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北化賈曉龍/楊小平團隊、南昆大王浩團隊 Compos. Part B 專刊特邀綜述：電磁技術在碳纖維及其復合材料制造中的應用

2025-02-21 來源：高分子科技

在全球能源緊缺和環境壓力不斷加劇的背景下，低碳排放與可持續發展已成為材料工業亟待解決的重要課題。碳纖維增強復合材料（CFRP）憑借其輕質、高強等優異性能，正廣泛應用于航空航天、汽車制造、基礎設施建設以及可再生能源等領域。然而，傳統的熱依賴型制造與回收工藝存在的高能耗、高排放問題，已成為制約其可持續發展的瓶頸。

北京化工大學先進復合材料研究中心依托于“有機無機復合材料國家重點實驗室”、“國家碳纖維工程技術研究中心”、“碳纖維及特種高分子教育部重點實驗室”和“北京市新型高分子材料制備與成型加工重點實驗室”等國家級、省部級研發平臺，是我國樹脂基復合材料科學與工程研究領域重要的研究力量之一。近年來，團隊賈曉龍教授/楊小平教授一直致力于電磁技術在碳纖維及其復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，該團隊與澳大利亞南昆士蘭大學王浩教授合作，受邀在復合材料領域知名期刊Compos. Part B的Future Composites -50 Year專刊上發表了題為“Electromagnetic techniques in carbon fibre and carbon fibre composites manufacturing: A review”的綜述性論文。從碳纖維制造、界面構建、固化成型和綠色回收等方面，系統解析了電磁驅動技術在CFRP全生命周期中的革新應用，提出了“節能-增效-循環” 一體化的解決方案，為未來碳纖維復合材料領域的相關研究提供了新思路。第一作者為北京化工大學博士生朱家寶與博士后黎何豐，通訊作者為北京化工大學賈曉龍教授、合肥工業大學還獻華講師及澳大利亞南昆士蘭大學王浩教授，北京化工大學為第一完成單位。

圖1 電磁驅動技術在CFRP的全產業鏈中的應用

碳纖維生成制造：傳統依靠熱傳導的碳化工藝存在溫度分布不均、加熱效率低、能耗高等問題，導致生產成本居高不下。為此，電弧加熱和電磁感應加熱等新型加熱技術因其均熱高效、節能降耗的優勢，正逐漸成為未來碳纖維生產的重要替代方案。直流焦耳加熱利用電流直接在碳前驅體內部產生局部高溫，實現快速升溫、精準控溫和電遷移效應，從而重組碳結構，顯著提高了纖維的強度和模量；而微波碳化則通過分子級能量轉換實現三維均勻加熱，不僅提高了石墨化程度和力學性能，還大幅降低了能耗和碳排放。這些電磁驅動加熱技術為碳纖維生產提供了高效、節能、低碳的新途徑，助力產業實現綠色轉型升級。

圖2 以微波加熱為代表的電磁驅動碳纖維制造技術

復合材料界面構建：傳統改性方法難以克服碳纖維表層低反應性的問題。電磁驅動技術通過陽極氧化在直流電場作用下高效生成羧基、羥基等官能團，及電泳沉積技術將氧化石墨烯、碳納米管、MXene和金屬有機框架等納米材料精準沉積于纖維表面，構建多級界面結構；此外，微波活化技術利用體積加熱與局部高溫效應，實現纖維表面快速均勻活化，極大改善了界面粘結力和機械性能。這些方法不僅高效節能、環保，還具備在線roll-to-roll大規模生產的潛力。

圖3 以微波輻照為代表的電磁驅動界面構建技術

復合材料固化成型：傳統固化方法依賴烘箱和模具逐層傳熱，存在能耗高、固化不均及內部應力集中的弊端。相比之下，電磁驅動固化技術采用非接觸式加熱：焦耳加熱利用碳纖維高導電性實現快速均熱；感應加熱通過優化設計的電磁線圈產生均勻渦流，實現精準控溫；微波固化則利用915 MHz或2.45 GHz電磁波，綜合發揮樹脂介電損耗與碳纖維導電損耗，實現大件與復雜結構的體積加熱，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動CFRP固化成型技術

碳纖維回收再利用：傳統的填埋、焚燒和機械回收方法不僅環境污染嚴重，還難以保證回收纖維的高強性能。電磁驅動技術，尤其是微波熱解技術，通過利用碳纖維的微波響應性實現內部體積加熱，“天線效應”使纖維迅速升溫，并借助火花輝光放電等機制促使樹脂裂解，從而高效分離出表面完好、強度保留較高的再生纖維。進一步結合催化劑（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回收技術可在溫和條件下實現定向轉化與高效回收，極大提升了纖維的再生價值。同時，利用脈沖電流或高壓靜電場等技術也能迅速實現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動CFRP綠色回收技術

未來展望：盡管電磁場與材料的微觀相互作用機制仍待深入研究，該技術已展現出顯著的工業化潛力，從“卷對卷”連續生產到工程級快速制造，正推動CFRP向低碳化、智能化邁進。未來，隨著電磁–材料交互機制的深入解析與工藝優化，電磁驅動技術將重塑復合材料產業生態，為新能源與信息技術等領域提供高性能、可持續的材料解決方案，引領生產模式的革命性變革。

本工作受到北京自然科學基金（No. L248001, No. 2242052）、2022-2024有機無機復合材料國家重點實驗室開放課題（Oic-202201007, Oic-202301003, Oic-2024020002）、澳大利亞研究委員會（ARC）發現項目（DPDP230103008）、中央高校基本科研業務費（JZ2023HGQA0110, JZ2024HGTA0169）、國家自然科學基金（52403089）、安徽省自然科學基金（2408085QE179）等項目資助。

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

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（責任編輯：xu）

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