碳纤维被用于航天军工、体育用品、汽车工业产品方面已广为人知，随着碳纤维大丝束的发展及碳纤维价格的下降，一些新的市场正迅速发展。目前碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品，成为国内新材料行业研发的热点，因此碳纤维复合材料有了很好的发展及应用前景。　　碳纤维是一种纤维状的碳素材料，含碳量在95%以上，通常与树脂、金属、陶瓷等基体结合作为复合材料使用，一般不单独使用，与传统金属材料相比，碳纤维密度仅为钢材的1/5，而强度可达钢材的7-10倍，其中环氧树脂基碳纤维复合材料被广泛应用于汽车工业、轨道交通、医疗器械、体育器材等高强度减重结构部件，此外碳纤维材料在石油、冶金、纺织等领域的应用也相当广泛。由于国内技术能力的限制，目前我国高端碳纤维材料仍依赖进口，并形成国内深加工的现象。目前国内从事碳纤维复合材料制品的生产厂家多达数千家，但是由于产能产量的原因，碳纤维制品仍需大量进口。据相关报道显示，2014年上半年我国碳纤维及制品进口量为5513.2吨，年进口量在一万吨左右，进口依存度依旧在高位徘徊。　　究其原因，我国碳纤维生产及下游产品制造技术仍落后于美、日及其他欧美等国家。目前，国内碳纤维复合材料的成型工艺主要有手糊成型工艺、缠绕成型工艺、拉挤成型工艺、树脂传递模塑成型工艺和模压工艺。而树脂传递模塑成型工艺(RTM)是国内碳纤维下游制造企业常用的一种成型工艺，成型后的制件性能优良，适合年产量在5万套左右的部件。是世界上公认的低成本复合材料成型技术，该技术发展很快，并已在汽车工业上广泛采用。如无锡威盛新材料科技有限公司为中国中车集团制造的一款工字形碳纤维结构部件。该结构件长780mm，腰高42mm，腰厚6mm，腿宽52mm，经检测强度远超原工字钢，且重量仅为750g，有效减重达62%，该部件具有耐酸碱等腐蚀、密度小、寿命长等优点，为列车轻量化发展产生较大经济效益。据悉，常州今创集团的相关列车结构部件也已在该公司进行研发试样阶段。　　此外，真空袋压也是碳纤维复合材料制品生产的工艺之一，该工艺的主要优点是采用普通湿法铺层技术,通常可获得高碳纤维含量的复合材料，环氧树脂可较好地浸渍碳纤维。主要缺点是额外的工艺过程增加了劳动力和成本,并且要求操作人员有较高的技术水平，生产效率不高。手糊成型工艺，它是依次在模具型腔表面涂布或铺迭脱模剂、胶衣、粘度适中的环氧树脂(胶衣凝胶后涂覆)和碳纤维,手持辊子或刷子使环氧树脂浸渍碳纤维,并驱除气泡,压实基层。铺层操作反复多次,直到达到制品的设计厚度。该工艺的主要优点是可室温成型,设备投资少,模具折旧费低，可制造大型制品。主要缺点是属于劳动密集型生产,制品质量由工人技术熟练程度决定，手糊用树脂分子量低,通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。　　碳纤维复合材料产品的制造技术涉及材料、设计和工艺三方面，这三方面互相影响，不可缺少。国内碳纤维材料经过近40年的研究、应用及发展，虽然取得了长足的进步，但是由于成本及回收等因素，发展进度仍令人堪忧。从目前来看，除了成本因素外，碳纤维复合材料的生产和制造均不同于传统金属，无论是结构设计、材料选择还是工艺制造均缺乏经验和数据积累，也缺少新的设计标准。另外，只有彻底解决了回收利用问题，碳纤维复合材料才可能降低造价及广泛利用。　　随着碳纤维制备技术、碳纤维表面处理技术的进一步发展，环氧树脂/碳纤维复合材料的综合性能还将会得到提高，并将极大地推动环氧树脂/碳纤维复合材料的发展,并有效地拓宽环氧树脂/碳纤维复合材料的应用领域。目前，国家已在战略层面上加强了对碳纤维产业的重视和扶持，并构建平台，大力开展产学研合作模式以推动上游生产工艺改良和下游制造与应用。

　　碳纤维复合材料是由碳纤维增强体和树脂基体组成的非均质材料，其中两种材料在物理和化学性能方面存在着很大差异，材料的破坏机理与传统金属材料之间有很大的区别，碳纤维增强体、树脂基体自身性能、纤维的铺设方向等因素都使切削过程变得非常复杂。更为重要的是，碳纤维复合材料硬度大，其HRC值可达到53-65，相当于一般高速钢的硬度。在制孔加工过程中，对钻削的刀具磨损较严重，制出的孔容易出现分层、毛刺、撕裂、缩孔等问题。　　1、毛刺　　由于碳纤维复合材料的非均匀性，且其纤维铺层方向对制孔质量有较大影响，材料的各向异性，刀具在不同位置处切削碳纤维的不同角度，会使部分碳纤维受到拉伸作用而非剪切作用，这些都是导致在孔出口和入口处容易产生毛刺缺陷的因素，而且毛刺产生的方向一般与最外层纤维的铺层方向一致。又因为碳纤维复合材料对刀具有较大的磨损作用，刀具磨损变钝后，刃口宽度增大，不能顺利将碳纤维切断，也容易形成毛刺。　　2、撕裂　　碳纤维复合材料的钻出过程分两个阶段：一是横刃作用阶段。横刃首先接触外层碳纤维，由于横刃切削速度很低且不锋利，不能将材料切断，而是施加推力导致材料向外退让，并沿铺层方向向两侧扩展。二是主切削作用阶段。从横刃切出出口表层材料开始，主切削刃一边向外推挤，一边以自身的螺旋对工件进行扭曲。钻削轴向力过大及刀具磨损因素都容易在出口处形成撕裂缺陷。　　3、分层　　钻孔过程中，碳纤维材料层在钻削轴向力的作用下产生层间应力，如果在孔出口一侧不施加足够的支撑，在孔出口处容易出现层间应力过大，若该应力超过树脂基体的强度，则很容易造成碳纤维复合材料层与树脂基体分开，产生分层缺陷。一般来说，钻削轴向力越大，层间应力越大，越容易产生分层缺陷。　　4、缩孔　　碳纤维复合材料在钻削过程中不能使用冷却液，这些冷却液会通过毛细作用渗入材料，对材料造成损害，因此只能采用干切加工，这就加剧了刀具磨损，导致切削热过大。由于材料导热性差，这些热量无法快速释放，导致制孔区域温度较高，在钻削完成后，由于碳纤维复合材料线胀系数和弹性恢复较大，会出现缩孔的现象，影响制孔尺寸精度。

　　复合材料加工工艺是在同一基础上根据不同材料的特性及应用目的而不断衍生发展的。碳纤维复合材料在发挥质轻、强度大的基础上，也会根据应用对象的差异而采用不同的成型工艺，从而尽可能地发挥出碳纤维所具有的特殊性能。下文就针对适用于碳纤维复合材料的成型工艺及其应用进行简要的论述。　　1、手糊成型：　　在模具工作面上涂敷脱模剂、胶衣，将剪裁好的碳纤维预浸布铺设到模具工作面上，刷涂或喷涂树脂体系胶液，达到需要的厚度后，成型固化、脱模。在制备技术高度发达的今天，手糊工艺仍以工艺简便、投资低廉、适用面广等优势在石油化工容器、贮槽、汽车壳体等许多领域广泛应用。其缺点是质地疏松、密度低，制品强度不高，而且主要依赖于人工，质量不稳定，生产效率很低。　　2、层压成型：　　将逐层铺叠的预浸料放置于上下平板模之间加压加温固化，这种工艺可以直接继承木胶合板的生产方法和设备，并根据树脂的流变性能，进行改进与完善。层压成型工艺主要用来生产各种规格、不同用途的复合材料板材。具有机械化和自动化程度高、产品质量稳定等特点，但是设备一次性投资大。　　3、喷射成型：　　属于手糊工艺低压成型中的一类，使用短切纤维和树脂经过喷枪混合后，压缩空气喷洒在模具上，达到预定厚度后，再手工用橡胶锟按压，然后固化成型。为改进手糊成型而创造的一种半机械化成型工艺，在工作效率方面有一定程度的提高，用以制造汽车车身、船身、浴缸、储罐的过渡层。　　4、缠绕成型：　　将经过树脂胶液浸渍的连续纤维或布带按一定规律缠绕到芯模上，然后固化、脱模成为复合材料制品的工艺。碳纤维缠绕成型可充分发挥其高比强度、高比模量以及低密度的特点，可用于制造圆柱体、球体及某些正曲率回转体或筒形碳纤维制品。　　5、拉挤成型：　　将浸渍树脂胶液的连续碳纤维丝束、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的型材。拉挤成型是复合材料成型工艺中的一种特殊工艺，其优点是生产过程可完全实现自动化控制，生产效率高。拉挤成型制品中纤维质量分数可高达80%，浸胶在张力下进行，能充分发挥增强材料的作用，产品强度高，其制成品纵、横向强度可任意调整，可以满足制品的不同力学性能要求。该工艺适合于生产各种截面形状的型材，如工字型、角型、槽型、异型截面管材以及上述截面构成的组合截面型材。　　6、液态成型：　　将液态单体合成为高分子聚合物，再从聚合物固化反应为复合材料的过程改为直接在模具中同时一次完成，既减少了工艺过程中的能量消耗，又缩短了模塑周期（只需约2分钟便可完成一件制品）。但这种工艺的应用，必须以精确的管道输送和计量以及温度压力自动控制为基础，属于高分子材料和近代高新科学技术的交叉范畴，目前的应用还不是很广。

　　业内有一句流行的话：从原材料到碳纤维，价格从1变到3，从碳纤维到复合材料产品，价格可从3变到10。这句话虽然并不十分准确，但是也在某种程度上说明了决定碳纤维复合材料产品价格的远远不止原材料。从1到10，这其中还有相当复杂的附加值，这些附加值到底包含了哪些因素？　　因素一：碳纤维原丝价格　　国内外在碳纤维原丝生产技术和生产成本上差距很大，国内较大的碳纤维原丝生产企业包括：上海石化公司腈纶事业部、中复神鹰碳纤维有限公司、吉林市碳纤维高新技术产业化基地、哈尔滨天顺化工科技开发有限公司、中国石油天然气集团公司等。除了中复神鹰刚刚实现了T800级别碳纤维原丝的量产化外，国内的碳纤维原丝生产仍以T700，甚至是T300为主，而日本早在2014年就已经成功研制出T1100级别的高强高模量碳纤维。　　经过多年的奋力赶超，虽然国内的企业能够将T700级碳纤维成本控制在每公斤200元以内，但是仍然高于美国、日本等发达国家同类产品的生产成本，而且在产品质量的稳定性和产能方面还需进一步提高。因此，比较成熟的碳纤维复合材料生产企业更趋向于使用进口碳纤维原丝或者预浸料，威盛新材一般使用由台湾台塑、日本东丽等碳纤维老牌企业出产的原丝制作出来的预浸料，在保证质量稳定的同时尽量控制成本。　　因素二：碳纤维复合材料基体价格　　碳纤维作为一种纤维状的碳素材料，含碳量在95％以上，通常与树脂、金属、陶瓷等基体结合作为复合材料使用，从目前看，应用最多的就是树脂基碳纤维复合材料。其中，碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的，在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域都颇具优势。因此，除了碳纤维之外，这个基体树脂的价格也是成本的必要组成部分。另外，基于一些碳纤维复合材料需要应用于高温或者其它特定环境中，还需对基体的化学成分进行相应的改性，例如在碳纤维表面涂覆一层能够有效保护碳纤维阻隔其氧化的涂层，就可以使碳纤维复合材料产品能长期应用于高温环境下。但是这种改性存在一定的技术难度，并且需要配合大量的实验，因此，除了主要的基体之外，改性的方案以及添加的材料也是碳纤维产品成本不可或缺的一部分。　　因素三：碳纤维产品的加工成本　　碳纤维产品的加工成本包括很多因素。首先，要根据产品的具体要求选择相应的成型方式，其成本与加工周期是由产品的复杂程度和特定的性能要求决定的。手糊、缠绕、层压、模压或是真空导流，不同成型工艺在设备投资、技术要求、成型周期以及产出效率等方面差别很大。以威盛新材的一款工字型高铁预埋件为例，根据这款零部件的设计以及大规模批量生产的要求，威盛新材选择使用模压工艺。该工艺必须涉及模具的使用，而模具的设计和铸造费用是与产品数量相关联的，产品数量越多，模具成本分摊到单个产品上的成本费用越低。　　其次，成型后的产品在后加工方面也存在着成本差异。制孔、打磨、喷漆，每一个环节都涉及设备、技术、原材料以及人工成本，产品的精度要求往往决定了成本投入的高低。　　上述分析在一定层面上解释了碳纤维复合材料产品的价格组成以及成本决定要素。目前市场上普遍认为，碳纤维复合材料产品价格昂贵，但是对于应用市场来说，应通过强调碳纤维复合材料产品的高性能，来比较其成本优势。如汽车用碳纤维复合材料，不光要计算其零部件本身的成本，更要计算使用碳纤维材料给节能减排和绿色环保等社会持久发展方面带来的综合效益。这也是高性能复合材料区别于传统或常规复合材料的价值所在。因此，对碳纤维复合材料产品的价格评估决不能局限于单个产品的绝对成本，而是应该在更大的市场体系上来完成。