引言

碳纖維增強聚合物基復合材料（CFRP）作為高度工程化材料，具有高比模量和高比強度。它們非常適用于對高強度和剛度、較低重量以及卓越疲勞特性有關鍵要求的應用場合。與鋁和鋼相比，碳纖維的比強度約高出十倍（取決于所用的纖維）。在過去的五十年中，CFRP已成功應用于航空航天、汽車、鐵路運輸、海洋和風能行業。過去二十年，CFRP的全球復合年增長率（CAGR）約為12.5%。

在航空航天領域，最近的兩款遠程飛機，空客A350和波音787，在機身結構中廣泛使用CFRP，占50%以上的重量比例。對于汽車結構（例如車身面板、車頂和地板組件），它們在剛度方面的需求，使得碳纖維具有減輕車輛質量和提高性能的優勢。在風力渦輪機應用中，碳纖維比E-玻璃纖維具有更高的比模量，使得風葉更長、設計更纖細，具備卓越的空氣動力性能。隨著輕質燃料儲存的擴大，復合材料壓力容器正在迅速增長。

越來越嚴格的全球二氧化碳（CO2）排放標準和當前的碳中和法規將對碳纖維復合材料行業產生深遠影響。輕質復合材料在可再生能源領域，如風能、光伏或氫能，具有在保護、儲存、運輸和使用方面的廣泛要求。

本文全面回顧了碳纖維和碳纖維復合材料的歷史，全球CFRP的發展和生產現狀，航空航天、風力渦輪機、汽車、壓力容器、體育休閑、建筑等領域CFRP發展的趨勢。從新興材料（如大絲束碳纖維和熱塑性基體）、制造工藝（如成本效益高的高壓釜外制造和旨在降低成本和增加產量的液體成型）以及復合材料回收和再利用的迫切需求和挑戰等方面討論了新碳纖維復合材料開發的意義。

碳纖維和碳纖維復合材料的歷史

發展的早期

碳纖維和碳纖維復合材料的早期發展涵蓋了50年代和60年代。碳纖維具有高碳含量，直徑在5–10μm范圍內。碳纖維的優點包括高比強度、高比模量、高耐化學性和耐熱性以及低熱膨脹性。1958年，美國聯合碳化物公司的Roger Bacon在氬氣中加熱人造絲，實驗測量碳的三相點時，意外地生產出了碳纖維。1960年，來自H.I.Thompson纖維玻璃公司（美國）的Richard Millington開發了將人造絲基纖維中的碳含量提高到99wt%的方法，并申請了專利（美國專利號3294489）。大約在同一時間，日本和英國的研究人員正在使用聚丙烯腈（PAN）代替人造絲開發碳纖維。PAN是一種合成的半結晶有機聚合物樹脂，具有直鏈式C3H3N。

1959年，日本大阪工程技術研究所的Akio Shindo成功地使用成本效益高的生產方法生產了碳含量為-55wt%的碳纖維。它的模量大約是人造絲基碳纖維的三倍。PAN工藝由于更高的碳產率和更簡單的制造工藝而變得更經濟。東麗工業（日本）于1961年開始對PAN碳纖維技術感興趣，并于1964年建立了中試生產。1970年晚些時候，東麗與該研究所簽訂了PAN工藝的許可協議。英國皇家飛機公司（RAE，UK）的W.Watt、L.N.Phillips和W.Johnson也于1963年為使用PAN纖維的碳纖維制造工藝申請了專利。這一制造工藝創造了比以前工藝更強的碳纖維產品。

隨后，英國國家研究發展公司向羅爾斯·羅伊斯、Morganite和Courtaulds授予了該工藝的許可證。羅爾斯·羅伊斯當時開始使用碳纖維生產噴氣發動機組件，并憑借RB-211航空發動機進入美國市場，該發動機具有碳纖維復合材料壓縮機葉片。不幸的是，鳥類撞擊被證明是壓縮機葉片的一個主要弱點，這導致了勞斯萊斯的重大挫折。最終，勞斯萊斯賣掉了他們的碳纖維工廠。20世紀60年代，日本和英國公司領導了碳纖維生產的實驗室技術開發。代表公司有日本大阪技術研究所、東海炭素、日本炭素、東麗、三菱、東寶等，英國皇家飛機公司、皇家原子能協會、Courtaulds、羅爾斯·羅伊斯等，同時杜邦、聯合碳化物等美國公司正在試驗丙烯酸或粘膠基碳纖維產品，因此美國PAN基碳纖維的開發晚于日本和英國。

碳纖維復合材料產業的開端

碳纖維復合材料工業的開端是在70年代到80年代之間。1970年，日本東麗工業公司和美國聯合碳化物公司成立了一家合資技術企業，導致PAN基碳纖維生產的成熟，該生產在當今全球市場占據主導地位。在碳纖維制造工藝的發展過程中，英國、美國和日本之間進行了密切合作。

1971年，東麗公司建立了12噸碳纖維生產能力（當時世界上最大的），并開始生產Torayca®300（T300）。1972年，東麗推出了第一個商業碳纖維復合產品系列——魚竿。這些魚竿將現有產品的重量減少了約50%，并且相對更貴。1972年，美國的Hercules從RAE獲得碳化技術，并采用了Courtaulds的前驅體。隨后，美國和日本公司生產碳纖維高爾夫球桿、網球拍和自行車，其性能在市場上受到高度評價。然而，CFRP在當時主要用于運動和休閑。

1975年是自1973年石油危機以來的一個轉折點，這場危機迫切需要減少機身重量以減少燃料消耗。波音和空中客車等飛機制造商專注于使用碳纖維增強塑料制造不影響飛行安全的二級飛機結構。1980年，波音公司提出了商用飛機制造對碳纖維的要求。1982年，他們開始在波音757、波音767和航天飛機上使用T300。CFRP進入了航空航天結構的工程應用，包括軍用和民用飛機。CFRP的大規模生產是在軍用飛機的制造中實現的。

20世紀80年代見證了碳纖維生產的工業化，碳纖維系列化和應用取得了重大突破。憑借1000噸/年的單線生產能力，東麗已基本完成其現有產品系列的大部分，即初期的T300、中期的T800和T1000以及后期的M60J。Torayca®碳纖維的拉伸性能如表1所示。隨著碳纖維增強塑料在飛機部件中的廣泛應用，到1988年，Torayca®碳纖維的累計產量已超過10萬噸。與此同時，英國進行了幾次技術轉讓，最初是向美國，然后是向中國、印度、俄羅斯和巴西。由于美國、日本和英國之間的技術轉讓，工業碳纖維制造商Zoltek于1988年在美國推出。臺灣的福爾摩沙開始與美國的Hitco進行技術合作。

表1. TORAYCA®碳纖維的拉伸性能

碳纖維復合材料應用第一波浪潮

——航空航天結構材料

碳纖維復合材料的第一波應用浪潮涵蓋了20世紀90年代至00年代。20 世紀 90 年代的特點是碳纖維生產商合并和企業收購。1990 年，Torayca® CFRP 預浸料被波音公司采用，用于波音 777 的主要機身結構，如圖1所示。美國航空航天公司Hexcel從Hercules手中收購了碳纖維部門。石油巨頭阿莫科加入了聯合碳化物公司等美國主要碳纖維制造力量，并與東寶和塞拉尼斯成立了合資企業。2001 年，這些資產的所有權發生變更，并更名為 Cytec。1997年，當德國石墨巨頭西格里集團從英國考陶德收購RK Carbon時，碳纖維行業的先驅考陶德從此銷聲匿跡。后來西格里集團通過與高爾夫球桿工廠Aldila合資購買了碳纖維的股份。

圖1. 碳纖維應用隨時間的發展。版權所有：三菱材料公司

波音公司于 2003 年啟動了 787 項目，在機身和主要結構中比以前的任何商用飛機都更大量地使用 CFRP（50 wt%）。圖 2顯示了波音 767和波音787所用材料的比較。CFRP 的使用量從僅在波音767的襟翼中使用3 wt% 大幅增加到覆蓋機身、主翼、尾翼和襟翼的50wt%。波音787。由于CFRP的廣泛采用，鋁的百分比從77wt% 下降到20wt%。與波音 767 相比，波音 787 的重量大幅減輕，節省了 20-22%的燃油。2005 年，波音 787 的競爭對手空中客車公司推出了 A350 XWB 計劃，該計劃也主要使用 CFRP（53 wt%），從而減少了 50%結構維護和機身檢查頻率降低（空客 A380 要求的間隔時間從 8 年延長到12 年）。

90年代和00年代被視為碳纖維復合材料在航空航天應用的第一波浪潮。商業航空公司成功并逐步使用更多的碳纖維復合材料來制造飛機機身。40年來 CFRP 的采用加速如圖 3所示。波音 787 和空客 A350 分別采用了50 wt% 和53 wt% 的CFRP，這是一個里程碑。CFRP采用急劇增加的原因，特別是2005年之后，主要歸因于航空公司對降低燃油消耗、CO2排放和維護成本、更長的設計壽命、通過零件集成降低工具和裝配成本的要求。預計未來20年將交付約9000架新型寬體飛機，其主要結構主要采用CFRP。私人飛機和直升機中 CFRP 的使用重量可高達70-80%。

這一時期，我國碳纖維的研發和生產開始騰飛并迅速加速。這就催生了國內多家碳纖維生產企業，如中復神鷹、江蘇恒神、吉林炭谷（碳谷）、光威等。

圖2. 波音767和波音787的材料使用比較。版權所有：三菱材料。

圖3. 增加CFRP在商用空客和波音飛機上的使用。

 

碳纖維復合材料應用第二波浪潮

——工業（非航空航天）用途

碳纖維復合材料應用的第二波浪潮大約在10年代及以后。本世紀10年代的特點是碳纖維的應用從航空航天向非航空航天工業用途急劇擴展，并以大批量、低成本為特點。如圖1所示，碳纖維的工業用途增長速度更快。這些應用包括風能、汽車、鐵路運輸和民用基礎設施。2007年，Zoltek開始與風力渦輪機 原始設備制造商（OEM）維斯塔斯合作，在美國風力渦輪機葉片中使用碳纖維。與玻璃纖維增強聚合物（GFRP）復合材料制成的葉片相比，在60米長的渦輪葉片中采用CFRP復合材料預計可減少葉片總重量38%，成本降低14%，并提高產量功率密度和延長葉片疲勞壽命。由于在風力渦輪機葉片中成功使用拉擠碳纖維增強翼梁帽，維斯塔斯對碳纖維產生了前所未有的需求，從而導致碳纖維行業內的一體化程度不斷提高。

具有里程碑意義的事件是東麗在2014年底收購Zoltek，這導致了碳纖維工業和航空航天市場的融合。Zoltek 是低成本工業級碳纖維的全球領導者。從那時起，它經歷了幾次擴張。最近，Zoltek宣布在北美擴建13噸/年，并在墨西哥進一步擴建6噸/年，這將導致其全球碳纖維產能增加至35噸/年。目前，碳纖維在風力發電機葉片上的應用已大大超過在航空航天領域的應用。

2010年，寶馬與西格里在美國設立合資碳纖維工廠，總產能為9噸/年，旨在為電動汽車輕量化提供碳纖維來源。2017年8月，西格里確認收購寶馬碳纖維合資公司股權，寶馬退出碳纖維行業。在此期間，中國出現了碳纖維生產投資熱潮，韓國、俄羅斯、土耳其、臺灣等地區也出現了新的進入者。

現在已經生產出比早期版本具有顯著提高的拉伸模量和拉伸強度的碳纖維，例如，東麗工業公司現在生產拉伸模量高達588 GPa（M60J）和拉伸強度為7000 MPa（T1100S和T1100G）的碳纖維。在過去的20年里，通過采用新興的前驅體材料（木質素前驅體、聚烯烴前驅體、PAN-丙烯酸甲酯前驅體、紡織品前驅體等）和改進的轉化工藝（先進的氧化穩定化），制造碳纖維的成本顯著降低。、等離子或微波技術、先進的表面處理和施膠等）。主要用于工業應用的大絲束碳纖維（超過40,000根長絲）是下一代碳纖維發展的另一個特點。

Zoltek 是全球領先的大絲束 (>50k) 碳纖維商業供應商，因為它為風能渦輪機葉片供應產品。大絲束效率和生產率的提高進一步降低了碳的成本。碳纖維性能的提高和成本的降低克服了碳纖維作為先進復合材料的強韌、輕質增強材料廣泛使用的主要瓶頸。美國 ORNL 的碳纖維技術設施 (CFTF) 率先推出了紡織級碳纖維 (TCF)，即寬絲束 300-450k 絲束，與商用航空航天級碳纖維相比，成本降低 50%，蘊含能量降低 60% 。ORNL 纖維是一種非航空航天級纖維，模量范圍為 260 至 290 GPa，拉伸強度為 1700-2700 MPa，因此非常適合汽車和風能領域的模量驅動應用 。這些發展為碳纖維在風能、汽車、鐵路運輸、建筑、石油和天然氣以及海洋和近海工業中的應用開辟了道路。展望未來，碳纖維和樹脂的新科學技術將在消費和特殊工業用途中找到更廣泛的應用。

當前全球CFRP復合材料開發和生產情況

圖4顯示了2008年至2025年全球CFRP復合材料的需求量?？梢钥闯?，自2014年以來，CFRP復合材料的使用量呈穩步增長趨勢。2021年消耗量約為181噸，是2014年的兩倍多。預計2025年需求量將達到285噸。

圖4. 2008-2025年全球對CFRP復合材料的需求。

圖5a顯示了風能、航空航天、運動休閑、汽車、模塑和化合物、壓力容器、碳/碳復合材料、建筑等領域的全球CFRP復合材料需求。2021年，風力渦輪機葉片消耗了大量碳纖維復合材料。CFRP 產量達到令人印象深刻的 50.8 噸，占總需求的 28%。與2018年相比，增加了16.6噸。但受疫情影響，航空航天領域消費量大幅下降（較2018年下降23%），為25.4噸，占風電葉片CFRP消費量的近一半。盡管發生了新冠疫情，運動和休閑市場（2021 年為 28.5 噸）仍保持穩定。越來越多的汽車使用CFRP復合材料，特別是在電動汽車中（例如，電池蓋由具有各種CF增強形式的CFRP復合材料制成）。2021年，液體和氣體儲存和運輸壓力容器中CFRP的消耗量占總價值的9%，表明該領域的使用量有所增加。

2021年全球CFRP銷售總收入約為200.5億美元，較2018年的248億美元有所下降。航空航天CFRP市場的急劇減少和其他行業的增長歸因于圖5b所示的收入分布。航空航天和風能領域在碳纖維復合材料消耗的數量和成本方面表現出明顯的對比。航空航天 CFRP 復合材料是通過復雜的工藝制造的，從預浸料切割和自動鋪層，到熱壓罐固化和質量檢查和保證，然后是機械加工和組裝。然而，風力渦輪機復合材料中的CFRP復合材料主要通過拉擠成型和真空輔助樹脂傳遞模塑成型制造。CFRP 部件制造完成并經過測試后，將直接進行組裝。因此，這兩個領域的研發周期有很大不同，前者至少需要10年，后者通常需要1-2年。對于汽車、軌道交通和其他行業來說，尋找合適且具有成本效益的 CFRP 制造路線以實現性能和經濟性之間的最佳平衡非常重要。

2021年，中國市場（61.8億美元）取代美國市場成為最大的CFRP市場份額，占全球消費量的30.8%（圖5c）。這一趨勢反映了COVID-19大流行對美國航空航天市場的重大影響。中國生產了全球90%的CFRP運動休閑產品和全球60%的風電葉片，在全球CFRP收入中占據重要地位。歐洲消費了 44 億美元的 CFRP 復合材料，占全球收入的 21.9%。全球對CFRP按工藝的需求如圖5d所示，其中纖維纏繞和拉擠工藝超過預浸料和疊層工藝，成為2021年的主要制造方法。

2021年全球對纖維纏繞和拉擠工藝制造的CFRP的需求量份額最大為65.5 kt，占總需求的36.1%。這一令人印象深刻的轉變部分受到航空航天大流行回歸的影響，但即使航空航天行業能夠在2019年恢復到原來的規模，來自風能和壓力容器制造的強勁驅動力將繼續在創新和成本效益方面發揮重要作用CFRP 復合材料。值得注意的是，長絲纏繞和拉擠工藝從纖維到最終復合材料產品的材料浪費最少。

圖5. 2021年CFRP復合材料的全球需求(a)應用和(d)工藝；2021年全球CFRP復合材料收入(b)應用和(c)地區。

隨著碳纖維復合材料第二次應用浪潮，以CFRP在非航空航天工業應用的顯著增長為標志，全球主要碳纖維生產商已經提出了擴張計劃。圖6顯示了2020年全球碳纖維產能。產量排名前五位的公司為106.6kt，占全球總產能（170kt）的62%，分別是：東麗（包括Zoltek），產量為54.5kt（風能領域的主要參與者）渦輪機部門）；SGL 15.0 kt（汽車行業）；三菱溧陽14.3克拉；Toho Tenax 為 18.0 kt，Hexcel 為 15.2 kt。來自中國、韓國、土耳其和其他地區的一些新參與者正在涌現。

圖6. 各公司2020年全球碳纖維產能

CFRP的發展趨勢

航天

CFRP 復合材料在飛機上的使用是從副翼、配平片和方向舵等輔助結構開始的。CFRP 表現出優異的機械性能，例如高強度重量比和高剛度重量比。隨著技術的進步，纖維和基體性能得到了顯著改善，從而增強了層壓板的性能，使該材料能夠應用于機身、垂直尾翼、尾翼箱和機翼等飛機主要結構，并取代傳統的輕質金屬合金。表 2總結了復合材料（尤其是CFRP）在軍用和民用飛機中的應用不斷增加。例如，F/A-18 E/F軍用飛機的水平安定面、機翼組件、機身、垂直尾翼均采用CFRP復合材料，占結構重量的19%，覆蓋外表面的60%。

在CH-53K直升機中，通過使用 FRP 復合材料（>75wt%），部分實現了外部負載能力三倍的增加。在現代戰斗機中，例如歐洲戰斗機，重量為 40% 的復合材料和外蒙皮的復合材料覆蓋率為 70%，由于質量減輕，增強了飛機的敏捷性。機身曲率是通過復合材料制造實現的，雷達吸波復合材料使橫截面更小，增強了飛機的隱身性。

表2. FRP復合材料在軍用和商用飛機上的應用。

大規模使用復合材料的主要民用飛機是波音和空客。從波音 737、757 到夢想飛機 787，復合材料首先用于波音 737 中的副翼等次要結構（3 wt% 復合材料），以及波音 777 中的控制面、機身側板和地板梁等主要結構（12 wt% 復合材料） ）。波音787是第一架使用大比例CFRP復合材料（50wt%）的民用飛機。

由于復合材料結構具有優異的抗疲勞性，材料和結構設計以及制造方面的徹底變革將維護間隔從 6 年延長至 13 年。隨著時間的推移，空中客車公司還增加了其 A310、A320、A330、A380 和 A350 XWB中CFRP復合材料的采用。A310（8wt％復合材料）使用CFRP垂直穩定器，與鋁合金版本相比減輕了400公斤，A320（15wt％復合材料）將CFRP的使用擴展到第二蒙皮，比鋁蒙皮減輕了800公斤的重量表面，從而顯著降低燃料消耗。A350 XWB 的機身和機翼結構由 CFRP 復合材料制成，并且使用了最大比例的 CFRP（53wt%），這使得運營成本比波音 787 降低了 8% 。在飛機上應用CFRP復合材料的主要動機之一是航空航天工業的生態效率，即更少的燃料消耗導致更低的溫室氣體排放和降低成本。

圖7顯示了2004年至2025年全球航空航天領域的碳纖維需求量以及2021年各部門的分布情況。Teal Group公司的數據顯示，2020年飛機乘客較2019年減少了63%，原因是大流行。因此，波音和空客大幅削減了飛機產量；波音將B787飛機的產量減少至每月十架，并在2021年進一步削減至每月兩架。此外，2020年10月，波音宣布將關閉位于西雅圖的B787組裝基地，并與波音南卡羅來納州整合產能?？罩锌蛙嚬緦?A350 的產量減少至每月 5 架。

2020年6月，東麗復合材料美國公司因疫情暫停了南卡羅來納州斯帕坦堡縣工廠的運營，并大幅削減了華盛頓州塔科馬預浸料工廠的產能。所有這些導致2020年航空航天業的碳纖維需求預計下降30%。2020年約53%的碳纖維需求來自商用飛機，16%的需求來自軍用飛機。2020年的某個時候，大約有 18,000 架飛機被停放或入庫，其中許多飛機再也沒有返回。全球疫情導致航空航天產業供應鏈大幅減產、裁員、取消訂單，復蘇可能需要4-5年時間。

圖7. 航空航天業對全球碳纖維的需求。

盡管COVID-19導致碳纖維需求衰退，但CFRP復合材料在航空航天工業中取得了一些進展。在材料方面，來自紡織PAN或熔紡PAN的新型低成本碳纖維、高性能快速固化樹脂、大絲束單向碳纖維以及具有復雜紡織結構的干預成型件將導致復合材料的成本降低組件或結構。制造業的進步包括纖維纏繞和自動纖維鋪放/自動鋪帶 (AFP/ATL) 的自動化解決方案、非熱壓罐工藝（例如樹脂傳遞模塑）、樹脂在一次操作中對不同部件進行灌注（真空輔助）、壓縮成型和電子束固化。

制造過程中的在線質量控制將在不影響機械性能的情況下降低制造成本。神經網絡、模糊邏輯、遺傳算法、自適應神經模糊推理系統等人工智能（AI）技術在性能預測、損傷檢測、逆向工程、設計和加工參數等方面發揮著越來越重要的作用。人工智能中使用的數據驅動模型直接從高維、高通量的數據中建立變量之間的復雜關系，進而捕捉傳統力學方法難以發現的規律，在復雜碳纖維復合材料的模擬、預測、優化方面表現出優勢材料和結構。

風力渦輪機

低成本碳纖維: 盡管碳纖維具有優異的機械性能，但成本高是碳纖維被航空航天工業以外的其他領域廣泛接受的主要問題。碳纖維在航空航天中的使用是因為它具有更高的成本承受能力。隨著各行業對碳纖維的需求不斷增加，特別是在風力渦輪機葉片等大批量應用中，迫切需要低成本的碳纖維。此外，美國和歐洲對運輸車輛溫室氣體排放的監管更加嚴格，引發了更多低成本碳纖維的研發。汽車結構，如車身面板、車頂和車輛地板，是剛度驅動的，其中碳纖維在輕量化和增強性能方面表現出顯著的優勢。與航空航天和飛機結構相比，汽車的機械要求中等或較低。對于商用車來說，要盈利，低成本碳纖維至關重要，這已經轉化為人們對開發具有中等強度和高剛度性能的低成本碳纖維的濃厚興趣。

碳纖維的制造基本上涉及前驅體合成、纖維紡絲、穩定化、碳化和表面處理五個步驟，其中前驅體材料占商業化PAN基碳纖維生產總成本的近53%。通常，商業碳纖維在碳化之后經過電解表面活化，然后通過將碳纖維粗紗拉伸通過上漿乳液或分散體浴而施加上漿。施膠分散體與纖維和基體的官能團強烈相互作用。施膠分散體通常包含與聚合物基質相同的化學類別，以確?；瘜W相容性。施膠的碳纖維表現出高表面能，有利于基體對纖維的良好潤濕。崔等人回顧了降低碳纖維原絲成本方面的技術進步和總結的新原絲材料（見表3 ）。

表3. 低成本碳纖維前驅體材料。

用于制造地毯、毯子和衣服的紡織級PAN 纖維具有較大的絲束（160-320k 長絲，而商用碳纖維前體的單絲為 3-12k），丙烯腈純度較低，并且可以減少成本高達39%。生產的碳纖維通常具有較大的截面和較高的線密度，性能變化較大。其他缺點包括不可控的氧化和穩定過程長。肖庫法爾等人。發現紡織PAN原絲纖維中衣康酸共聚單體的存在增加了碳纖維的拉伸強度，而2-甲基-2-丙烯酰氨基丙烷磺酸鈉、甲代烯丙基磺酸鈉的存在延遲了腈基團的環化反應，導致溫度升高以達到穩定?？扇廴诩徑z的 PAN 前驅體可以代替濕法、干法或干噴濕法紡絲，從而產生更高的紡絲速度并降低成本。據報道，水、碳酸亞乙酯和碳酸亞丙酯等添加劑可作為增塑劑來降低 PAN 的熔點。研究了重絲束碳纖維對不飽和聚酯樹脂CFRP的施膠效果。研究表明，施膠可以提高復合材料的纖維-基體界面強度、靜態和疲勞性能。

木質素是一種生物聚合物前體，用于制備低成本碳纖維，預計可降低成本高達 41%。然而，木質素衍生碳纖維的機械性能即使對于低端應用也不能令人滿意。需要付出許多努力來改善它們的性能，例如，通過將木質素與其他聚合物（例如聚環氧乙烷或聚丙烯）混合。

在制造低成本聚乙烯、瀝青或瀝青/聚乙烯共混物前體方面也進行了積極的研究。瀝青碳纖維用于需要高模量、導電性和導熱性的應用。瀝青纖維源自石油瀝青和/或煤焦油瀝青。通常，高軟化點各向同性石油衍生瀝青適合轉化為中間相。當產生中間相時，中間相球粒開始在液體各向同性瀝青內成核并生長。它們作為各向同性相內的相繼續生長。在大約 60% 中間相時，發生相轉化，中間相變成連續相，各向同性相成為內部的球體。通過中斷中間相發展并溶解各向同性瀝青，留下納米級中間相珠和顆粒。這些可以被氧化、碳化和石墨化以熔紡成碳纖維。

與源自PAN的碳纖維相比，源自中間相瀝青的碳纖維表現出高拉伸模量但低應變失效以及相對較低的拉伸強度。持田等人。在加熱墻的設計中使用瀝青碳纖維作為復合材料的填料。由于其高導熱性，Torchala 等人采用瀝青碳纖維作為電子雙層電容器的電極材料。在模量方面，Schnerch 等人研究了使用高模量CFRP來增強橋梁和天線塔中的鋼材。他們觀察到，高模量 CFRP 的剛度可以超過鱗片鋼 25%。

除了前體材料之外，人們還嘗試通過降低穩定和碳化過程所需的時間和能量來降低碳纖維的加工成本，例如等離子體輔助穩定和碳化、微波輔助等離子體碳化和電子輔助碳化。光束照射作為預穩定過程。例如，由于紡織級PAN前體沒有衣康酸來催化穩定化反應，因此穩定化不充分容易產生較差的機械性能。通過電子束預處理，生產出拉伸強度為1.87 GPa的紡織級PAN碳纖維。ORNL 成功地用紡織級丙烯酸纖維生產碳纖維，成本僅為商業碳纖維的一半。澳大利亞迪肯大學的 Carbon Nexus 開發了一種工藝，可以加速碳纖維的氧化，并有可能減少 75% 的能耗，同時將處理時間從 80 分鐘減少到不到 15 分鐘 。Lemond Composites 與 ORNL 和迪肯大學合作，開發大批量、低成本的碳纖維生產技術，以生產經濟且高性能的碳纖維產品。

碳纖維在風力渦輪機應用中的使用增長

根據全球風能理事會的數據，2020年全球風電總裝機量達到約743吉瓦，其中新增風電裝機增長53%，達到93吉瓦。為了通過增加能量捕獲來提高風能的經濟性，風力渦輪機的額定功率和轉子葉片尺寸不斷增長，最近的數值達到5 MW 和 >100 m（直徑）（見圖8a ） 。與其他大型復合材料結構相比，風力渦輪機葉片是一個更為發達的行業，隨著時間的推移已經建立了幾代復合材料葉片設計。風力渦輪機目前正經歷最快的增長，預計未來仍將持續。

碳纖維比玻璃纖維具有明顯的優勢，因為它具有更高的比拉伸模量（>3倍）、更高的比拉伸強度和更高的抗疲勞性能。然而，為航空航天工業開發的碳纖維的高成本阻礙了其在風力渦輪機結構中的大量使用。碳纖維的已知優點是提高了剛度重量比（作為 57 米長葉片的增強材料，與無堿玻璃纖維相比高出 4 倍，相當于減輕了 27% 的重量 ）和實現細長使用更少的殼體材料、更薄的翼型和更好的空氣動力性能的葉片設計。事實上，風力渦輪機結構中的碳纖維消耗量已從 2004 年的約 800 噸增加到 2021 年的 30 噸以上，這意味著自開始使用碳纖維以來增長了 36 倍。未來幾年將會出現穩定和急劇的增長，例如，預計2025年僅風力渦輪機行業的碳纖維需求量將超過81噸（圖8b）。

圖8. a)風力機容量和轉子直徑增長的歷史和預測趨勢；b)風能行業對碳纖維的需求。

碳纖維的高成本是限制其在建造渦輪葉片的大批量材料利用中更廣泛應用的關鍵阻礙因素。風力渦輪機制造商正在迫切尋找更便宜的碳纖維和相關的適用制造技術，旨在進一步增大轉子尺寸并降低能源平均成本。最近的一份報告調查了使用大絲束碳纖維開發用于風力渦輪機應用的經濟型 CFRP 復合材料的商業可行性 。大絲束碳纖維由紡織丙烯酸原絲纖維生產并拉擠制備碳纖維板，該碳纖維板具有高定向碳纖維含量并減少纖維錯位和波紋度，因為纖維波紋度和錯位度是導致壓縮強度下降的影響因素，這對渦輪葉片的機械性能。

對由重絲束碳纖維制造的 CFRP 復合材料與由 PAN 前體（通常用于渦輪機生產）制造的商用碳纖維 Zoltek PX35 進行了機械測試結果和成本分析進行了比較。雖然CFRP復合材料的拉伸強度降低了40%，但使用重絲束碳纖維，壓縮強度僅降低了20%，并且成本預計比商用碳纖維顯著降低（57%）。由于風力渦輪機葉片承受幾乎相同的壓縮和拉伸載荷，因此壓縮強度推動了材料需求，而拉伸強度則超過了設計要求。

從風電機組市場碳纖維需求情況可以看出，2019-2020年并未受到全球疫情的負面影響。相反，2020年10月14日，400多家國際風能公司聯合發布了《風電北京宣言》，目標是到2030年中國風電裝機容量達到800吉瓦，到2060年中國風電裝機容量至少達到3000吉瓦。值得注意的是，截至2018年，中國陸上風電裝機容量為21吉瓦，海上風電裝機容量為1.6吉瓦，分別占全球市場的46%和40%，成為領先的風電市場。在此期間，美國風能也出現了顯著增長。

目前全球領先的風能公司有丹麥維斯塔斯風力系統公司、西班牙德國西門子歌美颯可再生能源公司、GE旗下LM風電公司和德國Nordex SE公司。所有這些公司都使用拉擠工藝來制造用于渦輪葉片生產的碳纖維板。表6比較了風能行業CFRP制造的三種加工方法，即碳纖維預浸料真空裝袋然后高壓釜固化、碳纖維真空輔助樹脂灌注（VARI）和拉擠碳纖維板。

第一種工藝的明顯優點是可以得到具有均勻纖維體積分數的高機械性能的CFRP復合材料；然而，預浸料的低溫儲存以及較高的固化溫度和壓力增加了材料和制造成本。VARI 工藝雖然是一種經濟有效的方法，但由于缺乏高壓和低固化溫度，導致機械性能較差。然而，拉擠成型是一種高度自動化的工藝，可以生產大量具有均勻或復雜橫截面、高度對齊的纖維分布、高纖維含量以及可靠的質量的復合材料零件。對齊的纖維增強材料非常適合構建高度由軸向和彎曲載荷情況決定的復合塔架結構。由于風力渦輪機行業的CFRP構件制造是一種相當新的工藝，因此存在知識產權問題，并且需要關于如何制造和使用碳纖維板的新知識和經驗。

表6. 風電用碳纖維復合材料三種加工方法的比較

除了目前在采用碳纖維方面所做的努力之外，美國科羅拉多州國家可再生能源實驗室 (NREL) 的先進復合材料制造創新研究所 (IACMI-復合材料研究所) 還利用真空輔助技術演示了熱塑性復合材料風力渦輪機葉片。樹脂傳遞模塑（VARTM）工藝。9 米長葉片的制造過程中，樹脂灌注和脫模至少需要 3 小時 。熱塑性體系的室溫聚合簡化了制造過程并減少了加工時間，從而顯著降低了成本。

制造熱塑性葉片的其他優點是可焊接性，無需粘合劑粘合，以及結構機械性能的改進。熱塑性塑料的使用使得報廢的渦輪葉片可回收利用，從而為風電行業帶來環境可持續性和經濟效益。另一個制造柔性細長葉片的項目是“大自適應轉子”項目，旨在設計直徑可達206 m的陸上渦輪機，以實現高風能捕獲，并能夠通過最經濟的鐵路運輸進行運輸。這些柔性葉片將能夠在鐵路運輸過程中扭轉和轉動，而細長的機翼將通過更高的升阻比更有效地捕獲能量。

汽車

1981 年， CFRP 被用作一級方程式賽車的硬殼式車身，到 20 世紀 90 年代，各種小批量超級跑車廣泛使用 CFRP。當時，大型碳纖維供應商，如Hercules和Toray，已經將其產品推向汽車行業一段時間了，但隨后波音公司開始生產777飛機，使用了12wt%的CFRP。Hercules 和 Toray 退出汽車市場，并致力于只供應航空航天市場。預計到 2000 年，CFRP 將在汽車中廣泛采用，但碳生產商的退出大大推遲了這一進程。然而，碳纖維從未離開過汽車行業，碳纖維復合材料已用于汽車生產，包括5000輛超級跑車、50萬輛高級豪華轎車、500萬輛豪華轎車和1億輛非豪華轎車。

自過去十年以來，全球范圍內更嚴格的汽車排放標準和電動汽車的快速增長促使該行業重新使用碳纖維以減輕重量。圖9a顯示了世界不同地理位置減少汽車尾氣污染物的一些主要法規。例如，歐 6 車輛排放標準規定了此前所有歐洲輕型和重型車輛法規中氮氧化物 (NOx) 和顆粒污染物排放量的最大減排量，并于 2021 年生效。歐 6 限制了氮氧化物 (NOx) 排放柴油車排放限值降至 81 毫克/公里，與汽油發動機排放限值 60 毫克/公里的差距縮小。對于CO2排放量超過95克/公里的，將征收高額稅。這一限制將在2025年進一步下降15%，在 2030 年進一步下降 37.5%。

因此，汽車制造商（尤其是歐洲的汽車制造商）一直高度關注創新輕量化技術以減少排放。圖9b顯示了日本交通省記錄的六種汽車的CO2排放量（g/km）與車輛重量之間的關系。由此數據表明，重量每減輕100公斤，CO2排放量可減少20克/公里。輕量化是繼續滿足日益嚴格的法規的關鍵技術，它不僅適用于內燃機，也適用于電動汽車，以提高單次充電的行駛里程。

圖9. 因為全球法規適用于汽車的環保意識，汽車輕量化迫在眉睫。a)關于二氧化碳的全球汽車法規排放及油耗；b)車輛重量和單位距離二氧化碳排放量(g/km)

在汽車結構中采用CFRP復合材料等輕質材料是最直接的減重方法。CFRP 復合材料還具有許多優點，例如更高的耐碰撞性，例如，采用熱固性或熱塑性基體的CFRP破碎錐可吸收大約 120 或 250 kJ/kg 的能量，而鋼的吸收能量為 20 kJ/kg 。在汽車零部件的大規模生產中采用 CFRP 復合材料存在挑戰。例如，汽車工業的快速生產率、較小的利潤率和可回收性需要低成本的碳纖維材料、快速固化樹脂、快速的生產工藝和可回收材料（熱塑性塑料而不是熱固性基體）。寶馬和奧迪等德國汽車制造商已批量生產主要基于碳纖維織物高壓樹脂傳遞模塑（HP-RTM）和快速固化環氧樹脂系統的汽車零部件。傳統的復合材料制造工藝（例如高壓釜、標準樹脂傳遞模塑）需要數分鐘或數小時。與快速固化樹脂一起使用的 HP-RTM 工藝可以在不到一分鐘的時間內完成 CFRP 的制造，這對于大批量生產至關重要（圖 10）。

圖10. CFRP制造的HP-RTM工藝。a)生產線；b)液壓機。

汽車行業的另一個大趨勢是電動汽車。經過十年的快速增長，2020年全球電動汽車保有量將突破1000萬輛大關，較2019年增長43%，占汽車市場份額的1%。2020 年，純電動汽車(BEV) 占新注冊電動汽車的三分之二。中國擁有 450 萬輛電動汽車，擁有最大的保有量，但 2020 年歐洲的年增長率最高，達到 320 萬輛。電動汽車面臨的最大挑戰之一是電池組增加的重量。

電動汽車的重量比類似的內燃 動力系統模型重得多。福特 F-150 Lightning 比類似的汽油動力 F-150 卡車重約 726 公斤，電動沃爾沃 XC40 Recharge 比汽油動力沃爾沃 XC40 重約 454 公斤。車輛的重量是電動汽車僅依靠電力長距離行駛的一大障礙，但較輕的材料可以減輕車輛的重量，而不會影響強度和耐用性。沃爾沃等汽車公司制定了利用電動汽車設計的計劃。其中包括用碳纖維取代部分鋼制車身面板，使用CFRP作為電池外殼，甚至像電池汽車一樣使用CFRP面板來儲存電力。

汽車CFRP復合材料的關鍵技術包括低成本碳纖維、快速固化熱固性樹脂和熱塑性基復合材料。材料中間體包括但不限于片狀模塑料、長纖維復合材料、濕法非織造墊，均與汽車相關。高速、大批量生產的自動化流程以及可回收性等因素變得越來越重要。最近，ORNL 開發了由紡織級 PAN 前體制成的低成本（估計<11 美元/千克）大絲束 (450-600k) 碳纖維，在汽車和風能領域具有潛在的應用。從航空航天 CFRP 廢料中回收的碳纖維也可用于汽車 CFRP 復合材料，以降低成本并減少對環境的影響。再生碳纖維材料顯示出顯著的環境效益，并為汽車行業的可持續輕量化提供了途徑。已經展示了一種閉環方法，該方法從回收（回收）航空航天碳纖維零件開始并加工成汽車零件。回收的碳纖維可以加工成中間體，例如用于結構汽車、鐵路運輸或船舶部件的片狀模塑料 (SMC)。

短纖維可以在多個回收步驟中進一步回收，并用作粉末來增強低承載應用（例如運輸車輛的內部面板）的熱塑性基質。熱塑性基體復合材料，特別是不連續碳纖維增強復合材料，消除了切割過程中固有的碳纖維廢料，并提供可回收的復合材料，解決了熱固性基體復合材料遇到的回收問題。最近的一篇綜述總結了日本采用基于熱塑性基體和不連續碳纖維的 CFRP 復合材料的研究工作。

圖11顯示了2004-2024年期間全球汽車行業碳纖維需求趨勢。2013年碳纖維消費大幅增長，并持續增長趨勢。2021 年，碳纖維需求量為 9.5 噸，預計 2024 年將達到 12.6 噸以上。通用汽車(GM) 的雪佛蘭克爾維特 (C8) 于 2020 年開始商業化生產，將密集的 CFRP 融入到車輛結構中。特別是車架采用了鋁和CFRP材料的混合設計。后保險杠橫梁是汽車行業中第一個彎曲拉擠 CFRP 部件，有助于提高車架剛度和抗后部沖擊力。該車輛還采用混合碳/玻璃纖維復合材料來增強扭轉剛度。一些汽車制造商（例如寶馬）于2020年開始批量生產電動汽車用CFRP電池殼。

圖11. 2004年至2024年全球汽車行業對碳纖維的需求。

 

壓力容器

高壓氣體儲存容器是先進復合材料（特別是長絲纏繞碳纖維復合材料）最大且增長最快的市場之一。CFRP 壓力容器的主要終端市場是壓縮天然氣(CNG) 產品的散裝運輸，以及動力系統依賴 CNG 和氫氣替代汽油和柴油的乘用車、公共汽車和卡車的燃料儲存。圖12顯示了壓力容器碳纖維消耗量的穩定增長趨勢。

圖12. 2004 - 2025年全球壓力容器碳纖維需求。

 

2021年，11.0kt碳纖維用于建造壓力容器；未來的急劇增長是由各種運輸車輛的儲氫需求引起的。清潔氫能源目前正在經歷前所未有的發展，以取代化石燃料并減少環境污染。2020年，歐盟委員會宣布了歐洲氣候中和氫能戰略，目標是到2050年實現氫能的廣泛應用。氫的儲存和運輸是氫能廣泛、安全利用的關鍵技術問題?？焖侔l展的氫能源正在成為包括氫燃料電池汽車在內的各種交通車輛的新能源供應。氫氣的儲存方法有很多種，其中高壓氫氣是最成熟的方法，而且成本低、操作方便。

CFRP復合材料是建造交通車輛高壓儲氫罐的重要材料，特別是III、IV甚至V型壓力罐。對于III型儲罐（金屬內襯）和IV型（聚合物內襯）儲罐，高強度碳纖維絲束沿螺旋和環向纏繞在內襯外圍，承受結構載荷，同時內襯可防止氫氣通過CFRP 復合材料中的微裂紋泄漏。美國能源部將車載輕型車輛、物料搬運設備和便攜式電源應用的儲氫目標設定為到 2025 年 1.3 kWh/L 系統（0.040 kg 氫/L）。

由于車輛空間有限，需要增加氫氣的能量存儲密度以及罐壓，以提供更長的續駛里程。燃料電池汽車中復合材料壓力罐的安裝示意圖如圖13a所示，用于罐制造的纖維纏繞如圖13b所示。

圖13. a)燃料電池汽車儲氫用復合壓力罐。b)用于容器制造的燈絲纏繞方向。

 

由于碳纖維復合材料優異的疲勞性能， III型和IV型CFRP復合材料壓力容器的使用壽命可達30年。V型全碳纖維復合材料無襯里儲罐于2012年首次制造，用于在衛星組件中儲存氬氣。由于V型船舶的重量比最接近的IV型船舶輕15-20%，因此它們在航空航天領域的應用非常有前景。這是因為新一代運載火箭和其他應用對更輕、更安全的燃料儲存罐有很高的需求。預計到 2026 年，CFRP 壓力容器的全球市場規模將達到 19.6 億美元，復合年增長率為 5.2%（2022-2026 年），較 2020 年的 14.5 億美元增長 5.2%。

 

2020年，不僅用于車輛，而且用于飛機的儲氫壓力容器建設也受到了廣泛關注。來自美國的Universal Hydrogen正在致力于氫動力航空的儲氫和輸送。他們開發的關鍵燃料模塊由 CFRP 框架中的兩個 H2儲罐組成，它可以像電池一樣簡單地安裝到飛機上，因此不需要儲氫基礎設施。與此同時，法國政府向空中客車公司提供了COVID-19救助，因此該公司預計將在2035年成功開發氫動力商用飛機。因此，空中客車公司于2020年推出了ZEROe項目，以加速其使用燃燒氫作為燃料的研發飛機。

 

對于復合材料壓力容器的制造，纖維纏繞是一種有效且經濟的技術，用于生成管材、軸和管道等圓柱形結構。材料特性、纏繞角度、纖維張力和纏繞速度等因素是控制纖維纏繞質量和結構效率的重要考慮因素。不可避免的馬賽克圖案會影響不同負載情況下的機械性能，并且需要針對不同的使用條件進行優化。需要通過軌道沖擊試驗、篝火試驗、分長度循環試驗、分尺度循環試驗等測試進行性能評估，以驗證設計和制造過程。對于低溫復合儲罐，低溫引起的熱負荷需要關鍵的設計方法來提供足夠的性能，例如抑制裂紋。低溫推進劑復合儲箱是航天器減重、提高整體性能的重要技術。

使用無襯里 CFRP 復合材料罐，可以實現航天器重量的顯著減輕（高達 20-40%）。由于液氫（−253 ℃）和液氧（−183 ℃）燃料罐的工況溫度較低，低溫條件下、靜動載荷下的增韌、防滲漏等技術挑戰，需要克服。開發了新的纖維纏繞工藝，結合熱塑性內襯的注射成型和激光焊接，用CFRP制造環形壓力容器，以減輕質量（滿足存儲介質6.5％的最大質量百分比），節省材料并降低成本。

運動休閑

體育和休閑是最先成功使用碳纖維復合材料的行業。由碳纖維制成的主要產品是高爾夫球桿、釣魚竿和網球拍。最近的趨勢表明自行車使用的應用正在迅速擴大。自2010年以來，全球碳纖維在運動休閑裝備中的使用呈穩步增長趨勢（圖14a）。2021 年，體育運動中使用的碳纖維數量達到了令人印象深刻的 18.5 噸。高爾夫球桿/桿和自行車是碳纖維的最大消費領域，分別占總消費量的27.6%和25.4%（圖14b）。受疫情影響，曲棍球桿等團隊運動裝備的需求大幅下降，但高爾夫球桿、自行車、釣魚竿等個人運動裝備的需求卻有所增加。因此，預計未來幾年（2021年之后）碳纖維消費趨勢仍呈增長趨勢。隨著可持續交通的倡導，電動自行車對碳纖維的使用需求也不斷增加。

圖14. 來自運動和休閑的全球碳纖維需求。

建造

2004年至2025年，建筑業對碳纖維的需求呈增長趨勢（見圖15）。預計到 2025 年，建筑業中的碳纖維用量約為 6.2 噸。建筑市場包括工業或民用建筑和基礎設施（例如道路、橋梁、水壩、碼頭）。碳纖維復合材料在建筑中的應用主要包括建筑物和橋梁的加固、管道的維護和修理、新型建筑構件、橋面、電纜和梁等。其中，80-90%的碳纖維復合材料用于結構加固和老化基礎設施的修復。隨著20世紀80年代經濟的繁榮，大規模的建設項目開始實施，現在這些建筑物的使用壽命已超過40年。

為了延長這些結構的安全使用，使用碳纖維復合材料已被證明對于老化建筑物、橋梁、管道等的結構改造和修復非常有效。各種加固程序，例如CFRP片材的外部粘合、復合材料的近表面安裝、添加復合材料條或筋已被應用于加固混凝土結構。CFRP 復合材料作為大跨度斜拉橋的斜拉索也表現出明顯的優勢，因為它們在索內僅受拉最有效。

圖15. 2004年至2025年全球建筑領域的碳纖維需求。

 

其他

除了上述重要的碳纖維應用之外，模塑和復合材料、碳/碳（C/C）復合材料、電子產品也使用碳纖維，但大多是非連續形式。軌道交通和造船也是CFRP復合材料的大市場，迫切需要低成本的碳纖維材料和技術。對于模塑和復合材料應用，使用短纖維或長纖維增強熱塑性塑料、SMC 和塊狀模塑料 (BMC)，并且由于從 CFRP 廢料中回收碳纖維的供應，這些材料將得到擴展。為了與成熟且廉價的玻璃纖維同行競爭，需要開發適合碳纖維的新技術，以利用碳纖維復合材料的獨特優勢。

C/C 復合材料在極端工作條件下提供可靠的性能，其主要應用是飛機制動器、航天器使用（例如火箭發動機噴嘴喉部和出口錐體、鼻尖/前緣和熱保護系統）、隔熱罩、熔爐固定裝置、加熱元件、負載板等。由于碳纖維復合材料具有抗靜電和電磁干擾屏蔽性能，短碳纖維復合材料已廣泛應用于打印機、數碼相機、數據傳輸電纜等電子產品中。此外，碳纖維還用于筆記本電腦外殼和機器人部件的輕量化應用以及電子封裝中的熱管理。

新型碳纖維復合材料的發展意義

大絲束碳纖維

最近，大絲束PAN纖維已被用于取代航空航天前體PAN纖維，以生產低成本碳纖維，這是風力渦輪機葉片、汽車和鐵路運輸應用迫切需要的。用于碳纖維生產的大絲束PAN纖維（160–450k單絲）與傳統PAN前體纖維（3–12k單絲）的差異在于化學成分、共聚單體的類型和數量、橫截面尺寸、線密度和抗拉強度。用于紡織品的大絲束PAN纖維由丙烯腈單元（>85%）、中性共聚單體（如丙烯酸甲酯、乙酸乙烯酯和甲基丙烯酸甲酯）以及離子型和酸性共聚單體，如甲基烯丙基磺酸鈉、對苯乙烯磺酸鈉和衣康酸）組成。傳統的PAN前體纖維具有更高的丙烯腈單元（>90%）以改善性能。如圖16所示，使用大絲束PAN纖維生產碳纖維估計可降低39%的成本。

然而，由于大絲束PAN纖維的純度較低，在氧化之前或之后已經應用了機械和輻射處理方法，以使這些纖維具有更好的熱性能，適合碳纖維生產，并具有改進的機械性能。

圖16. 大束聚丙烯腈基碳纖維生產工藝及成本降低。

在90°C的熱水浴中，將大絲束PAN纖維機械拉伸至200–400%，更高的分子取向和更高的結晶度促進了變形過程，使拉伸強度從0.8 GPa顯著提高到1.7 GPa。Yoo等人在熱穩定之前對大絲束碳纖維進行電子束輻照。研究發現，處理后可以產生單絲碳纖維，僅通過使用穩定劑就可以停止表面融合。這歸因于輻照產生的自由基在大絲束PAN纖維表面形成交聯，從而阻止融合。與傳統PAN纖維相比，穩定時間也減少了64%。此外，在沒有光引發劑的情況下，紫外線照射也應用于大絲束紡織級PAN纖維，在75°C下短時間照射20分鐘會產生自由基，加速穩定并縮短總加工時間。隨著溫度的升高，進一步的逐步輻照和隨后的熱處理產生了抗拉強度為2.43±0.4GPa和楊氏模量為195.0±8.6GPa的碳纖維。

三菱Rayon開發了高性能大絲束，以支持生產質量與常規絲束碳纖維相當的大型復合材料部件。自2011年Otake生產中心成立以來，他們的大型絲束碳纖維已用于飛機地板、風力渦輪機葉片和汽車。盡管大多數大型絲束碳纖維都被指定用于風能和汽車行業，但它們的需求正在發生變化，尤其是由于新飛機不僅要減輕重量，還要降低成本。鋪展以達到航空工業碳纖維的面積重量被確定為關鍵步驟，其總體目標是重新排列長絲，使粗紗比線軸上的粗紗更寬。主動、被動或兩種方法的組合已被用于鋪展纖維束。例如，通過在狹窄間隙中使用氣流或將超聲波或振動轉移到碳纖維絲中，將能量應用于主動方法。還采用了機械張力或在具有各種幾何形狀的幾何引導元件（如撐桿或桿）上的恒定運動。

作為基體的熱塑性塑料

由于熱塑性塑料的快速加工和可回收性，纖維增強熱塑性復合材料越來越多地用于航空航天、汽車、建筑和化工行業。2015年，全球熱塑性塑料消費量約為3.22億噸，其中700萬至900萬噸用于復合材料。熱塑性塑料可分為商品塑料（聚丙烯、聚乙烯等）和工程塑料（聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚酰胺等）。通過簡單地熔化熱塑性材料及其纖維增強復合材料，可以將制造的部件改造成新產品，與熱固性聚合物及其纖維增強復合材料相比，這是一個明顯的優勢。

由于碳纖維和熱塑性基體之間的界面粘附性較差，已經應用了不同的表面處理，如化學、等離子體、電化學方法來引入表面官能團并改善界面結合。通過注射成型、壓縮成型、擠出制造工藝等，碳纖維增強熱塑性復合材料已被制成各種具有高抗沖擊性、可修復性和可回收性的輕質部件。碳纖維增強熱塑性復合材料存在一定的局限性，例如單向CFRP的低拉伸應變和殘余溶劑對最終性能的負面影響?；旌媳?、角層和波紋層夾層結構已被用于擴展拉伸失效應變。更高的加工溫度和更長的制造時間是完全去除殘留溶劑的有效方法。

最近，增材制造熔融絲制造技術已成功用于制備連續碳纖維增強熱塑性基體復合材料。如圖17所示，有兩種主要的制造連續纖維增強熱塑性復合材料的方法。一種方法是從不同的噴嘴分別擠出碳纖維和熱塑性纖維，并生成層壓型零件（圖17a），商用3D打印機（如Markforge®Mark Two）使用該零件。另一種方法是從同一噴嘴整體擠出增強纖維和熱塑性塑料（圖17b）。后一種方法允許打印在所有層構建復合部件的復合材料絞線。圖17c顯示擠壓作用促進熔融聚合物對碳纖維的浸漬。盡管與預浸復合材料相比，由于纖維體積分數較低和界面附著力較弱，印刷的復合材料表現出較低的機械性能，但連續纖維增強熱塑性復合材料的增材制造補充了現有的復合材料制造技術，并使能通過熔融沉積建模進行復雜的部件設計。

圖17. 連續纖維增強熱塑性復合材料熔絲的制備。a)分別擠壓纖維和熱塑性塑料；b)將纖維和熱塑性塑料整體擠出；c)在增材制造過程中通過纖維熱塑性浸漬。

制造方法

為了降低制造成本、提高零件質量并克服高壓釜技術造成的尺寸限制，航空航天和汽車等其他行業都在開發自動干纖維放置后的高壓釜外（OOA）工藝，如液體成型技術（樹脂轉移成型、真空輔助樹脂轉移成型和樹脂注入），鐵路運輸和壓力容器。自動纖維放置（AFP）工藝還使用浸漬的纖維絲束或帶（熱固性或熱塑性預浸料）以自動方式放置在工具或心軸上，以構建復合材料疊層或預成型件。與手工鋪放工藝相比，自動鋪放工藝提供了優越的鋪放精度、更高的工作效率和均勻性，以及零件質量的可靠性。包括纖維和樹脂系統在內的材料已被開發為與OOA工藝兼容。較低的粘度、延長的凝膠時間、較高的韌性和玻璃化轉變溫度等是樹脂開發的主要重點，引入熱塑性粘合劑或層間增韌面紗是提高預成型件穩定性和零件韌性的主要步驟。

AFP工藝可被視為一種制備高性能連續纖維增強聚合物復合材料的增材制造方法。由于其高精度和更快的沉積速度，該技術在制造先進的高性能復合材料部件方面廣受歡迎，例如，92%的A350機身和翼梁都是通過應用AFP工藝制造的。熱供應對于確保膠帶和基材之間或膠帶之間的附著力至關重要。對于碳/環氧預浸料的沉積，通常需要20–70°C的溫度；對于碳/熱塑性膠帶，需要更高的溫度，例如，聚丙烯、聚酰胺等低熔點熱塑性塑料需要130–200°C，聚醚醚酮等高熔點熱塑塑料需要280–350°C。圖18顯示了配備有激光光學單元的最先進的AFP機器。

圖18. a)激光輔助自動光纖放置(AFP)機頭與安裝的激光光學單元。b)采用長波紅外熱像儀進行點溫測量。

 

該儀器可以以1000 mm/s的最大速率沉積6.35 mm寬的膠帶。激光的快速響應率（～1ms）可以提供對加熱功率的近距離控制，熱像儀可以實時監測表面溫度并調整功率。

手工疊層導致纖維體積分數低，這是液體模塑復合材料制造工藝不能用于航空初級結構的主要原因。自動干纖維放置克服了這一問題，并通過壓縮實現了更高的纖維體積分數，使機械性能與高壓釜工藝制造的機械性能相當成為可能。用于網狀預成型件的自動干纖維放置和隨后的液體樹脂注入工藝（有/沒有烘箱固化）的結合正在成為OOA制造高質量大型復合材料部件（如機身、機翼蒙皮、船舶船體）的一種經濟方法，這些部件特別需要高的生產速度。研究表明，自動干纖維鋪設可以將纖維體積分數提高9%，并產生相同性能的緊湊層壓板，總厚度減少17-20%，加工成本節省25%。該工藝已用于生產俄羅斯MS-21飛機的機翼結構。自動放置干纖維有一個缺點，即樹脂浸漬的滲透性相對較低。可調節的粘結劑百分比、鋪層方案和簇絨已被認為是提高全厚度滲透性的潛在方法。

復合物回收再利用

隨著碳纖維增強塑料復合材料在大規模工業應用中的快速擴散，到2025年，制造過程中產生的廢物（例如，多達40%的廢料）和報廢部件可能達到每年2萬噸。從原材料到產品，復合材料制造過程中會產生大量廢物，包括干纖維/織物、固化或未固化的預浸料、切斷、試片、未通過認證的產品等。

CFRP生產的平均報廢率約32.4%。根據制造工藝或應用領域的不同，航空高壓釜制造和RTM工藝的傳統制造的報廢率超過50%，體育用品的手工生產的報廢率為4-8%。對于更現代的復合材料制造工藝，模塑和復合工藝的報廢率為30-50%，拉擠工藝為5-10%，纖維纏繞工藝為2-3%。需要指出的是，隨著制造工藝的進一步成熟，生產報廢率將下降。盡管比例很小，但碳纖維增強塑料垃圾的總量是巨大的。目前，這些廢物大多被填埋。隨著立法的日益嚴格和填埋成本的不斷增加，如何在復合材料行業的供應鏈中處理CFRP復合材料廢物成為一個關鍵問題，促使復合材料制造商實施高效、經濟的回收和再利用策略。

熱解是一種可行的碳纖維復合材料回收工業解決方案。在惰性氣體環境中，400–1000°C的熱分解過程消耗約30 MJ/kg的能量，而用于原始碳纖維生產的能量約為704 MJ/kg[119]。具有相對較高機械性能保留率（50-90%）的長碳纖維和烴流都可以從該工藝中回收。全球有幾家公司具有工業熱解回收能力，例如，英國第二代Carbon公司（2萬噸/年）、美國Carbon Conversions公司（2千噸/年）、德國KarboNXT公司（2千噸/年）、日本碳纖維回收工業公司（2萬噸/年）、SGL汽車碳纖維美國工廠（1.5萬噸/年），FUY中國公司（150萬噸/年）和東麗工業公司（1萬噸/年）。處理過的廢料包括制造邊角料、碳纖維自行車車架和車輪、魚竿、球拍、球桿、試樣、壓力容器和拉擠碳板等。

對碳纖維覆蓋物的溶劑解方法進行了大量研究，然而，由于樹脂選擇有限，溶劑解后剩余化學品的處理成本高，很難實現工業規模。美國科羅拉多州瓦特加市專門從事工業規模的溶劑分解，用于回收碳纖維。

目前，有四家公司（Gen 2 Carbon、KarboNXT、Carbon Conversions和FUY）能夠連續供應回收的碳纖維產品，即無紡氈、短切碳纖維和碳纖維粉末。這些回收的碳纖維主要用于增強、提高基體材料的耐磨性、抗靜電性能、導電性和導熱性。循環經濟中，再生碳纖維的應用具有高性價比和低碳排放優勢，特別是在汽車、電子、工程塑料、建筑和建筑行業具有吸引力。然而，有三個主要限制因素阻礙了再生碳纖維的大規模應用。首先，回收纖維中存在許多其他類型的纖維、金屬和無機粉末，將它們與碳纖維分離的成本非常高。其次，由于再生碳纖維的非連續、松散和干燥形式，它們不能用于傳統的復合材料制造工藝，需要新技術和重新發明才能充分利用這些產品。最后是重復使用的產品缺乏標準和耐用性，限制了其廣泛使用。

其他

碳纖維不一定是低成本應用的首選纖維。當強度比剛度重要得多時，玻璃纖維提供了經濟的替代品。然而，對于需要剛度的應用，碳纖維提供了最高的價值。在需要高強度或極限應變的情況下，PAN碳纖維是優選的。商業瀝青碳纖維優選用于具有極端剛度或導熱性要求的應用，在這些應用中可以承受較低的極限應變。

低成本瀝青碳纖維（正在開發中）可能會用于尋求每美元硬度的應用，并且可以容忍低極限應變。低成本碳纖維的增長呈上升趨勢，影響了全球不同部門碳纖維的使用。大眾市場需要具有大規模和穩定價格的低成本碳纖維，其產品形式可用于低廢物復合材料制造過程。在大眾市場中，（a）材料占總成本的很大一部分，因此需要低而穩定的材料定價；（b）需要具有多個來源的穩健、規模化的供應鏈來管理風險；（c）必須在整個供應鏈中最大限度地減少廢料、消耗品和浪費。

對于大眾市場，材料供應商必須提供低成本、低底價和穩定、高度可預測的定價。他們必須擴大規模，以確保供應不會中斷和/或停工，這可能會花費數百萬美元。在低變化系數和/或極低缺陷率方面的質量是期望的，性能始終超過平均性能。

產品形式，即連續與不連續，直接影響碳纖維的性能和成本。連續碳纖維在強度主導的應用和/或方向主導的負載情況下提供最大性能。它們通常需要具有相對較低生產率和較高廢品率的制造工藝。不連續碳纖維經常用于許多大眾市場青睞的高速率、低廢料的復合和成型工藝。在具有廣泛載荷情況或多向載荷的剛度占主導地位的應用中，它們通常滿足性能要求。

結論與展望

這篇綜述涵蓋了碳纖維和碳纖維復合材料的發展歷史、當前全球CFRP的消費、CFRP未來發展和應用的趨勢，以及實現這一進步的新材料和制造技術。2010年代是碳纖維增強塑料應用從航空航天向非航空航天工業用途急劇擴展的代名詞，其特點是體積大、成本低的應用，包括風能、汽車、鐵路運輸和民用基礎設施。盡管新冠肺炎大流行，CFRP復合材料使用的總體增長是穩定的。

航空航天部門受到疫情的嚴重影響，尤其是商用飛機部門，該部門至少需要3年時間才能在2019年恢復消費。由于碳纖維在飛機中廣泛應用的巨大潛力，東麗和赫克斯塞爾在疫情前都在美國進行了大量投資。2030年，風力渦輪機行業從3萬噸快速增長到估計的19萬至20萬噸，這表明低成本碳纖維的研發有著巨大的機遇。到2030年，壓力容器中的碳纖維需求將達到18萬噸，相當于2030年全球300萬至400萬輛燃料電池汽車。

壓力容器在汽車中的應用促使壓力容器中的儲氫成本降低，這將使碳纖維成本降低12.6美元/公斤。汽車和鐵路運輸將受益于低成本碳纖維生產和低成本復合材料制造技術的創新，2030年碳纖維消費量將達到9–10萬噸。碳纖維在功能性復合材料中的應用具有巨大的潛力，例如，作為熔爐固定和加熱元件的C/C復合材料或用于燃料電池和電池的碳纖維。到2030年，它們的消費量將達到5萬至6萬噸。

大絲束PAN纖維（160-450k單絲）已被用于取代航空航天前體PAN纖維，以生產低成本碳纖維，這是風力渦輪機葉片、汽車和鐵路運輸應用迫切需要的。由于熱塑性塑料的快速加工和可回收性，碳纖維增強熱塑性基體復合材料在這些行業中的應用越來越多。增材制造（熔融絲制造技術）已成功用于制備連續碳纖維增強熱塑性基體復合材料，這補充了現有的復合材料制造技術，并通過熔融沉積建模實現了部件的復雜設計。

航空航天和汽車、鐵路運輸和壓力容器等其他行業正在開發自動干纖維鋪設后的高壓釜外工藝，如液體成型技術（樹脂轉移成型、真空輔助樹脂轉移成型和樹脂注入），旨在降低制造成本，提高零件質量，以及克服由高壓釜技術引起的尺寸限制。熱解是碳纖維增強塑料復合材料回收的唯一可行的工業解決方案，長碳纖維具有相對較高的機械性能保留率（50-90%）和回收的烴流。盡管目前的限制因素阻礙了大規模應用，但再生碳纖維在循環經濟中具有高性價比和低碳排放優勢，因此具有吸引力。

原文

Past, present and future prospective of global carbon fibre composite developments and applicationsJin Zhang*, Gang Lin, Uday Vaidy, Hao Wang **Composites Part B 250 (2023) 110463

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110463