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【摘 要】介绍了环氧树脂（ EP） /碳纤维（CF）复合材料的特点及其应用；总结了EP /CF复合材料的成型工艺及每种成型工艺的优缺点。指出随着CF制备技术、表面处理技术，以及EP制备技术和固化工艺的发展，采用环保、简便、快捷且价廉的成型工艺生产性价比更高的EP /CF制品是EP /CF复合材料的发展方向。
【关键词】环氧树脂；碳纖维；复合材料；成型工艺；应用
环氧树脂（ EP）/碳纤维（CF）复合材料是CF增强复合材料的一个重要分支。近年来，随着人们对EP/CF复合材料认识的不断深入，其优异的性能不断凸现，促使其用量不断上升。20世纪70年代以前， EP/CF复合材料被视为昂贵的材料，价格约为玻璃纤维（GF）增强复合材料的10倍，只用于军工、宇航等尖端技术行业。20世纪80年代以后， CF工业和EP工业迅速发展， EP/CF复合技术不断进步，加入到EP中的CF比例不断上升，目前CF的体积分数已可达60%以上，使EP/CF复合材料的质量提高而价格下降，拓宽了其应用领域，进一步促进了EP/CF复合材料的发展。
一、CF及其EP复合材料的基本特点
（一）CF的特点和基本成分CF主要是由碳元素组成，其含碳量一般在90%以上。CF具有耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，与一般碳素材料不同的是，其各向异性显著，柔软，可加工成各种织物，沿纤维轴向表现出很高的强度。制备CF的主要原材料有人造丝（粘胶纤维） 、聚丙烯腈（ PAN）纤维和沥青等。通常制备高强度、高模量CF多选用PAN为原料。制备CF需经过拉丝、牵伸、稳定、炭化、石墨化5个阶段。
（二）EP基体的作用
EP具有优良的加工性能和力学性能，其固化收缩率低，粘结性能优异。复合材料中EP的主要作用是把CF粘在一起，分配CF间的载荷，保护CF不受环境影响。
（三）EP/CF复合材料的特性
EP /CF复合材料的特性主要取决于CF、EP及EP与CF之间的粘结特性。EP /CF复合材料具有优异的性能，与钢相比， EP /CF复合材料的比强度为钢的4. 8～7. 2倍，比模量为钢的3. 1～4. 2倍，疲劳强度约为钢的2. 5倍、铝的3. 3倍，而且高温性能好，工作温度达400℃时其强度与模量基本保持不变。此外还具有密度和线膨胀系数小、耐腐蚀、抗蠕变、整体性好、抗分层、抗冲击等，在现有结构材料中，其比强度、比模量综合指标最高。在加工成型过程中EP /CF复合材料具有易大面积整体成型、成型稳定等独特的优点。
二、EP/CF复合材料的成型工艺
（一）手糊成型
手糊成型是依次在模具型腔表面涂布或铺迭脱模剂、胶衣、粘度适中的EP （胶衣凝胶后涂覆）和CF，手持辊子或刷子使EP浸渍CF，并驱除气泡，压实基层。铺层操作反复多次，直到达到制品的设计厚度。该工艺的主要优点是可室温成型，设备投资少，模具折旧费低；可制造大型制品。主要缺点是属于劳动密集型生产，制品质量由工人技术熟练程度决定；手糊用树脂分子量低，通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。
（二）树脂传递成型
将CF置于上下模之间，合模并将模具夹紧，在压力条件下注射EP， EP固化后打开模具，取下制品。必须保证EP在凝胶前充满型腔，压力促使EP快速传递到模具内并浸渍CF。该工艺为低压成型工艺， EP注塑压力为0. 4～0. 5MPa，当制造高CF含量（体积分数超过50% ）的制品时压力甚至可达0. 7MPa。有时可预先将CF在一个模具内预成型（带粘结剂） ，再在第二个模具内注射成型。为了提高EP浸渍CF的能力，可选择真空辅助注射[ 7 ] 。当EP一旦将CF浸透，要将EP注入口封闭，以使树脂固化。注射与固化可在室温或加热条件下进行。模具可以用复合材料与钢材料制作。若采用加热工艺，宜用钢模。该法的主要优点是复合材料中CF含量可较高，未被EP浸润的CF非常少；闭模成型，成型周期较短，生产环境好，生产成本较低；制品可大型化，强度可设计。主要缺点是不易制作较小制品，因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用模具要笨重和复杂。
（三）真空袋法成型
此法是手糊法与喷射法的延伸。将手糊或喷射好的积层在EP的A阶段与模具在一起，在积层上覆以真空袋，周边
密封，然后用真空泵抽真空，使积层受到不大于101 kPa的压力而被压实、成型。该法的主要优点是采用普通湿法铺层技术，通常可获得高CF含量的复合材料； EP 可较好地浸渍CF。主要缺点是额外的工艺过程增加了劳动力和成本，并且要求操作人员有较高的技术水平；生产效率不高。
（四）树脂膜熔浸成型
将CF与EP片交替铺放在模具内。用真空袋包覆铺层，使用真空泵抽真空，将空气抽出。然后加热使EP熔化并浸渍CF，然后经过适当的时间使EP固化。该法的主要优点是复合材料的空隙率低，可精确获得高的CF含量；铺层清洁，有利于健康和安全，并且生产成本低。主要缺点是目前仅用于宇航工业，还未获得大规模的推广；模具要求能经受
EP膜片的工艺温度。
（五）预浸料成型
预先在加热、加压或使用溶剂的条件下，用EP预浸渍CF。预浸料在环境温度下贮存一段时间后仍能保质使用，当要延长保质期时须在冷冻条件下贮存材料。树脂通常在环境温度下呈临界固态，故触摸预浸料时有轻微的粘附感。预浸料用手工或机械铺于模具表面，通过真空袋抽真空，放入热压罐中成型。通常加热使树脂重新流动，最终固化。该法的主要优点是可精确地调整EP /固化剂配比和EP在CF中的含量，得到高含量CF；由于制造过程采用可渗透的高粘度树脂，树脂化学性能、力学性能和热性能是最适宜的。主要缺点是热压罐固化复合材料制品的耗费大、作业慢、制品尺寸受限制；模具需能承受作业温度并且生产成本较高。 （六）低温固化预浸料成型
该工艺完全按预浸料方法制备， EP的化学性质使其得以在60～100℃固化。在60℃时，材料可操作保质期可小于1个星期也可延长到几个月。树脂体系的流动截面适于采用真空袋压力，避免采用热压罐。该法除具有传统预浸料成型的优点外，因为仅需真空袋压力，固化温度低，模具材料较便宜且能耗低，采用简单的热空气循环加热室便可容易地制造大型结构。主要缺点是复合材料成本仍高于预浸织物；模具需能经受高于环境温度的温度；因需高于环境温度固化故仍有能耗。
（七）拉挤成型
该工艺是指将浸渍了EP的连续CF经加热模拉出形成预定截面型材的过程。程序是： ①使CF增强材料浸渍树脂； ②CF预成型后进入加热模具内，进一步浸渍、基体树脂固化、复合材料定型； ③将型材按要求长度切断。该工艺中， EP浸渍CF有两种方式：其一为胶槽浸渍法。即将增强材料通过树脂槽浸胶，然后进入模具，通常采用此法；其二为注入浸渍法。GF增强材料进入模具后，被注入模具内的树脂所浸渍。该法的主要优点是制造速度快，拉挤成型材料的利用率为95% （手糊成型材料的利用率仅为75% ） ；树脂含量可精确控制；由于纤维呈纵向，且体积分数可较高（40% ～80% ） ，因而型材轴向结构特性可非常好。主要缺点是模具费用较高；一般限于生产恒定横截面的制品。
参考文献：
[1]孙酣经.化工新型材料，1998（4）：42- 44.
[2]贺福，等.碳纤维及其复合材料[M].北京：科学出版社，1995：1- 32.
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[6]MurphyM J，etal.Composites Part A：App lied Science andManu2facturing，2000，31（4）：361-371.
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[8]KangM K，et al.Composites PartA：App lied Science andManufac2turing，2001，32（11）：1553-1560.
[9]李斌太，等.航空材料学报，2006，26（3）：222-225.
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[11]张彦中.纤维复合材料，1997（1）：26-30.
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[14]趙稼祥.高科技纤维与应用，2000，25（1）：33-38.
[15]黄克均，等.工程塑料应用，1997，25（3）：54-57.
[16]Carlsson A，et al.Composites Part A：App lied Science and Manu2facturing，1998，29（5-6）：585-593.
[17]Creighton CJ，et al.Composites Science and Technology，2000，60（4）：525-533.
[18]朱波，等.山东工业大学学报，2002，32（1）：10-12.
[19]陆峰，等.材料工程，2003（4）：39-43.
[20]周亚明，等.工程塑料应用，1998，26（2）：18-20.
[21]刘建军，等.工程塑料应用，2002，30（5）：32-34.
[22]李志君，等.工程塑料应用，1999，27（5）：16-18.
[23]靳武刚.工程塑料应用，1999，27（11）：20-21.
[24]祝伟，等.苏州城建环保学院学报，2001，14（1）：85-87.
[25]陈立军，等.合成树脂及塑料，2007，24（2）：78-81.
作者简介：
曹山，出生年：1989，性别：男，工作单位：西华大学，职称：学生，研究方向：汽车车身。
【关键词】环氧树脂；碳纖维；复合材料；成型工艺；应用
环氧树脂（ EP）/碳纤维（CF）复合材料是CF增强复合材料的一个重要分支。近年来，随着人们对EP/CF复合材料认识的不断深入，其优异的性能不断凸现，促使其用量不断上升。20世纪70年代以前， EP/CF复合材料被视为昂贵的材料，价格约为玻璃纤维（GF）增强复合材料的10倍，只用于军工、宇航等尖端技术行业。20世纪80年代以后， CF工业和EP工业迅速发展， EP/CF复合技术不断进步，加入到EP中的CF比例不断上升，目前CF的体积分数已可达60%以上，使EP/CF复合材料的质量提高而价格下降，拓宽了其应用领域，进一步促进了EP/CF复合材料的发展。
一、CF及其EP复合材料的基本特点
（一）CF的特点和基本成分CF主要是由碳元素组成，其含碳量一般在90%以上。CF具有耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，与一般碳素材料不同的是，其各向异性显著，柔软，可加工成各种织物，沿纤维轴向表现出很高的强度。制备CF的主要原材料有人造丝（粘胶纤维） 、聚丙烯腈（ PAN）纤维和沥青等。通常制备高强度、高模量CF多选用PAN为原料。制备CF需经过拉丝、牵伸、稳定、炭化、石墨化5个阶段。
（二）EP基体的作用
EP具有优良的加工性能和力学性能，其固化收缩率低，粘结性能优异。复合材料中EP的主要作用是把CF粘在一起，分配CF间的载荷，保护CF不受环境影响。
（三）EP/CF复合材料的特性
EP /CF复合材料的特性主要取决于CF、EP及EP与CF之间的粘结特性。EP /CF复合材料具有优异的性能，与钢相比， EP /CF复合材料的比强度为钢的4. 8～7. 2倍，比模量为钢的3. 1～4. 2倍，疲劳强度约为钢的2. 5倍、铝的3. 3倍，而且高温性能好，工作温度达400℃时其强度与模量基本保持不变。此外还具有密度和线膨胀系数小、耐腐蚀、抗蠕变、整体性好、抗分层、抗冲击等，在现有结构材料中，其比强度、比模量综合指标最高。在加工成型过程中EP /CF复合材料具有易大面积整体成型、成型稳定等独特的优点。
二、EP/CF复合材料的成型工艺
（一）手糊成型
手糊成型是依次在模具型腔表面涂布或铺迭脱模剂、胶衣、粘度适中的EP （胶衣凝胶后涂覆）和CF，手持辊子或刷子使EP浸渍CF，并驱除气泡，压实基层。铺层操作反复多次，直到达到制品的设计厚度。该工艺的主要优点是可室温成型，设备投资少，模具折旧费低；可制造大型制品。主要缺点是属于劳动密集型生产，制品质量由工人技术熟练程度决定；手糊用树脂分子量低，通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。
（二）树脂传递成型
将CF置于上下模之间，合模并将模具夹紧，在压力条件下注射EP， EP固化后打开模具，取下制品。必须保证EP在凝胶前充满型腔，压力促使EP快速传递到模具内并浸渍CF。该工艺为低压成型工艺， EP注塑压力为0. 4～0. 5MPa，当制造高CF含量（体积分数超过50% ）的制品时压力甚至可达0. 7MPa。有时可预先将CF在一个模具内预成型（带粘结剂） ，再在第二个模具内注射成型。为了提高EP浸渍CF的能力，可选择真空辅助注射[ 7 ] 。当EP一旦将CF浸透，要将EP注入口封闭，以使树脂固化。注射与固化可在室温或加热条件下进行。模具可以用复合材料与钢材料制作。若采用加热工艺，宜用钢模。该法的主要优点是复合材料中CF含量可较高，未被EP浸润的CF非常少；闭模成型，成型周期较短，生产环境好，生产成本较低；制品可大型化，强度可设计。主要缺点是不易制作较小制品，因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用模具要笨重和复杂。
（三）真空袋法成型
此法是手糊法与喷射法的延伸。将手糊或喷射好的积层在EP的A阶段与模具在一起，在积层上覆以真空袋，周边
密封，然后用真空泵抽真空，使积层受到不大于101 kPa的压力而被压实、成型。该法的主要优点是采用普通湿法铺层技术，通常可获得高CF含量的复合材料； EP 可较好地浸渍CF。主要缺点是额外的工艺过程增加了劳动力和成本，并且要求操作人员有较高的技术水平；生产效率不高。
（四）树脂膜熔浸成型
将CF与EP片交替铺放在模具内。用真空袋包覆铺层，使用真空泵抽真空，将空气抽出。然后加热使EP熔化并浸渍CF，然后经过适当的时间使EP固化。该法的主要优点是复合材料的空隙率低，可精确获得高的CF含量；铺层清洁，有利于健康和安全，并且生产成本低。主要缺点是目前仅用于宇航工业，还未获得大规模的推广；模具要求能经受
EP膜片的工艺温度。
（五）预浸料成型
预先在加热、加压或使用溶剂的条件下，用EP预浸渍CF。预浸料在环境温度下贮存一段时间后仍能保质使用，当要延长保质期时须在冷冻条件下贮存材料。树脂通常在环境温度下呈临界固态，故触摸预浸料时有轻微的粘附感。预浸料用手工或机械铺于模具表面，通过真空袋抽真空，放入热压罐中成型。通常加热使树脂重新流动，最终固化。该法的主要优点是可精确地调整EP /固化剂配比和EP在CF中的含量，得到高含量CF；由于制造过程采用可渗透的高粘度树脂，树脂化学性能、力学性能和热性能是最适宜的。主要缺点是热压罐固化复合材料制品的耗费大、作业慢、制品尺寸受限制；模具需能承受作业温度并且生产成本较高。 （六）低温固化预浸料成型
该工艺完全按预浸料方法制备， EP的化学性质使其得以在60～100℃固化。在60℃时，材料可操作保质期可小于1个星期也可延长到几个月。树脂体系的流动截面适于采用真空袋压力，避免采用热压罐。该法除具有传统预浸料成型的优点外，因为仅需真空袋压力，固化温度低，模具材料较便宜且能耗低，采用简单的热空气循环加热室便可容易地制造大型结构。主要缺点是复合材料成本仍高于预浸织物；模具需能经受高于环境温度的温度；因需高于环境温度固化故仍有能耗。
（七）拉挤成型
该工艺是指将浸渍了EP的连续CF经加热模拉出形成预定截面型材的过程。程序是： ①使CF增强材料浸渍树脂； ②CF预成型后进入加热模具内，进一步浸渍、基体树脂固化、复合材料定型； ③将型材按要求长度切断。该工艺中， EP浸渍CF有两种方式：其一为胶槽浸渍法。即将增强材料通过树脂槽浸胶，然后进入模具，通常采用此法；其二为注入浸渍法。GF增强材料进入模具后，被注入模具内的树脂所浸渍。该法的主要优点是制造速度快，拉挤成型材料的利用率为95% （手糊成型材料的利用率仅为75% ） ；树脂含量可精确控制；由于纤维呈纵向，且体积分数可较高（40% ～80% ） ，因而型材轴向结构特性可非常好。主要缺点是模具费用较高；一般限于生产恒定横截面的制品。
参考文献：
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[3]张健康，等.工程塑料应用，2002，30（6）：12-15.
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[10]Raju J，et al.Composite Structures，1999，47（1-4）：471-476.
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[14]趙稼祥.高科技纤维与应用，2000，25（1）：33-38.
[15]黄克均，等.工程塑料应用，1997，25（3）：54-57.
[16]Carlsson A，et al.Composites Part A：App lied Science and Manu2facturing，1998，29（5-6）：585-593.
[17]Creighton CJ，et al.Composites Science and Technology，2000，60（4）：525-533.
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[20]周亚明，等.工程塑料应用，1998，26（2）：18-20.
[21]刘建军，等.工程塑料应用，2002，30（5）：32-34.
[22]李志君，等.工程塑料应用，1999，27（5）：16-18.
[23]靳武刚.工程塑料应用，1999，27（11）：20-21.
[24]祝伟，等.苏州城建环保学院学报，2001，14（1）：85-87.
[25]陈立军，等.合成树脂及塑料，2007，24（2）：78-81.
作者简介：
曹山，出生年：1989，性别：男，工作单位：西华大学，职称：学生，研究方向：汽车车身。