1.3　高性能纤维复合材料面临可持续发展的挑战

任何事物都具有其两面性，复合材料，特别是碳纤维增强的树脂基复合材料也是这样，有人曾形象地把它比作“两刃剑”。一方面，其轻质高强的优点，在航空航天和其他领域能大幅减轻结构自重，体现出节能降耗减排的巨大经济效益和社会效益；另一方面，其极稳定的化学分子结构和优异的耐腐蚀性，给回收和再利用带来极大的难题。

从可持续发展的理念审视，复合材料面临的主要挑战是：第一，生产制造的高成本、高能耗、高污染；第二，如何回收和再利用。

1.3.1　高性能复合材料是高投入、高成本和高能耗产业[21—23]

居高不下的成本是一直是复合材料存在的突出问题之一。

首先是碳纤维的生产和制备。碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8mm内，是20世纪60年代发展起来的一种高技术新材料。用在复合材料中的碳纤维主要有两大类，即聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，它们是分别用聚丙烯腈原丝（或称为前驱体）或沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得的。采取碳化工艺，是因为碳是不溶的材料，它不像其他人工纤维那样，通过溶解成溶液或熔融抽丝来制备碳纤维。而碳化是一种复杂和高能耗的工艺，要先对原丝进行预氧化，期间会有大量废气排出；碳化是在专门的石墨炉中进行，碳化温度达1800～2000℃，能耗极高，而且对碳化炉的制造也带来高成本和高难度。有资料表明，生产1kg的碳纤维能耗为1.75kW，是玻璃纤维的11.76倍，环境影响约为玻璃纤维的60.2倍。

其次是碳纤维复合材料的成型制备。碳纤维增强树脂基复合材料大多用预浸料层压结构的热压罐成型，用这种方法制备的复合材料制件，具有压制密实、纤维含量高（60％以上）、纤维与基体界面结合好、性能和质量优异等特点，航空航天高性能复合材料主要用这种方法制备，但生产成本非常高，能耗非常大。

纤维预浸料的制备需要专门的设备和技术，在用预浸料制备制件时，要将预浸料切割成不同规格和形状的层片，再将层片按设计要求铺叠成层板，最后进行热压固化成型，这需要投入大量的人力和工时。制件的热压成型是在热压罐中完成的，热压罐实际上是一种压力容器，可以有不同的尺寸规格，对大型或超大型的复合材料制件，则需要大型的热压罐来成型，有的超大型热压罐，内径达10m，长度达20～30m，其设备制造和安装费用是相当昂贵的（见图1-13）。

图1-13　用于成型大尺寸复合材料制件的大型热压罐

热压罐成型过程中，需要对制件加热和加压，因此要求热压罐能提供不同的加热温度，一般在200℃以下。对高温型的聚双马来酰亚胺树脂或聚酰亚胺树脂，要求热压罐能提供的加热温度为250～350℃。固化在最高固化温度下一般要持续2h，后固化处理为2～5h。除加热外，还要加压，大多是用氮气实行静态加压，压力要维持在20～30个大气压（1个大气压=1.01×105Pa），直到后固化结束。这种高能耗、设备高投入的成型，是复合材料成本长期居高不下的原因之一。

制造成本占复合材料总成本的30％以上，因此，自20世纪80年代以来，开始了低成本化制造技术的研究，陆续开发出以树脂传递成型为代表的液体树脂成型技术、非热压罐固化技术。再配合高效的自动铺丝/自动铺带技术，大大提高了复合材料的生产工效，有效地降低了制造成本。但对于一些性能要求特别高的复合材料大型制件，热压罐固化还在继续使用。

1.3.2　复合材料回收困难[24-26]

回收困难是复合材料面对可持续发展的第二个重大挑战。航空航天等高端应用的复合材料，几十年的发展主流一直是碳纤维增强的热固性树脂基复合材料。热固性树脂共同的特点是胶接强度高，与纤维结合力强，耐热性好，尺寸稳定性好，抗腐蚀，制作的复合材料能满足不同的使用要求。热固性树脂基体实际上是一种按性能要求设计的树脂体系，本质上是一种合成高分子聚合物材料，其主要成分是树脂本身、固化剂和固化促进剂等。如制备功能复合材料，还须加入具有特殊功能的助剂，如增韧剂、阻燃剂以及一些具有特殊物理功能（光、电、声、热、磁）的添加剂等。

这样的树脂体系通过不同的方式固化后，其化学分子结构将发生形态变化，由二维的链状线性大分子结构变成高度交联的三维立体网状分子结构，树脂由流体变为不溶不熔的坚实固体，复合材料的制备就是通过这样的固化，将纤维紧密地固结在一起，形成性能优异的复合材料体系。热固性树脂基体固化后，由流体变为固体，这种变化是不可逆的，也就是不可能再回到固化前的熔融流体状态，它不像热塑性聚合物材料，或传统的金属材料，固熔的变化是可逆的，因而可进行二次加工，进行回收再利用。而且热固性树脂性能极为稳定，不易降解，回收极为困难，目前最终处理大多是掩埋或焚烧，对环保带来巨大的压力（见图1-14）。

图1-14　待处理的复合材料制品及其废弃物

碳纤维制品多用于特殊领域，其使用寿命和更新周期均有严格要求，大量废弃的碳纤维产品所导致的二次污染问题亟待处理。据日本三菱人造丝公司估计，目前全球废弃的碳纤维复合材料已超过1万t，2020年可达5万t。随着碳纤维生产能力的扩大及复合材料的越来越多的使用，环保问题也得到越来越多的重视和关注，可持续发展战略要求人们重视碳纤维的回收利用。德国Thudngian（TITK）研究所、英国诺丁汉大学等采用化学和热解处理技术开发了碳纤维环氧树脂复合材料回收再利用的新途径，其回收产品可用于一般的碳纤维增强塑料。日本东丽公司、帝人公司、日本东邦和三菱丽阳公司计划联手从飞机和其他设备中回收和循环利用使用过的碳纤维。

据统计，2008年世界上对碳纤维的需求量达35000t，并且以每年12％的速度递增，预计到2020年世界范围内碳纤维的需求量将超过15万t。其中航空航天工业约占总消费量的40％，工业市场和娱乐市场分别占总消费的40％和20％。一架波音787或空客A350中含有50％以上的碳纤维增强复合材料，军用飞机中碳纤维增强复合材料的含量也接近这个比例。据预计，目前约有700架飞机将进入报废期，到2025年将有8500架商用飞机报废，而每架飞机退役后将产生大量碳纤维增强复合材料废弃物。另外，风电、高速列车、电动汽车等产业对碳纤维的需求量也逐年递增，需要回收的碳纤维增强复合材料的数量将越来越多。

由于复合材料结构各异，所用树脂基体也千差万别，没有任何一种方法能解决所有复合材料的回收问题。总体上看，复合材料的回收技术必然向着绿色环保、低能耗、低腐蚀的方向发展，且要求回收产物可高值再利用，满足可持续发展的要求。