表明，單軸切碎機和旋轉剪切機都適于生產較短的短切纖維，但會產生大量粉塵；而切割機法適合生產較長的纖維，且粉塵量少。圖 4 所示為采用切割機所生產的碳纖維長度的表征結果。通過比較可以發現，纖維的平均長度和標準偏差值取決于所使用的測試方法和切割進程。這兩種方法均顯示出有所差別和較高的標準偏差及離散系數，而人工法（DIN）卻顯示出較大的纖維平均長度及較小的長度偏差。實驗證明，經第一切割周期后，不同纖維樣品的平均長度變化較大（樣品 1 ～ 3），但經切割 3 ～ 5次后（樣品 4 ～ 11）則趨于均勻，但標準偏差仍居高位。
總之，切割機法最適于由碳纖維粗紗的廢品制取短纖維。
2.8 德國薩克森紡織研究所（STFI）等
STFI從事對碳纖維和CFRP生產過程中所產生的多種廢料等的再利用研究，并將回收的碳纖維應用于加工非織造布。其研究的再生碳纖維可充分保持原有特性，并以長度50 ～ 100 mm的形式加以利用。同時該所還開展用碳纖維正品與再生碳纖維形成共混網材的技術研發，以提高綜合使用性能、耐變形性能和耐破裂強度等。
德國Thuringen纖維塑料研究所（TITK）則研發將切碎的碳纖維加工形成網材的技術。
CFK Valley Stade Recycling公司也表示，將熱處理后的再生碳纖維切割成10 mm后就可用梳棉機制成網材。試驗結果表明，還可使用長度100 mm的碳纖維正品與30 mm的再生碳纖維加工形成共混網材。
Bonding工程公司曾報道，采用該公司的Maliwatt針刺結合法也可有效形成短切碳纖維網，即在梳棉工序就可形成由100%長50 ～ 100 mm的碳纖維正品與30 mm長的再生碳纖維制成的共混網材，它可作為CFRP的基礎材料。由該工序所形成的再生碳纖維所制成的CFRP，已確認可應用于以往的多個領域，但在汽車領域，考慮到安全因素，只限于內裝的坐席和轎車車尾的行李廂中。
2.9 其他
日立化成開發了采用常壓溶解法由CFRP廢料回收再生碳纖維的技術，信州大學開發了利用氧化物半導體的熱活性回收碳纖維的技術，而靜岡大學則利用超臨界或亞臨界流體回收再生碳纖維的技術，據說我國的上海交通大學也在研發相關技術。
3 結語
目前，我國某些大學和科研院所也在開展由廢CFRP回收碳纖維的技術，但要實現產業化尚需時日。在國外，隨著一些CFRP汽車產品進入報廢期，當務之急便是開發大規模回收碳纖維的連續化、低成本和低能耗的回收生產線，以避免這些廢材在將來堆積如山。
另外，碳纖維生產過程中所產生的廢絲或是深加工過程及CFRP制備過程中所產生的廢品，將隨著產量的迅速增加而不斷增多。對于生產過程中所產生的廢絲，目前國內外生產廠家都已將其加工成短切或研磨碳纖維出售，而CFRP廢品仍需針對產品的具體特點，通過適用的回收技術加以利用。
據了解，目前我國已有30多家規模不一的碳纖維生產廠以及數百家下游CFRP生產廠，而且據預測到2017年前后，我國有望變成全球最大的碳纖維消費國，因此及早研發出具有自主知識產權的CFRP廢材回收技術已是相關行業刻不容緩的責任，國家有關部門應予以政策和資金上的大力支持。
參考文獻
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