摘要

碳纤维复合材料在生产应用中面临技术挑战，其表征技术对精确把握材料特性至关重要。碳纤维存在层间结合力弱、难加工等缺陷，影响性能与安全性。文章介绍了多种内部结构和表面结构表征技术。国内碳纤维企业取得进展，但仍需加强高端产品研发和市场生态建设。碳纤维领域的挑战在于工艺细节，表征技术的发展是提高工艺水平的关键。

正文

本文转载于新浪博客：兵器迷的天空，题目：十年复材织天路，万里长空竞飞鸿，发表时间是2015年6月。随着国内外碳纤维行业的发展，目前碳纤维相关信息与文章当时的信息会有一定的差异。

这又是一个技术性很强的话题，兵器迷啃资料的时候，只觉得乏味、干涩、噎人。 

咋说呢……基本上就是吃墙皮的感觉， 

这位说了，你自己噎着就罢了，现在又来噎我们，真实良心大大的坏了！ 

其实，就是因为专业性太强，文字过于晦涩，国内进展情况未有公开等诸多因素，兵器迷在《原文》中，对这部分技术未做描述。但这类技术的意义其实对于碳纤维行业非常重大。因此，这一次我们就试着介绍一下。嗓子眼儿小的同学，请飘过直接看小结。 

一、碳纤维复材的缺陷与碳纤维表征技术的意义 

《原文》中，对碳纤维复材的优点做了比较多的介绍，其实碳纤维也有很多固有的缺陷，这一次就结合表征技术来谈谈这些问题。 

首先，由于碳纤维复合材料是以层结构为基础的，而其层间的结合力相对薄弱，所以一旦出现分层的情况，就会对其整体性能造成严重破坏。麻烦的是，航空承力级复合材料部件的损伤，大多数发生在维护时的各种碰撞、拆卸过程中。而因此产生的分层缺陷往往出现在复材内部，一开始从外表面是很难发现的。而制件的结构强度却可能因此最大下降接近一半，对安全运营所造成的潜在风险可想而知。 

再有，即使碳纤维原料没问题，加工成碳纤维复合材料时也会遇到难题。因为CFRP是典型的难加工材料。特别是钻削加工时，在钻孔出口处，很容易产生分层、毛刺和撕裂等缺陷，对碳纤维复材的成品质量构成潜在威胁。而孔出口缺陷中，撕裂往往比毛边的尺寸更大。随着钻头的进给速度、进给量、钻头直径和轴向力等因素的增大,撕裂缺陷将变得越发严重。 

最后，用于粘结碳纤维和形成复合材料整体的树脂基体的韧性比较差。即便碳纤维复材本身没有问题，其制件之间的粘合也可能因为树脂基性能下降而导致制件解体。 

上面种种问题，都导致复材制件质量下降，成本上升，使用安全性受到严重挑战。所以在《原文》中谈到碳纤维复材制件不但生产上独具特征，在日常维护、测试、修复的经验、流程与方法，与金属构件相比，都会发生颠覆性改变。为此，人们需要完全不同于金属探伤的专门技术，来探测碳纤维复材的内部和表面结构，从而在原料生产-产品成型-设备运营的材料全生命过程中，精确把握其材料特征和力学性能。因此诞生了碳纤维表征技术，即对碳纤维材料的表面结构表征和内部结构表征进行探测、研究和分析的技术。 

举个例子。上面谈到的复材加工钻削出口工艺难题，一直困扰着复材加工行业，导致产品加工后质量达标率偏低。国内某企业正是通过复材表征技术设备的检测，再结合加工刀具运动的记录数据，综合分析最终发现了一个特点：就是复材加工时，随着钻头转速的增大，将使出口撕裂值变小，产品质量得到提升。结合进给速度增大导致撕裂值变大、钻头转速增大导致撕裂值变小这两个特点，企业经过反复试验，最终将切削速度与进给速度比值控制在3000-4000以下，有效地减小了撕裂值，保证了复材产品加工质量。 

既然表征技术这么重要，那么它都包括哪些具体的技术手段呢？ 

二、碳纤维表征技术概述 

内部结构表征技术：

以X-射线衍射、电子衍射、隧道扫描显微镜等设备为基础。 

其中，X-射线（广角、小角）衍射研究，可以获得碳纤维的取向度、微晶尺寸、石墨化度等重要信息。其数据统计意义上的，对研究材料基本性能

具有很高的价值，但难以确切反映碳纤维内部结构的局部特征。 

电子衍射，是通过透射电子显微镜获得碳纤维材料的取向角、层间距、微晶尺寸，发现其内部各种缺陷。其数据是微米级别的，对碳纤维无损探伤具有重要意义。 

隧道扫描显微镜、原子力显微镜则可以获得纳米级或原子级的信息，使得人们对碳纤维复材的微观结构认识达到了一个更深入的层次。 

表面结构表征技术：

主要依靠X光电子能谱。它可以定性、定量分析碳纤维表面元素和其存在状态。因为物理学发现，当固定激发源能量时，X光形成的光电子的能量仅与物质表面元素的种类和所电离激发的原子规定有关。因此，就可以根据冠电子的结合能定型分析碳纤维表面的元素种类。X光电子能谱就可以定性、定量分析碳纤维表面存在的元素和状态。 

三、碳纤维复材表征技术的应用 

碳纤维复合材料的表征技术，主要应用在三个方面： 

1 生产环节的表征测量，用于监控生产质量和优化生产工艺

2 检测环节的表征测量，用于检验产品质量和分析产品性能

3 使用环节的表征测量，用于监控设备寿命和确保安全运行 

国内方面的应用进展如下： 

中航复材：材料表征技术方面先进技术主要有：复合材料成分微结构及理化表征技术、复合材料使用性能测试表征技术、复合材料无损检测与评估技术、复合材料服役环境结构模拟分析技术。自行开发了7.5米X6米多通道检测仪，其FJ系列窄脉冲换能器以其优异的声学性能，解决了复合材料无盲区检测的需求，达到了同类产品世界领先水平。 

中航复材：自行开发了多型号便携式超声设备，满足复合材料结构外场服务的需求。。 

在十五期间国产T300级碳纤维成熟产品。哈工大复合材料及结构研究所，就在2007年使用电子扫描显微镜、X射线衍射仪、显微光谱仪、光电子能谱仪等设备，对国产T300级碳纤维GCF，与日本、美国同级产品进行了结构表征与性能比对分析。综合测量分析的结果，肯定了GCF的微观结构规整，与T300具有相当的弹性模量，且可与树脂基提形成较强的界面作用。同时指出缺点是表面微晶尺寸较大，不利于纤维强度的提高。 

沈飞公司：建立复合材料构件制造单元技术数据库，尝试多元化分析手段，采用数字影像技术监控制造全过程用以建立并追溯构件的全程制造历程。沈飞公司与大连理工大学等六家单位对复合材料承力结构件制造进行研究，内容囊括了复合材料从原材料到成形、固化、检测，再到装配的整个制造过程的基础研究工作，可以对复合材料结构件的设计形成反馈。 

小结

说起中国碳纤维复材近年来的发展，真可谓可圈可点。 

一、碳纤维行业第一梯队已经隐约可见。 

当前国内的碳纤维企业林林总总，一哄而起全面开花的局面仍然存在。但随着近年产业推进大浪淘沙，似乎正在发生悄然改变。 

原丝领域：

资料显示，2013年底为止中国的PAN原丝生产厂家竟然有30多家，建成总产能已经突破2万吨。中国人一哄而起、跟风赶潮的架势，真是惊人。然而大部分产品质量低劣，成本高于国际价格，因此市场需求度不高。2013年国内生产碳纤维不足3000吨，仅发挥了生产能力的1/10，导致大量设备闲置，全行业总体亏损。而同期，我国进口碳纤维及其制品12386.2吨，同比增长了34.5%；进口额达3.83亿美元。相当于国内产量的4倍。 

反观国际上规模化的PAN原丝生产厂商，一共才7家，其中仅东丽一家的产能就接近中国的总和。 

不过，在市场的洗礼之下，近年来中国已经开始出现行业洗牌，龙头企业初步显现。江苏航科的T800、中复神鹰的T700都是大热。2015年6月，中复神鹰开建年产3500吨碳纤维生产线三条，计划在3年内完成建设并进入投产，项目总投资达10亿元。项目建成后，将形成原丝15000吨/年及碳纤维6000吨/年生产力，是我国最大的碳纤维生产基地。 

有趣的是，江苏航科与西光所合作，是中科院背景；中复神鹰隶属中国复合材料集团有限公司。有趣的是两家一个在镇江，一个在连云港，使得江苏成为中国碳纤维原丝的最大基地。 

北方的吉化也不弱，当年“高性能T300级碳纤维及原丝制备成套技术”是吉化的镇宅之宝，凭这个获得中国石油2009年度科技进步特等奖。现在碳纤维原丝产能达到5400吨/年，碳纤维产能达到818吨/年。特别是，碳纤维产品规格涵盖1K至48K不同级别。看过《原文》的同学，应该明白吉化是以小丝束为主的生产结构，以及这意味着什么。点到为止，呵呵。 

航空复材领域： 

这与原丝领域科研+地方的合作模式不同，一水儿的国家队。中航工业一口气在哈飞、沈飞、西飞、成飞、昌飞、洪都等多家企业建立了航空复材中心。同属于中航工业背景的中航复材，落户北京，颇有后来居上之势。450人的小单位，一半硕士博士，先进设备眼花缭乱，拥有具完全自主知识产权的复合材料数据库，和国内最多的复合材料树脂牌号/预浸料牌号。

中心领导誓“为我国的新型军机和大型民机的研制和定型生产提供坚实保障” 军民通吃，好大的口气。复材收入初创时1亿多元/年4年翻三番达到2014年的9亿多元，成为碳纤维复材生产的大户——林左鸣也真是护犊子，国字特别是军字的大订单基本上被中航复材尽入囊中，当真是肥水不流外人田啊，呵呵。 

图1 中航复材的官方和军方背景可见一斑

二、原丝领域部分技术工艺获得突破性进展，但仍有部分产品线空白。

T系列如T800和T700的生产，从十五计划开始到今天，从原料、设备、工艺、规模上都有实质性的进展。未来需要的是大规模生产、稳定质量和降低成本，并对更高端的产品持续跟踪研发。说“跟踪”有点难听，但。我们在T800打拼的时候，人家在强攻T1100，要承认现实，对吧。何况，国内T800的“高强中模”和“基本高模”工程化还是空白呢。兵器迷看到国内媒体报道说“中国T800性能超过日本” 这样的大标题，恨不能个地缝钻下去——落后不丢人，可明明是落后，却要摆出已经超越的姿势，那才丢人呢。 

此外，MJ“高模高强”碳纤维的产业化技术也是基本空白。空白到什么程度呢？兵器迷搜集到的公开资料甚至都不能肯定MJ的核心工艺是干喷湿纺还是湿法纺丝，只是猜测可能是湿纺。而且这些资料中，对MJ系列的微观结构鲜有深论。而众所周知，CFRP的宏观力学性能正是由于其微观结构决定的。虽然日方的M60J系列依然因为一些问题尚未完全成熟，但此物在航天级应用绝对是潜力股（卫星、航天器承力结构）。中方如果不加大预研力度，未来将如今天的T系列一般跟着别人后面亦步亦趋，成为又一个潜在的严重短板。 

三、复材生产领域部分关键设备获得突破性进展，但对先进技术路线的跟进仍需加强

从中航复材的报道看，过去的自动铺叠设备和热压罐关键设备获得了较大的突破，30米铺带机和30米热压罐都已经投入试生产和型号工艺验证，过去的大量核心设备空白在急速被填补。而且中航复材的第三代树脂基材料也保持了很好的发展势头。所有这些进步都使得复材生产领域获得了相当的能力提升。但是在降低成本和工艺复杂度上，比如美帝的真空辅助树脂转注成模VaRTM工艺为代表的低温整体成型方面，还需要盯紧对手的发展动态，加大技术储备和研发力度。 

图2：美国VaRTM工艺

四、表征技术方兴未艾，但依然是中国复材生产的短板。

在历经多年的生产质量和成本难关之后，中国终于开始逐步发展自己的碳纤维表征技术和生产数据库。各大学材料专业、复材研究机构、生产厂家和最终用户，正在走到一起去研究碳纤维微观结构与宏观性能的种种奥秘。中航复材在生产设备之外，配备了色谱仪、红外光谱仪、DSC和DMA、透射电镜、扫描电镜、光学显微镜等仪器分析设备，掌握了红外热成像、蜂窝激光剪切干涉检测、超声三轴无损检测、超声机械手检测等仪器监测技术，并建立了大型超声C扫描无损检测设备研制及检测标准，拥有20个检测通道，单次检测范围7.5米X6米。 

趋势是好的，但需要指出，我们的自主表征技术研发工作大多建立在观测分析上，但精密观测仪器却又大多来自国外。比如碳纤维内部结构表征探测的关键设备X射线衍射仪，用的是日本产品（如日本理学公司的D/max-rA），扫描电镜用的也是日本产品（如日本HITACHI的S-3400/4700）。而碳纤维表面结构表征探测的关键设备光谱仪，用的是英国产品（如Renishaw的RM1000）和法国产品（如法国的HR800）。 

图3 日本理学公司的D/max-rA的X射线衍射仪

图4：日本HITACHI扫描电子显微镜

图5 ：英国Renishaw光谱仪

这就是我们今天的局面：产品和设备这两块看得见的短板正在被强力弥补，而检测分析手段和工艺数据积累这两个更加隐性的领域却依然在起步阶段。 

个人认为，碳纤维领域的最大问题不是生产原理，而是工艺细节。而工艺细节的保障，正是来自于表征技术的发达：没有设备就别想出产品——没有工艺参数和产品数据积累就是有了设备也无法保证质量和成本——而没有先进的检测与分析手段当然也就没有办法积累参数和数据。碳纤维就是这么个细活儿，想凑合凑合对付着来，那是门儿都没有。 

正如中航工业复合材料首席专家专家蒲永伟所言：“当前国内的复合材料制造业是一个以经验和主观判断为主要生产手段的粗糙型产业，未来的发展趋势必然是以理论代替经验，以客观计算代替主观判断，辅以表征测试手段的发展，最终成为理论预测先行、过程规范操作、实时可视监控的现代化产业。” 

对照一下我们的进步和不足，看看美国和日本的碳纤维产业实力。什么是深度垄断，什么是全产业链，什么是市场生态，什么是真正的工业强国，列位看官，不妨细细想来。 

队伍和技术谈完，就轮到应用了，我们这就回顾一下近年来碳纤维复材在国内的应用，特别是军用，特别是航空军用。 

预知后事如何，且听下回分解。 

注：所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物，如：

《碳纤维原丝生产工艺》

《日本碳纤维的生产和性能》

侯知健先生的文章《正确认识碳纤维的缺陷》

空军之翼魏楞杰先生的文章《先进复合材料飞机发展探》

本文还引用了航空制造网的信息和图片，在此一并致谢！

文章来源：新浪博客 兵器迷的天空