《碳纖維復合材料輕量化技術》針對碳纖維復合材料在汽車等領域的輕量化應用，圍繞碳纖維復合材料的基礎材料技術、復合材料成型制造技術、裝備制造技術、復合材料輕量化應用技術和循環利用技術等，介紹了復合材料工程化技術研發和復合材料輕量化汽車車身制造技術等方面的系統工作。《碳纖維復合材料輕量化技術》將材料科學、材料制造技術、裝備制造技術和材料應用技術相結合，向讀者呈現了一條由材料到應用、兼顧工藝和裝備、前瞻材料循環再利用的完整示范技術鏈。
《碳纖維復合材料輕量化技術》可以為碳纖維材料、高分子材料、復合材料、裝備制造和汽車制造等眾多領域的讀者提供廣泛的知識交叉和技術交叉信息，啟發與促進各自專業知識的學習和技術的研發。
"序言
前言
第1章聚丙烯腈基碳纖維制備與表征1
1.1概述1
1.2聚丙烯腈原絲5
1.2.1聚合6
1.2.2紡絲10
1.3熱處理20
1.3.1預氧化21
1.3.2炭化26
1.4表面處理與改性31
1.4.1陽極氧化處理31
1.4.2納米碳材料改性37
1.5表征檢測43
1.5.1PAN分子量及其分布44 "序言
前言
第1章聚丙烯腈基碳纖維制備與表征1
1.1概述1
1.2聚丙烯腈原絲5
1.2.1聚合6
1.2.2紡絲10
1.3熱處理20
1.3.1預氧化21
1.3.2炭化26
1.4表面處理與改性31
1.4.1陽極氧化處理31
1.4.2納米碳材料改性37
1.5表征檢測43
1.5.1PAN分子量及其分布44
1.5.2預氧化纖維皮芯結構47
1.5.3碳纖維及原絲孔洞缺陷52
參考文獻54
第2章碳纖維增強樹脂基復合材料的循環利用59
2.1概述59
2.2碳纖維增強熱固性樹脂復合材料回收技術61
2.2.1廢棄CFRP回收技術難點61
2.2.2物理回收62
2.2.3熱分解63
2.2.4溶劑分解76
2.2.5組合回收工藝及各種回收工藝比較90
2.3回收碳纖維在樹脂基復合材料中的再應用92
2.3.1回收碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料制備技術92
2.3.2回收碳纖維增強熱固性樹脂基復合材料制備技術96
2.4碳纖維復合材料循環利用商業化過程中面臨的困難及挑戰101
參考文獻102
第3章快速液態模塑成型用熱塑性基體材料技術110
3.1概述110
3.1.1液態模塑成型基本原理和特點110
3.1.2液態模塑成型用熱塑性樹脂基體材料特性112
3.2己內酰胺陰離子原位開環聚合成型技術112
3.2.1己內酰胺開環聚合過程中的流變性能113
3.2.2聚合工藝參數對APA6樹脂基體性能的影響115
3.2.3聚合工藝參數對APA6樹脂基復合材料結構和性能的影響119
3.2.4GF/APA6復合材料樹脂基體結晶動力學研究129
3.3環狀對苯二甲酸丁二醇酯原位開環聚合成型技術136
3.3.1CBT樹脂開環聚合過程中的流變性能139
3.3.2聚合工藝參數對CBT樹脂基體性能的影響140
3.3.3聚合工藝參數對pCBT樹脂基復合材料結構和性能的影響147
3.3.4CBT/ε己內酯共聚酯的非等溫結晶動力學研究157
參考文獻166
第4章纖維變角度牽引鋪縫預成型及應用技術170
4.1概述170
4.1.1VAT技術的基本原理170
4.1.2VAT技術的發展現狀171
4.2VAT技術制備纖維預成型體173
4.2.1VAT技術用基材的優選173
4.2.2纖維軌跡規劃177
4.2.3開孔/開窗預成型體制備183
4.3基于VAT技術的復合材料開孔補強技術186
4.3.1基于VAT技術的一體化開孔補強技術186
4.3.2基于VAT技術的螺栓連接補強技術194
4.4基于VAT技術的熱塑性復合材料熱壓制備技術197
4.4.1熱塑性復合材料層合板的制備197
4.4.2成型工藝參數對復合材料層合板結構和性能的影響199
4.4.3熱處理對復合材料層合板結構和性能的影響204
4.5基于VAT技術的復合材料縫合技術206
4.5.1基于VAT技術的縫合復合材料層合板的制備206
4.5.2縫合對復合材料面內力學性能的影響207
4.5.3縫合對復合材料低速沖擊響應和損傷的影響213
4.5.4縫合對復合材料層間斷裂韌性的影響220
參考文獻223
第5章快速樹脂傳遞模塑成型技術226
5.1概述226
5.2注膠設備228
5.2.1設備選型因素228
5.2.2RTM注膠機工作原理及設備228
5.3基于多點注射的快速RTM模具設計技術231
5.3.1RTM模具設計前注意事項231
5.3.2RTM模具設計的一般步驟及要求232
5.3.3RTM模具設計實例238
5.4注膠工藝設計與優化244
5.4.1纖維預成型技術244
5.4.2環氧樹脂體系的選擇248
5.4.3樹脂化學流變行為的影響248
5.5RTM工藝質量與穩定性控制260
5.5.1RTM工藝常見缺陷的形成及預防260
5.5.2RTM工藝穩定性控制262
5.5.3RTM工藝質量控制264
參考文獻266
第6章熱塑性復合材料熱壓成型技術268
6.1概述268
6.2熱壓成型用熱塑性樹脂基體的熱性能和流變特性研究269
6.3熱塑性預浸片材的制備272
6.3.1熱塑性預浸片材的熔融浸漬制備工藝272
6.3.2熱塑性預浸片材熔融浸漬制備的工藝優化275
6.4熱塑性復合材料層合板的連續化熱壓成型制備282
6.4.1熱塑性復合材料的層壓成型技術282
6.4.2連續化熱壓成型工藝參數優化以及對復合材料結構性能的影響285
6.5熱塑性復合材料結構件的快速沖壓成型299
6.5.1熱塑性復合材料制件的快速沖壓成型技術299
6.5.2熱塑性CF/PPS復合材料副保險杠的快速沖壓成型302
6.6熱塑性復合材料結構件的性能表征及評價308
6.6.1熱塑性CF/PPS復合材料副保險杠的尺寸精度測量308
6.6.2熱塑性CF/PPS復合材料副保險杠的碰撞性能測試312
參考文獻318
第7章復合材料產品規模化制備321
7.1概述321
7.2自動生產線總體規劃322
7.2.1規模化生產的工藝規劃322
7.2.2生產線的總體設計323
7.3干態預浸機的研制324
7.3.1干態預浸機的工作原理324
7.3.2干態預浸機的設計324
7.4雙鋼帶壓機的研制332
7.4.1雙鋼帶壓機的工作原理332
7.4.2雙鋼帶壓機的設計332
7.5快速熱壓成型系統的研制339
7.5.1快速熱壓成型生產線規劃339
7.5.2快速熱壓成型的關鍵設備342
7.5.3自動化生產線集成化智能控制347
7.6復合材料自動熱壓成型生產線的應用355
參考文獻356
第8章碳纖維復合材料輕量化應用技術357
8.1概述357
8.2碳纖維復合材料車身輕量化應用技術358
8.2.1復合材料汽車車體設計技術360
8.2.2復合材料汽車車身制造技術362
8.2.3復合材料汽車部件連接裝配技術368
8.2.4碳纖維復合材料電動示范車制造實例369
8.3碳纖維復合材料無人機輕量化應用技術384
8.3.1復合材料無人機機體設計技術385
8.3.2復合材料無人機部件制造技術390
8.3.3復合材料無人機部件裝配技術405
8.3.4復合材料無人機部件性能測試評價技術409
參考文獻411"
第1章聚丙烯腈基碳纖維制備與表征
1.1概述
碳纖維是一種絲狀的碳素材料，具有輕質、高強度、高彈性模量、耐高溫、耐腐蝕、X射線穿透性和生物相容性等特性，廣泛應用于航空、航天、國防、交通、能源、醫療器械以及體育休閑用品等領域[1]。早期的碳纖維可以追溯到1878年英國斯旺和1879年美國發明家愛迪生兩人分別用棉纖維和竹纖維炭化制成電燈泡的燈絲，但真正實用的碳纖維直到20世紀50年代才登上歷史舞臺[2]。當時正處于美蘇爭霸的冷戰時期，為了解決戰略武器的耐高溫和耐燒蝕的問題，美國WrightPatterson空軍基地于1950年研制成功了黏膠基碳纖維。此后，在材料科學領域掀起的碳纖維研究與開發熱潮至今方興未艾。日本大阪工業研究所的進藤昭男在1959年發明了用聚丙烯腈(PAN)纖維制造碳纖維的方法，日本群馬大學大谷杉郎則在1965年發明了瀝青基碳纖維，各種碳纖維制備技術相繼涌現。經過幾十年的發展，形成了PAN、瀝青和黏膠三大碳纖維原料體系。其中，PAN基碳纖維因具有生產工藝簡單、生產成本較低和力學性能優良等特點，已成為發展最快、產量最高、品種最多、應用最廣的一種碳纖維。
碳纖維具有十分優異的力學性能，是先進復合材料最重要的增強體，通過與樹脂、碳、陶瓷、金屬等基體材料復合后可制得性能優異的碳纖維復合材料。碳纖維復合材料以其輕質、高強度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞、可設計性強、結構尺寸穩定性好和可大面積整體成型等特點，已在航空、航天、國防和民用工業的眾多領域得到廣泛應用。
碳纖維是火箭、衛星、導彈、戰斗機和艦船等尖端武器裝備不可或缺的關鍵戰略材料。將碳纖維復合材料應用在戰略導彈的彈體和發動機殼體上，可大大減輕重量，提高導彈的射程和突防能力。碳纖維還是使大型民用飛機、汽車、高速列車等現代交通工具實現輕量化的理想材料。新型民用客機如空客A380和波音787都大量使用碳纖維復合材料，以減輕機體結構重量，從而大幅降低燃油消耗，減少二氧化碳排放。隨著碳纖維制備與應用技術的不斷進步，碳纖維在交通、能源、建筑、醫療、電子、機械等工業領域的應用步伐將不斷加快(圖1.1)。
2012年，全球碳纖維需求量約為4.35萬噸，預計到2020年將達到13萬噸，年均增長率約為15%(圖1.2)。2012年全球碳纖維生產能力約為11.2萬噸，其中日本東麗公司已將產能提高到2.11萬噸/年，保持著世界領先地位(圖1.3)。碳纖維產能的持續擴張，不僅是為了應對航空、國防和體育休閑用品等傳統應用行業需求的增長，更多的是預期碳纖維在汽車、風能、壓力容器等工業領域的用量將大幅增加。
圖1.1碳纖維需求發展趨勢[3]
圖1.2全球碳纖維年需求量[4]2013、2015和2020年為預測值
圖1.32012年碳纖維主要制造商的生產能力[4]
近年來隨著能源緊張、環境污染等問題日益突出，采用碳纖維復合材料的輕量化汽車技術越來越受到人們的關注。以碳纖維增強樹脂基復合材料替代鋼材用于汽車車身結構，可以使整車重量大幅減輕、燃油經濟性顯著提高，同時還有利于提高汽車駕乘人員的安全性和舒適性。2012年，美國政府立法通過了最新的汽車燃油經濟性標準：在美銷售的小型汽車和輕型卡車到2017年燃油經濟性需提高到15.1km/L，到2025年需進一步提高到23.2km/L[5]。而提高汽車燃油經濟性最有效的辦法之一就是采用碳纖維復合材料的輕量化車身技術。
為此，全球大型汽車制造商紛紛聯手碳纖維生產企業，共同開發車用碳纖維復合材料。德國寶馬汽車公司與大眾汽車公司競相增持大絲束碳纖維供應商德國西格里(SGL)公司的股份。美國福特汽車公司與陶氏化學聯合開發車用高性能碳纖維復合材料產品。德國戴姆勒公司和日本東麗公司合資建廠生產碳纖維復合材料。美國通用公司與日本帝人公司簽署合作協議，聯合開發碳纖維復合材料汽車零部件。碳纖維終端用戶與碳纖維生產企業之間的緊密合作，將有利于加快碳纖維復合材料輕量化技術在更多工業領域的推廣和應用[6]。2013年，寶馬汽車公司面向乘用車市場推出售價3.5萬歐元左右的碳纖維復合材料電動轎車BMW i3，開啟了碳纖維在汽車工業領域大量應用的新時代。
但是，碳纖維高昂的價格和有限的產量是制約其在汽車工業領域廣泛應用的瓶頸。為此，美國能源部于2009年啟動汽車輕質材料計劃(Automotive Lightweight Materials Program)，在橡樹嶺國家實驗室(ONRL)建立碳纖維技術中心，專門開展低成本碳纖維研究。ONRL開發的低成本碳纖維目標是：碳纖維的拉伸強度≥250ksi(1.72GPa)，拉伸模量≥25Msi(172GPa)，斷裂伸長率≥1%，銷售價格為11~15美元/kg[5]。ONRL主要試圖從兩方面降低碳纖維的成本：一是探索采用PAN以外的其他原材料用作低成本碳纖維的原絲，包括木質素以及聚烯烴類高分子材料等；二是改進現有的PAN基碳纖維工藝技術，以達到降低生產成本的目的，包括采用紡織品級PAN纖維(即腈綸)，以及化學改性、等離子預氧化、微波輔助等離子炭化技術等。
盡管這些技術在實驗室里都已取得了不錯的結果，但要實現工業化生產還有一定的距離。目前，最看好的是腈綸基低成本碳纖維技術。因為在技術原理和工藝路線上，腈綸基碳纖維與高性能PAN基碳纖維是基本一致的。在現有的腈綸工業基礎上開發大規模、低成本的碳纖維制備技術是一條最為可行的技術路線。這也是ONRL對所有技術方案評估后確定的重點突破方向。但是，由于美國本土已不生產紡織用腈綸，ONRL只能與葡萄牙腈綸制造商Fisipe公司合作。由Fisipe公司提供腈綸，ONRL負責化學改性以及后續預氧化和炭化研究。腈綸基碳纖維同樣得到大絲束碳纖維生產商的青睞。SGL公司和Zoltek公司分別收購了Fisipe公司和墨西哥腈綸制造商Cydsa公司，以擴大其大絲束原絲的生產能力。而日本東麗公司已將Zoltek公司納入麾下，以彌補自身大絲束碳纖維技術的短板。東麗公司過去專注于高性能小絲束碳纖維和航空航天等高端應用，而現在開始把目光轉向具有規模和成本優勢的大絲束碳纖維與工業應用。
國內碳纖維研制工作起步較早，但在過去的很長一段時期里進展緩慢。技術水平與發達國家相比差距明顯，僅能生產相當于或者次于T300級碳纖維的產品[7]。而且，國產碳纖維普遍存在毛絲多、強度低、變異系數大等問題。近幾年來在復合材料應用需求的牽引下，碳纖維工程化技術進步顯著，產業化取得積極進展。在標準模量碳纖維方面，已形成數家單線產能達到500~1000噸/年的骨干企業；在中等模量碳纖維方面，已建成年產百噸規模生產線；高模量碳纖維正在進行工程化技術攻關[6]。目前，國內已基本形成以復合材料研制生產單位為牽引、科研院所為技術研發主體、多種投資主體的產業化基地構成的國產高性能碳纖維研發、生產和應用體系[8]。
碳纖維研制是一項多學科交叉、多技術集成的復雜系統工程，需要高度重視集成創新和工程化技術的突破。工程化是實現產業化的必經之路。國內碳纖維研制工作起步并不晚，但之前一直未能實現工業化生產，其中主要原因之一是國內偏重于基礎理論研究、而對工程化技術開發重視不夠。碳纖維的生產過程涉及很多工程技術問題，如原料純化和回收、大容量聚合、多工位快速紡絲、大通道氧炭化、廢氣處理以及其他相關公用工程。只有突破這些工程化技術，才能成功實現從實驗室小試樣品制備到工業化放大生產的跨越，從而真正實現國產碳纖維的產業化。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所于2008年組建了一支具有較強工程技術背景的碳纖維研究團隊，并自主設計建設了具有工程化雛形的碳纖維及原絲研究平臺。經過三年多的努力，實現了高強中模型碳纖維關鍵制備技術的突破，并在此基礎上建設了百噸級高性能碳纖維及原絲生產線。目前正在積極開展工程化技術攻關研究，以期形成完整的碳纖維生產工藝、裝備和表征檢測技術，為國產高性能碳纖維產業化奠定堅實的技術基礎。
1.2聚丙烯腈原絲
PAN基碳纖維的核心技術之一在于其專用原絲的開發。PAN原絲的質量不僅制約碳纖維性能的提高，還影響其成本控制。一般認為，碳纖維90%的性能和50%的成本歸因于PAN原絲。優質PAN原絲是制備高性能碳纖維的前提和基礎，這已成為碳纖維領域專家的共識[9]。
PAN原絲的制備過程主要包括聚合和紡絲兩大工藝。按照聚合和紡絲工藝的連續性，可以將PAN原絲的制備方法分為一步法和二步法[10]。前者采用均相溶液聚合工藝，流程較短，工序較少，有利于獲得高質量的PAN原絲，主要用來制備高性能PAN基碳纖維。圖1.4為典型的高性能PAN基碳纖維制備工藝流程。圖1.4高性能PAN基碳纖維制備工藝流程
1.2.1聚合
PAN均相溶液聚合一般以二甲基亞砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)、硫氰酸鈉(NaSCN)水溶液或氯化鋅(ZnCl2)水溶液等PAN聚合物的良溶劑作為反應介質，采用偶氮類引發劑，反應后制得均勻黏稠的PAN聚合物溶液，再經脫單和脫泡處理，可直接用于紡絲，即一步法工藝。按照操作方式，PAN均相溶液聚合工藝又可以分為間歇式和連續式兩種，兩者各有利弊[1]。其中，間歇溶液聚合由于其具有較大的靈活性、開車和停車比較簡單、出現問題容易處理的特點，成為目前PAN原絲生產的主流技術。
圖1.5為典型的間歇溶液聚合工藝流程示意圖，主要包括聚合、脫單和脫泡三大工序，流程較短。但是，與連續溶液聚合相比，間歇溶液聚合存在聚合產物分子量分布較寬、調控較難的問題。隨著聚合反應的進行，聚合產物的分子量分布不斷寬化。同時，聚合液的黏度也迅速升高，對傳質傳熱提出了很高的要求。欠佳的傳質傳熱狀態將使分子量分布進一步變寬，并破壞聚合液的均質性，對PAN原絲及碳纖維的性能和質量產生不利影響。
圖1.5間歇溶液聚合工藝流程示意圖1聚合；2脫單；3脫泡
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