碳纤维拉挤复合材料：跨领域应用的创新与前景展望

风电叶片

随着风机的大型化持续进行，叶片的长度和重量迅速增加。最近，东方电气已成功研发并下线了全球最长的126米超长叶片。在这一背景下，采用碳纤维主梁作为大型叶片的必要性凸显：

1. 玻纤材料的模量增长接近极限，而碳纤维的模量比玻纤高3-8倍。

2. 碳纤维的比重较玻纤下降约30%。

碳纤维拉挤工艺（左二）性能全面占优

碳纤维拉挤工艺在风电叶片领域的广泛应用已经得到了行业整体的认可。中材科技、时代新材、中复连众、艾朗科技等叶片厂家以及三一重能、明阳电气、上海电气等公司都发布了采用碳纤维或碳玻混合拉挤大梁的叶片。

维斯塔斯开发的碳纤维拉挤碳板叠层灌注工艺通过高效的拉挤成型工艺，将碳纤维制备成单向碳纤维板材，并将其叠层排列，灌注树脂后固化成型为风电叶片主梁。与传统真空灌注工艺和预浸料工艺相比，拉挤碳板叠层灌注工艺具有更高的纤维体积含量和更优的纤维排列，从而带来卓越的力学性能。拉挤工艺本身是一个连续的自动化过程，使碳板的质量更加一致，生产效率更高，制造量更大。此外，拉挤碳板的生产长度不受限制，大长度的碳板可通过分切达到最终用户所需的长度。

无人机

碳纤维拉挤复合材料在无人机领域的应用主要体现在拉挤碳纤维管的制造上。拉挤碳纤维管在构建无人机的结构框架方面具有卓越的机械性能，如刚度、耐久性和轻量，非常适合用于制造无人机的零部件。由于拉挤工艺的特性，所得到的管件在性能、行为和质量上具有一致性，这对于制造可靠性能的无人机至关重要。

汽车轻量化

由碳纤维增强塑料部件制成的底盘比同类钢结构轻60%

碳纤维拉挤工艺是一种经济的生产替代挤压钢铝零件的方法。尽管该技术目前仅适用于“直线零件”，但已经在一些汽车领域得到了应用。美国Zoltek开发了拉挤的门槛/摇臂板和门入侵横梁，而戴姆勒和Secartechnologie在2016年因拉挤碳纤维加强支柱在梅赛德斯C级敞篷车和S级中的应用而获奖。德国克劳斯-玛菲的iPul技术生产碳纤维拉挤型材部件，能够在20吨拉力下以每分钟2.25米的速度进行生产。拉挤碳纤维的优势在于可以生产经过优化功能和成本的复合零件，并且现在可以在更大规模上经济生产。这一技术已经在今天的道路上得到了实际应用，具有广泛的潜在应用领域。

轨道交通

引入拉挤型材为轨道交通领域注入新的活力。碳纤维拉挤型材通过精密的制造工艺，不仅能够满足轨道交通工程对结构强度和耐久性的苛刻要求，同时还能降低车辆自重，提高运行效率。其卓越的抗拉、抗压性能使其在轨道交通系统的结构组件中发挥至关重要的作用，为现代城市轨道交通系统的可持续性发展奠定了坚实基础。德国CG RAIL公司的碳纤维拉挤型材融合了多腔截面，壁厚可达26mm，同时采用了单向纤维和纺织品加固等特点。

二、技术动向

大丝束碳纤维拉挤复合材料工艺

大丝束碳纤维拉挤复合材料工艺是一种高效、环保的复合材料制备技术。它通过将大尺寸碳纤维捆成一束，在拉伸过程中注入树脂，再经过固化和后续加工等多道工序，最终得到具有优异性能的复合材料。主要原材料包括碳纤维、树脂和添加剂。碳纤维作为复合

材料的强化材料，其选择应考虑机械性能、表面状态和价格等因素。通常采用直径在10-13μm、长度在40mm以上的碳纤维大丝束。树脂起到粘合和填充作用，根据具体需求选择不同类型的树脂，如环氧树脂和酚醛树脂等。添加剂的使用可以改善树脂的固化性能和加工流动性。大丝束碳纤维拉挤复合材料具有高性能、良好的表面质量和环保可持续等特点。

弯曲拉挤工艺

在弯曲拉挤工艺中，刘天桥、冯鹏等人结合了最新的技术，提出了弯曲拉挤拱梁，为拉挤型材梁构件赋予了一定的预拱度，以抵消竖向挠度。同时，优化了拉挤型材截面，成功避免了因屈曲导致的构件过早失效。弯曲拉挤拱梁可直接采用传统平直构件的设计方法进行设计，具有明显的优势。在此基础上，已建成了一座20米长的廊桥，位于北京中冶建研院。该桥在强度、挠度和振动等方面均满足设计要求，尤其在端部固支的条件下，梁内会产生一定的轴力，使该桥具有浅拱的受力模式，进一步增大了结构的刚度。使用弯曲拉挤拱梁，可进一步提高拉挤型材的力学性能，并拓展复合材料在土木工程领域的应用范围。

碳纤维增强热塑拉挤工艺

碳纤维热塑拉挤工艺中，热塑性树脂在高温条件下变得可塑，碳纤维均匀分布其中，形成高强度、刚性良好的复合材料结构。该工艺已广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑结构等领域。在航空航天领域，碳纤维热塑拉挤制品的轻量高强特性有助于提高飞机燃油效率，降低整体重量。在汽车制造中，该工艺制造的零部件不仅能减轻车辆自重，还有望提高车辆的安全性和燃油经济性。在建筑领域，碳纤维热塑拉挤工艺可以生产轻质却强度出众的结构材料，改善建筑物的耐久性和抗风性能。