碳纤维强化聚合物

碳纤维强化聚合物

碳纤维强化聚合物（英语：carbon fiber reinforced polymer，CFRP），又称为“碳纤维强化塑胶”（carbon fiber reinforced plastic）或“碳纤维强化热塑性塑胶”（carbon fiber reinforced thermoplastic）等，常简称为CFRP、CRP、CFRTP等，是一种含有碳纤维的纤维强化塑胶，其特性为强度高且质量轻。虽然碳纤维强化聚合物制造昂贵，但被广泛应用于比强度和刚性需求高的产业中，如航空、汽车、土木工程、运动器材等等。 或现在有个别公司考虑以其物料代替现时玻璃车窗。

目录

概述

碳纤维强化聚合物这种复合材料有质轻强固特性，是航太领域、顶级赛车爱用的材料之一，然而制程繁复耗时昂贵，因此应用在大众量产商品的可能性相当低。

碳纤维顾名思义就是纯由碳构成的微小纤维，单一一根碳纤维直径约 5~8 微米（㎛，万分之一公分），从原子规模角度来看，碳纤维是一层层六边形碳原子排列（相当于石墨烯薄片）堆叠起来，结构让碳纤维具超高强度重量却相当轻。一般会将几千条基本的碳纤维组成一根碳纤维束。

碳纤维虽然本身有超高强度特性，对和纤维束同方向有很强抗拉力，若垂直施力，就像一条线一样会歪曲，为了解决这问题，碳纤维束通常必须编起来或做成复合材料，例如用碳纤维束以各种不同方向排列，然后用环氧树脂黏合，固化后定型，这样碳纤维在硬化的树脂基质里就不会歪曲移动，成为强固质轻的坚硬材料，这就是碳纤维强化聚合物，广泛应用于航太、汽车、土木工程、运动器材等领域。

特性

碳纤维强化聚合物是一种复合材料，由基质和强化材等两部分组成。其中，碳纤维是强化材，提供复合材料的机械强度；而基质则通常是聚合物树脂（如环氧树脂），用于黏合强化材。因此，碳纤维强化聚合物的材料性质由基质和强化材共同决定。强化材赋予其强度与刚度；分别通过应力和弹性模量来测量。与钢铁或铝金属等等向性材料不同，其强度性质具有方向性。碳纤维强化聚合物的性能取决于碳纤维的布局和碳纤维相对于聚合物的比例。

制造应用

聚合物基质一般采用热固性树脂（如环氧树脂），但其他热固性或热塑性聚合物（如聚酯、乙烯基酯或尼龙等）也时常被应用。除碳纤维外，复合材料可能含有芳香聚酰胺（如克维拉或特瓦伦等）、金属铝、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）或玻璃纤维等。碳纤维强化聚合物的最终产品性能可能受到基质（树脂）添加剂种类的影响，而最常见的添加剂是二氧化矽，而其他种类的添加剂如橡胶或碳奈米管等也被使用。

把碳纤维逐层铺上（每层铺上后要加上聚合物树脂如环氧树脂）模具，然后压制成型。碳纤维强化聚合物应用广泛如：公路自行车，航太工业以及汽车制造业。

缺点

碳纤维强化聚合物的缺点是制作往往需要层层叠上碳纤维、涂上环氧树脂黏合，制品形状必须层层堆塑，最终在模具里紧紧夹住等待固化，相当耗费人工与时间，使碳纤维制品成本居高不下，产能与良率也不容易提升。若以质轻的碳纤维强化聚合物打造汽车，有助让汽车因上层结构减轻而重心更低，行驶更稳定，减少车重也能提升汽车的油耗效率，并让加速更快，刹车也更快，操控更灵敏。要将碳纤维强化聚合物引进大众量产商品，制造流程一定要有突破性改变。

寻求突破

日产汽车Nissan改革碳纤维强化聚合物制程，研发做法不像过去一层层叠上黏合，而是先把碳纤维编织成特定排列，留有足够孔隙让环氧树脂能用灌注方式注满整个结构，如此一来，碳纤维强化聚合物的制造，就从过去层层叠合手工艺，转变为相当于某种形式的铸造：将上述碳纤维结构先填入空模的间隙，再灌入环氧树脂，待环氧树脂固化后，就直接成为所需形状的碳纤维强化聚合物零组件 。

这种制造方式，最重要的是碳纤维结构的通透性，树脂如何流动，能否顺利流到结构的每部分，而不会留下气泡，Nissan 日产汽车工程师发展模拟树脂流动开发工具，并利用透明模具，以及内建温度感测器，实地测试灌注树脂时直接观察树脂的流动状况，模拟测试成功，证明此制造方式确实可以用更短的开发与制造时间打造高品质的零组件。

日产汽车Nissan新制程技术发表处在实验阶段，创新铸造式思维也为碳纤维强化聚合物的未来开启许多可能性。促进碳纤维强化聚合物成为量产制品材料。该公司2020年9月发表碳纤维强化聚合物的生产新技术，开发时间可望减半，模造时间可望减少八成，开启碳纤维材料进入家用通路。

影片

Carbon Fiber - The Material Of The Future?
碳纤维-未来的材料？