碳纖維復合材料是我國“十三五”規劃中重點發展的一種新興材料產業，在民用和國防領域具有十分廣泛的應用，是我國經濟和科技發展中不可替代的重要戰略物資。碳纖維復合材料的生產技術不僅影響著復合材料的質量，還直接影響著生產成本，因此備受矚目。

基于行業發展需求，國家知識產權局zhuanli分析普及推廣項目碳纖維復合材料課題組從樹脂原料、RTM生產工藝的碳纖維復合材料制造流程出發，對碳纖維復合材料生產技術進行了深度剖析。

PART1 熱塑性樹脂原料

熱塑性樹脂基碳纖維復合材料最常見的樹脂基體是以下七大熱塑性樹脂：聚酰胺、聚碳酸酯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酰亞胺、聚醚酮酮。截止2015年8月，涉及該七類熱塑性樹脂基碳纖維復合材料的全球zhuanli申請共7186項，從下圖1可以看出：聚酰胺、聚碳酸酯和聚丙烯基的碳纖維復合材料的zhuanli申請量最大。

在七類熱塑性樹脂基碳纖維復合材料中聚酰胺基碳纖維復合材料的zhuanli申請量最大，且zhuanli申請起始于20世紀80年代，也是最早被關注的熱塑性樹脂基碳纖維復合材料之一，在所有聚酰胺基碳纖維復合材料的zhuanli申請中關注碳纖維和樹脂基體界面結合性的zhuanli申請有1096項。下圖2是中外申請人在聚酰胺基碳纖維復合材料界面粘合性方面的全球zhuanli申請功效圖，顯示中國申請人關注樹脂基體改性手段較少，中外申請人均關注通過添加劑改進的技術手段來改善碳纖維復合材料的力學性能、穩定性、韌性和耐磨性。

1、外國申請為申請人為外國的zhuanli申請，中國申請為申請人為中國的zhuanli申請。

2、纖維表面改性指對碳纖維表面的任何改性，包括上漿劑涂覆、纖維表面氧化刻蝕等。

3、樹脂基體改進指對聚酰胺樹脂的改性，包括接枝改性、物理性能改進等。

4、添加劑改進指形成復合材料的組合物中除碳纖維和聚酰胺樹脂外的其它添加物質。

5、工藝改進指組合物形成復合材料的工藝方面的改進。

下圖3是中外申請人使用添加劑改進聚酰氨基碳纖維復合材料性能的國內申請情況，國內申請人涉及通過添加劑改進改善聚酰胺基碳纖維復合材料力學性能的zhuanli申請共115件。國外申請人涉及通過添加劑改進改善聚酰胺基碳纖維復合材料力學性能的zhuanli申請共27件。國內申請使用最多的添加物質是抗氧化劑，其次是潤滑劑，而為了解決因添加碳纖維后復合材料的韌性低問題，國內申請比較多的使用增韌劑和相容劑，也就是說國內申請人通常把這兩種添加劑同時使用。而通常用彈性體來增韌聚酰胺基碳纖維復合材料的方法中需要解決彈性體分散相與聚酰胺基體的界面相容性和分散，解決這一問題的有效手段之一是將彈性體與馬來酸酐(MAH)等含極性官能團的化合物進行熔融接枝，例如中國zhuanliCN101139462 A和CN102863776A公開了在聚酰胺基體中采用添加馬來酸酐接枝物，如：EPDM、POE、SBS、SEBS中的一種或者幾種與SEBS接枝馬來酸酐的改性方法，該方法取得了很好的增韌效果。國內申請通常使用的增韌劑和相容劑即為馬來酸酐接枝物。國外申請人使用最多的添加物質是其它無機填料，27件zhuanli申請中添加其它無機填料的有12件，其次添加其它樹脂的zhuanli申請有7件。

PART2 RTM成型工藝

樹脂傳遞模塑（RTM）是近幾十年發展起來的復合材料成型工藝之一，具有成本低、效率高、質量好等優點。下圖4顯示RTM工藝全球zhuanli申請技術構成情況，以增強體和模具創新為技術重點，其次是樹脂體系和復合材料結構設計的改進。

對RTM工藝的577件全球申請的技術方案進行分析，得到圖5（ RTM領域全球zhuanli申請技術功效分析）。圖5顯示，提高機械性能、降低成本、實現輕量化、縮短生產時間和充分浸漬是目前行業較為關注的技術效果。其中提高機械性能的手段主要有增強體纖維材料的改進、樹脂組合物組分的選擇和配伍、模具的改良和復合材料結構設計四個方面。降低成本主要通過對模具的改進，例如減少部件數量、增加一體化程度等。使用不同維度、軸向、結構以及表面改性的碳纖維等纖維增強體材料是實現輕量化的最重要手段。充分浸漬和縮短生產時間的主要手段為增強體、樹脂體系、模具和注入條件。另外，生產時間由鋪設時間、注入時間、浸漬時間、固化時間、脫模時間等一系列時間構成，影響各個組成的因素進而影響生產時間的長短。縮短固化時間和增加纖維體積含量的相關zhuanli較少，這可能是因為上述兩個領域的研究起步較晚或者難度較大造成的。隨著汽車和航空航天領域的發展，提高機械性能、實現輕量化以及降低成本仍然是行業熱點。其中縮短固化時間以達到降低成本的目的是目前汽車領域最為關注的焦點之一。從功效圖可以看出，樹脂體系是縮短固化時間的主要因素和手段。

圖6是RTM領域全球主要研發團隊所屬企業及活躍度，圖中顯示LA FOREST MARK L，MURDIE NEIL，SIMPSON ALLEN H團隊屬于霍尼韋爾（美國），申請延續時間從2000年到2012年，研發領域主要涉及增強體、模具和樹脂體系等，其中以LA FOREST MARK L最為活躍。以LA FOREST MARK L為主的研發團隊主要致力于碳碳復合材料領域的研究，包括預制件的剛性化、致密化、低粘度樹脂的浸漬等方法和致密化設備等，2008年左右申請了關于玻璃纖維和金屬的高溫焊接技術的zhuanli，2011開始研究碳碳復合材料的致密化和剛性化，2011年申請了低粘度樹脂滲透碳碳復合材料的zhuanli，2013年申請了包括陶瓷微粒的復合材料及方法，2014年申請了通過使用稠合的多核芳香烴樹脂使碳碳復合材料致密化的發明zhuanli。GERARD PIERRE，GLOTIN MICHEL團隊屬于阿科瑪法國公司，申請時間從2011-2013年，應屬于較年輕的團隊，處于活躍期，研發領域主要為樹脂體系和增強體。以GERARD PIERRE為主的研發小組目前活躍在對樹脂體系的研發，2011年之前的研究領域包括基于丙烯酸類/甲基丙烯酸類嵌段共聚物的UV能固化的封閉劑組合物、光電模塊、電能發配系統等，2011年（優先權日）申請了熱塑性樹脂和纖維材料通過原位聚合獲得復合材料的zhuanli，2011年開始研究使用包含甲基丙烯酸或丙烯酸化合物的粘性液體浸漬碳纖維基底的方法，用于增強用復合材料領域，也涉獵聚合物過濾膜的添加劑領域（阿克瑪與其他公司聯合申請）。劉剛，益小蘇團隊來自中國航空工業集團公司北京航空材料研究院，申請時間主要從2011-2013年，也是目前較活躍的團隊，研發領域主要為樹脂體系和增強體。

（國家知識產權局zhuanli分析普及推廣項目碳纖維復合材料課題組）