《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(huán)利用技術等，介紹了復合材料工程化技術研發(fā)和復合材料輕量化汽車車身制造技術等方面的系統(tǒng)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(xiàn)了一條由材料到應用、兼顧工藝和裝備、前瞻材料循環(huán)再利用的完整示范技術鏈。

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《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(fā)與促進各自專業(yè)知識的學習和技術的研發(fā)。

目錄
序言
前言
第1章 聚丙烯睛基碳纖維制備與表征 1
1.1 概述 1
1.2 聚丙烯睛原絲 5
1.2.1 聚合 6
1.2.2 紡絲 0
1.3 熱處理 20
1.3.1 預氧化 21
1.3.2 炭化 26
1.4 表面處理與政性 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
1.5.1 PAN 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陸 52
參考文獻 54
第2章 礁纖維增強樹脂基復合材料的循環(huán)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 回收碳纖維增強熱回性樹脂基復合材料制備技術 96
2.4 碳纖維復合材料循環(huán)利用商業(yè)化過程中面臨的困難及挑戰(zhàn) 101
參考文獻 102
第3章 快速液態(tài)模盟成型用熱塑性基體材料技術 110
3.1 概述 110
3.1.1 被態(tài)模塑成型基本原理和特點 110
3.1.2 液態(tài)模塑成型用熱塑性樹脂基體材料特性 112
3.2 己內酷膠陰離子原位開環(huán)聚合成型技術 112
3.2.1 己內酷臘開環(huán)聚合過程中的流變性能 113
3.2.2 聚合工藝參數(shù)對APA6 樹脂基體性能的影響 115
3.2.3 聚合工藝參數(shù)對APA6 樹脂基復合材料結構和性酶的影響 119
3.2.4 GF/APA6 復合材料樹脂基體結晶動力學研究 129
3.3 環(huán)狀對苯二甲酸I二醇醋原位開環(huán)聚合成型技術 136
3.3.1 αr 樹脂開環(huán)聚合過程中的流變性能 139
3.3.2 聚舍工藝參數(shù)對C町樹脂基體性能的影響 140
3.3.3 聚合工藝參數(shù)對pC:町樹脂基復合材料結構和性能的影響 147
3.3.4 CBTk己內醋共聚醋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
4.1.1 VAT 技術的基本原理 170
4.1.2 VAT 技術的發(fā)展現(xiàn)狀 171
4.2 VAT 技術制備纖維預成型體 73
4.2.1 VAT 技術用基材的優(yōu)選 73
4.2.2 纖維軌跡規(guī)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(shù)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 技術的縫舍復合材料層合板的制備 206
4.5.2 縫合對復合材料商內力學性能的影響 207
4.5.3 縫舍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 快速樹脂傳遞模盟成型技術 226
5.1 概述 226
5.2 注肢設備 228
5.2.1 設備選型因素 228
5.2.2 RTM 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
5.3.1 RTM 模具設計前注意事項 231
5.3.2 RTM 模具設計的一般步驟及要求 232
5.3.3 RTM 模具設計實例 238
5.4 注膠工藝設計與優(yōu)化 244
5.4.1 纖維預成型技術 244
5.4.2 環(huán)氧樹脂體系的選擇 248
5.4.3 樹脂化學流變行為的影響 248
5.5 RTM 工藝質量與穩(wěn)定性控制 260
5.5.1 RTM 工藝常見缺陷的形成及預防 260
5.5.2 RTM 工藝穩(wěn)定性控制 262
5.5.3 RTM 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 熱塑性預寢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費制備的工藝優(yōu)化 275
6.4 熱塑性復合材料層合板的連續(xù)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(xù)化熱壓成型工藝參數(shù)優(yōu)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CFjPPS 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CFjPPS 復合材料副保險杠的尺寸精度測量 308
6.6.2 熱塑性CFjPPS 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(chǎn)晶規(guī)模化制備 321
7.1 概述 321
7.2 自動生產(chǎn)線總體規(guī)劃 322
7.2.1 規(guī)�；�生產(chǎn)的工藝規(guī)劃 322
7.2.2 生產(chǎn)線的總體設計 323
7.3 干態(tài)預浸機的研制 324
7.3.1 干態(tài)預漫機的工作原理 324
7.3.2 干態(tài)預浸機的設計 324
7.4 雙鋼帶壓機的研制 332
7.4.1 雙銅帶壓機的工作原理 332
7.4.2 雙鋼帶壓機的設計 332
7.5 快速熱壓成型系統(tǒng)的研制 339
7.5.1 快速熱壓成型生產(chǎn)線規(guī)劃 339
7.5.2 快速熱壓戚型的關鍵設備 342
7.5.3 自動化生產(chǎn)線集成化智能控制 347
7.6 復合材料自動熱壓成型生產(chǎn)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 碳纖維復合材料幸身輕量化應用技術 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 碳纖維復合材料元人機輕量化應用技術 384
8.3.1 復合材料元人機機體設計技術 385
8.3.2 復合材料元人機部件制造技術 390
8.3.3 復合材料無人機部件裝配技術 405
8.3.4 復合材料元人機部仲性能翻試評價技術 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(yī)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(fā)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(zhàn)時期，為了解決戰(zhàn)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(fā)熱潮至今方興未艾。日本大阪工業(yè)研究所的進藤昭男在1959年發(fā)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(fā)明了瀝青基碳纖維，各種碳纖維制備技術相繼涌現(xiàn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)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(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)成本較低和力學性能優(yōu)良等特點，已成為發(fā)展最快、產(chǎn)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(yōu)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(yōu)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(wěn)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(yè)的眾多領域得到廣泛應用。
碳纖維是火箭、衛(wèi)星、導彈、戰(zhàn)斗機和艦船等尖端武器裝備不可或缺的關鍵戰(zhàn)略材料。將碳纖維復合材料應用在戰(zhàn)略導彈的彈體和發(fā)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(xiàn)代交通工具實現(xiàn)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(yī)療、電子、機械等工業(yè)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(chǎn)能力約為11.2萬噸，其中日本東麗公司已將產(chǎn)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(chǎn)能的持續(xù)擴張，不僅是為了應對航空、國防和體育休閑用品等傳統(tǒng)應用行業(yè)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(yè)領域的用量將大幅增加。
圖1.1碳纖維需求發(fā)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(chǎn)能力[4]
近年來隨著能源緊張、環(huán)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(jīng)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(jīng)濟性標準：在美銷售的小型汽車和輕型卡車到2017年燃油經(jīng)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(jīng)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(lián)手碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，共同開發(fā)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(lián)合開發(fā)車用高性能碳纖維復合材料產(chǎn)品。德國戴姆勒公司和日本東麗公司合資建廠生產(chǎn)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(xié)議，聯(lián)合開發(fā)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(chǎn)企業(yè)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(yè)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(yè)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(chǎn)量是制約其在汽車工業(yè)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(fā)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(xiàn)有的PAN基碳纖維工藝技術，以達到降低生產(chǎn)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(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)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(xiàn)有的腈綸工業(yè)基礎上開發(fā)大規(guī)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(chǎn)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(xù)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)在開始把目光轉向具有規(guī)模和成本優(yōu)勢的大絲束碳纖維與工業(yè)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(fā)達國家相比差距明顯，僅能生產(chǎn)相當于或者次于T300級碳纖維的產(chǎn)品[7]。而且，國產(chǎn)碳纖維普遍存在毛絲多、強度低、變異系數(shù)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(chǎn)業(yè)化取得積極進展。在標準模量碳纖維方面，已形成數(shù)家單線產(chǎn)能達到500~1000噸/年的骨干企業(yè)；在中等模量碳纖維方面，已建成年產(chǎn)百噸規(guī)模生產(chǎn)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(chǎn)單位為牽引、科研院所為技術研發(fā)主體、多種投資主體的產(chǎn)業(yè)化基地構成的國產(chǎn)高性能碳纖維研發(fā)、生產(chǎn)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(tǒng)工程，需要高度重視集成創(chuàng)新和工程化技術的突破。工程化是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的必經(jīng)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(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，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(fā)重視不夠。碳纖維的生產(chǎn)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(xiàn)從實驗室小試樣品制備到工業(yè)化放大生產(chǎn)的跨越，從而真正實現(xiàn)國產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)業(yè)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(jīng)過三年多的努力，實現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)工藝、裝備和表征檢測技術，為國產(chǎn)高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)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(fā)。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(yōu)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(xù)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(fā)劑，反應后制得均勻黏稠的PAN聚合物溶液，再經(jīng)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(xù)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(xiàn)問題容易處理的特點，成為目前PAN原絲生產(chǎn)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(xù)溶液聚合相比，間歇溶液聚合存在聚合產(chǎn)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(chǎn)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(tài)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(chǎn)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