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北化賈曉龍/楊小平團(tuán)隊(duì)、南昆大王浩團(tuán)隊(duì) Compos. Part B 專刊特邀綜述：電磁技術(shù)在碳纖維及其復(fù)合材料制造中的應(yīng)用

2025-02-21 來(lái)源：高分子科技

在全球能源緊缺和環(huán)境壓力不斷加劇的背景下，低碳排放與可持續(xù)發(fā)展已成為材料工業(yè)亟待解決的重要課題。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）憑借其輕質(zhì)、高強(qiáng)等優(yōu)異性能，正廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及可再生能源等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的熱依賴型制造與回收工藝存在的高能耗、高排放問(wèn)題，已成為制約其可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。

北京化工大學(xué)先進(jìn)復(fù)合材料研究中心依托于“有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“國(guó)家碳纖維工程技術(shù)研究中心”、“碳纖維及特種高分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和“北京市新型高分子材料制備與成型加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”等國(guó)家級(jí)、省部級(jí)研發(fā)平臺(tái)，是我國(guó)樹脂基復(fù)合材料科學(xué)與工程研究領(lǐng)域重要的研究力量之一。近年來(lái)，團(tuán)隊(duì)賈曉龍教授/楊小平教授一直致力于電磁技術(shù)在碳纖維及其復(fù)合材料制造中的研究（Appl. Surf. Sci. 2022, 578, 151967; Small 2024, 20(6), 2306104; Small 2022, 18(13), 2105411; ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3(9), 9340–9355; ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3(12), 11955–11969; Compos. Part B Eng. 2019, 174, 106909.）。

基于以上研究基礎(chǔ)，該團(tuán)隊(duì)與澳大利亞南昆士蘭大學(xué)王浩教授合作，受邀在復(fù)合材料領(lǐng)域知名期刊Compos. Part B的Future Composites -50 Year專刊上發(fā)表了題為“Electromagnetic techniques in carbon fibre and carbon fibre composites manufacturing: A review”的綜述性論文。從碳纖維制造、界面構(gòu)建、固化成型和綠色回收等方面，系統(tǒng)解析了電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)在CFRP全生命周期中的革新應(yīng)用，提出了“節(jié)能-增效-循環(huán)” 一體化的解決方案，為未來(lái)碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域的相關(guān)研究提供了新思路。第一作者為北京化工大學(xué)博士生朱家寶與博士后黎何豐，通訊作者為北京化工大學(xué)賈曉龍教授、合肥工業(yè)大學(xué)還獻(xiàn)華講師及澳大利亞南昆士蘭大學(xué)王浩教授，北京化工大學(xué)為第一完成單位。

圖1 電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)在CFRP的全產(chǎn)業(yè)鏈中的應(yīng)用

碳纖維生成制造：傳統(tǒng)依靠熱傳導(dǎo)的碳化工藝存在溫度分布不均、加熱效率低、能耗高等問(wèn)題，導(dǎo)致生產(chǎn)成本居高不下。為此，電弧加熱和電磁感應(yīng)加熱等新型加熱技術(shù)因其均熱高效、節(jié)能降耗的優(yōu)勢(shì)，正逐漸成為未來(lái)碳纖維生產(chǎn)的重要替代方案。直流焦耳加熱利用電流直接在碳前驅(qū)體內(nèi)部產(chǎn)生局部高溫，實(shí)現(xiàn)快速升溫、精準(zhǔn)控溫和電遷移效應(yīng)，從而重組碳結(jié)構(gòu)，顯著提高了纖維的強(qiáng)度和模量；而微波碳化則通過(guò)分子級(jí)能量轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)三維均勻加熱，不僅提高了石墨化程度和力學(xué)性能，還大幅降低了能耗和碳排放。這些電磁驅(qū)動(dòng)加熱技術(shù)為碳纖維生產(chǎn)提供了高效、節(jié)能、低碳的新途徑，助力產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)。

圖2 以微波加熱為代表的電磁驅(qū)動(dòng)碳纖維制造技術(shù)

復(fù)合材料界面構(gòu)建：傳統(tǒng)改性方法難以克服碳纖維表層低反應(yīng)性的問(wèn)題。電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)通過(guò)陽(yáng)極氧化在直流電場(chǎng)作用下高效生成羧基、羥基等官能團(tuán)，及電泳沉積技術(shù)將氧化石墨烯、碳納米管、MXene和金屬有機(jī)框架等納米材料精準(zhǔn)沉積于纖維表面，構(gòu)建多級(jí)界面結(jié)構(gòu)；此外，微波活化技術(shù)利用體積加熱與局部高溫效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)纖維表面快速均勻活化，極大改善了界面粘結(jié)力和機(jī)械性能。這些方法不僅高效節(jié)能、環(huán)保，還具備在線roll-to-roll大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。

圖3 以微波輻照為代表的電磁驅(qū)動(dòng)界面構(gòu)建技術(shù)

復(fù)合材料固化成型：傳統(tǒng)固化方法依賴烘箱和模具逐層傳熱，存在能耗高、固化不均及內(nèi)部應(yīng)力集中的弊端。相比之下，電磁驅(qū)動(dòng)固化技術(shù)采用非接觸式加熱：焦耳加熱利用碳纖維高導(dǎo)電性實(shí)現(xiàn)快速均熱；感應(yīng)加熱通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的電磁線圈產(chǎn)生均勻渦流，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫；微波固化則利用915 MHz或2.45 GHz電磁波，綜合發(fā)揮樹脂介電損耗與碳纖維導(dǎo)電損耗，實(shí)現(xiàn)大件與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的體積加熱，大幅縮短固化周期并降低能耗。

圖4 以微波固化為代表的電磁驅(qū)動(dòng)CFRP固化成型技術(shù)

碳纖維回收再利用：傳統(tǒng)的填埋、焚燒和機(jī)械回收方法不僅環(huán)境污染嚴(yán)重，還難以保證回收纖維的高強(qiáng)性能。電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)，尤其是微波熱解技術(shù)，通過(guò)利用碳纖維的微波響應(yīng)性實(shí)現(xiàn)內(nèi)部體積加熱，“天線效應(yīng)”使纖維迅速升溫，并借助火花輝光放電等機(jī)制促使樹脂裂解，從而高效分離出表面完好、強(qiáng)度保留較高的再生纖維。進(jìn)一步結(jié)合催化劑（如ZnCl?、鐵基催化劑）和極性溶劑，微波催化熱解及微波輔助化學(xué)回收技術(shù)可在溫和條件下實(shí)現(xiàn)定向轉(zhuǎn)化與高效回收，極大提升了纖維的再生價(jià)值。同時(shí)，利用脈沖電流或高壓靜電場(chǎng)等技術(shù)也能迅速實(shí)現(xiàn)廢舊纖維的解聚與高值再生。

圖5 以微波熱解為代表的電磁驅(qū)動(dòng)CFRP綠色回收技術(shù)

未來(lái)展望：盡管電磁場(chǎng)與材料的微觀相互作用機(jī)制仍待深入研究，該技術(shù)已展現(xiàn)出顯著的工業(yè)化潛力，從“卷對(duì)卷”連續(xù)生產(chǎn)到工程級(jí)快速制造，正推動(dòng)CFRP向低碳化、智能化邁進(jìn)。未來(lái)，隨著電磁–材料交互機(jī)制的深入解析與工藝優(yōu)化，電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)將重塑復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)生態(tài)，為新能源與信息技術(shù)等領(lǐng)域提供高性能、可持續(xù)的材料解決方案，引領(lǐng)生產(chǎn)模式的革命性變革。

本工作受到北京自然科學(xué)基金（No. L248001, No. 2242052）、2022-2024有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（Oic-202201007, Oic-202301003, Oic-2024020002）、澳大利亞研究委員會(huì) （ARC）發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目（DPDP230103008）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（JZ2023HGQA0110, JZ2024HGTA0169）、國(guó)家自然科學(xué)基金（52403089）、安徽省自然科學(xué)基金（2408085QE179）等項(xiàng)目資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112227

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（責(zé)任編輯：xu）

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