碳纤维因比强度高、导电性和化学稳定性好，已广泛应用于航空航天、汽车和风电等领域，但退役碳纤维废弃物快速增长，预计到2050年累计产生量将达9.83万t。现有机械、化学和热回收技术多只能得到短纤维或碳纤维毡，难以恢复连续纤维束，且表面完整性和纯度受损，造成低等级碳纤维与高端工程应用之间的鸿沟。碳纤维毡由物理搭接的短切碳纤维构成，是提升低等级碳纤维价值的潜在途径，但仍受制于纤维间结合弱、有机上浆剂和界面间隙导致导电性差、缺乏可规模化且可定制性能的制造路线。石墨烯增强、高温烧结、碳纳米管焊接式增强和高温石墨化等方案，分别存在分散复杂、能耗高、成本高、不能有效建立纤维间导电通路等问题，其中固态氧化石墨烯片还存在难以均匀包覆的问题。因此，开发可规模化、高效、稳健、能形成强界面结合并实现性能显著提升和可控制造的增强技术，成为连接低等级碳纤维材料与高价值材料体系的战略需求。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘小青研究员、赵伟伟副研究员、余文杰博士合作，提出一种卷对卷激光加工策略：利用液态前驱体在纤维—纤维界面原位形成激光诱导石墨烯，构建导电通路和机械互连。该方法将碳纤维毡的拉伸强度从4.1 MPa提升至32.2 MPa，电导率从1224.0 S/m提升至15151.5 S/m；所得薄膜可实现高效电热除冰，并在沉积铜后表现出雷击防护能力，损伤面积为9657 mm²、深度为0.4 mm，与铝网相当但重量低15%。自行搭建的激光平台使可编程、可扩展的卷对卷生产成为可能，从而将低等级碳纤维转化为面向航空航天应用的轻质功能薄膜。相关论文以“Programmable roll-to-roll laser processing for high value application of low-grade carbon fiber materials”为题，发表在Nature Communications上。

研究从液态碳前驱体PGE-a入手，其芳香骨架和噁嗪环有利于激光热解过程中石墨碳的形成，长烷基链赋予其液态；PGE-a渗入碳纤维毡后可黏性流动包覆碳纤维，并在纤维交叉处富集，预先连接碳纤维形成三维结构预制体。经CO2激光照射产生瞬时光热高温，前驱体直接转化为激光诱导石墨烯黏结剂，将独立短切碳纤维整合为三维连续碳网络。为兼顾生产效率与航空轻量化需求，研究采用选择性划线而非全幅面划线，并自行设计碳纤维激光系统，集成机器人点胶、七台CO2激光并排（最大1m静态加工宽度）和同步卷对卷间歇进给，后处理去除残留前驱体，理论产能约800 m²/月；宽度1 m的大面积样品见图1f，三点取样拉伸测试和单因素方差分析在0.05显著性水平下无统计学显著差异。形貌上，原始碳纤维毡由数毫米长、约7 μm直径的短切碳纤维松散堆叠，物理接触弱；碳化后碳纤维被LIG黏结剂包覆，相邻纤维由LIG连接，交叉处LIG富集，降低接触电阻并提供有效导电路径。与经丙酮洗去上浆剂、主要靠机械缠结的纯碳纤维毡相比，LB-CFF力学强度提高约8倍，电导率提高一个数量级，并因LIG锁定纤维而改善耐溶剂性；所得薄膜兼具电热除冰和雷击电流传导能力。

图1 激光诱导石墨烯（LIG）结合碳纤维毡薄膜的卷对卷激光加工

在确定LIG黏结剂可行后，研究系统优化了激光参数和前驱体浓度。拉曼光谱显示LIG碳化后出现2D峰；当光束尺寸为118.9 μm时ID/IG最低（0.29）、电导率最高（15151.5 S/m）；面能量剂量3.11 kJ/cm²和前驱体浓度33.3%为最优条件，面能量剂量过低会碳化不完全，过高会烧蚀碳纤维；前驱体浓度过低会覆盖不全，过高会使底层未连接。所得LIG为沿c轴随机堆叠的类石墨烯碳，LB-CFF沿纵向形成约100 μm厚三维互连结构。为进一步提高效率、柔性和降低面密度，研究比较三角形、方形和六边形LIG网格，方形网格因应力集中最小且呈各向同性而最优；方形间距从15 mm降至5 mm时，极限拉伸强度由8.7 MPa升至13.1 MPa。LB-CFF在50 ℃丙酮中浸泡3 h后结构稳定，LIG线宽仍保持1 mm，而原始CFF因上浆剂溶解而解体。按10 mm间距、1 mm线宽制备的30 cm×30 cm LB-CFF薄膜用作飞机表面防冰电加热层；再经电沉积铜得到LB-CFF/Cu，铜层约1 μm且均匀，方阻约0.02 Ω/sq，面密度66 g/m²。

图2 LIG碳化优化与性能

性能提升的根源在于LIG与碳纤维之间形成了强界面结合。 研究将1K碳纤维束切断并以5 mm搭接，滴加PGE-a后激光碳化；扫描电子显微镜显示LIG完全填充并连接纤维边界）。U-I测试中，原始碳纤维束电阻为4.5 Ω/cm，切断再接触样品升至16.7 Ω/cm，环氧结合样品因绝缘环氧阻碍电子传输升至39.8 Ω/cm，而LIG结合样品为4.7 Ω/cm，几乎与原始碳纤维相同；拉伸失败发生在黏结剂内部而非基底—黏结剂界面，说明结合牢固。性能提升源于碳纤维与LIG之间的非共价π-π相互作用和推测的共价键强界面结合。透射电子显微镜显示原始碳纤维为皮—芯结构、仅有少量无序石墨层，LIG结合后石墨烯片覆盖纤维且界面无空隙，高分辨图像可见石墨烯片与纤维及相邻石墨烯片交联形成交叉微晶。研究认为激光高温促进碳原子插入碳纤维表面结晶石墨结构并增强π-π相互作用，石墨化产生的高活性悬键间可发生Bergman环化，形成新的共价C-C连接。分子动力学模拟在2800 K下显示200 ps后纤维表面形成少层石墨烯，并观察到C-C键桥接碳纤维与LIG区域；径向分布函数表明LIG内以sp²-C为主，LIG与碳纤维层间距约3.4 Å，证实界面π-π作用，界面附近石墨化程度更高则提示碳纤维对前驱体碳化具有催化作用。

图3 LIG结合碳纤维的界面结合与机理

在电热除冰方面，研究将LB-CFF安装在碳纤维增强聚合物基板上，考察不同电压下温度—时间曲线和平衡温度、30 V热像、除冰测试示意、0.3 W/cm²除霜、0和0.2 W/cm²结霜对比、30°倾斜除冰、100次加热/冷却循环以及不同功率密度能耗，表明LB-CFF具有快速热响应、可控加热和循环稳定性。LB-CFF可在0.05 W/cm²低功率密度下有效除冰，能耗为5.3 kJ/cm²。

图4 电热除冰性能

在雷击防护方面，研究将LB-CFF/Cu用于CFRP表面，并与未保护CFRP和78 g/m²铝网对照，按SAE ARP-5412B 1A区注入峰值200 kA电流。未保护CFRP出现灾难性纤维断裂和分层，并沿纤维轴向优先扩展；LB-CFF/Cu损伤显著减轻并呈集中点损伤，C扫描损伤面积和深度为9657 mm²和0.4 mm，低于未保护CFRP的2.5×104 mm²和0.94 mm，与铝网的1×104 mm²和0.52 mm相近；LB-CFF/Cu在2A区测试损伤为4653 mm²和0.27 mm。机制在于LB-CFF/Cu高电导率可快速传导雷击电流、缩短电荷停留时间，使少量电流进入下层CFRP，碳纤维优异的热稳定性协同提升防护性能；与已报道碳基雷击防护薄膜相比具有竞争力。LB-CFF/Cu面密度66 g/m²低于铝网78 g/m²，制造能耗中等（约9.26 kWh/m²），利于规模化应用。

图5 雷击防护性能

该工作提出了一条短切低等级碳纤维高值化利用路径：通过激光功能结合技术，将涂覆于碳纤维上的液态前驱体转化为激光诱导石墨烯，作为功能黏结剂交联相邻纤维，形成三维连续碳网络；自行搭建的激光系统结合选择性碳化策略，实现了可编程、卷对卷、宽度达1 m的薄膜生产。相比原始碳纤维毡，LB-CFF力学强度提高8倍、电导率提高一个数量级，界面结构由分子间相互作用和推测的共价C-C键增强，并经微观结构和分子动力学模拟证实。所得复合膜具有快速电热响应和高效除冰能力，在0.05 W/cm²低功率密度下有效除冰，能耗为5.3 kJ/cm²；结合电沉积铜层后，轻质大面积LB-CFF/Cu杂化膜表现出可靠雷击防护性能，在200 kA峰值电流、1 A区波形下与商用铝网相当，同时面密度更低、成本降低。该策略为将短切碳纤维转化为增值功能材料提供了有前景的路线，为碳纤维毡在飞机表面电热除冰和雷击防护中的广泛应用奠定了基础。

（来源：高分子科学前沿）