碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）憑借輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕等特性，在航空航天、汽車制造及能源領(lǐng)域占據(jù)重要地位。傳統(tǒng)制造工藝依賴模具成型與長時間熱固化，存在能耗高、周期長、結(jié)構(gòu)受限等瓶頸。近年來，光熱轉(zhuǎn)換原位固化技術(shù)通過局部能量輸入實(shí)現(xiàn)快速固化，為復(fù)合材料制造提供了革新路徑。本文結(jié)合光熱轉(zhuǎn)換機(jī)制與固化動力學(xué)模型，系統(tǒng)探討該技術(shù)的工藝特性及材料性能，為高性能復(fù)合材料的低成本、高柔性制造提供理論依據(jù)。

光熱轉(zhuǎn)換原位固化機(jī)理

光熱轉(zhuǎn)換機(jī)制

碳纖維作為核心增強(qiáng)體，其光熱轉(zhuǎn)換特性是原位固化的關(guān)鍵。當(dāng)特定波長光源（如450nm藍(lán)光）照射時，碳纖維通過光子吸收與晶格振動將光能轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)局部快速升溫。研究顯示，含15vol%間斷碳纖維的復(fù)合材料在4.5W激光作用下，可在100-200ms內(nèi)升溫至220-240°C，觸發(fā)樹脂固化。這一過程無需外部加熱裝置，顯著降低能耗。

樹脂體系與固化動力學(xué)

采用雙環(huán)戊二烯（DCPD）基熱固性樹脂，通過開環(huán)易位聚合（ROMP）引入Grubbs催化劑與亞磷酸三丁酯（TBP）抑制劑，調(diào)控樹脂粘度與固化反應(yīng)速率。固化動力學(xué)模型表明，反應(yīng)速率常數(shù)與溫度呈指數(shù)關(guān)系，遵循Arrhenius定律。通過優(yōu)化激光功率密度與掃描速度，可實(shí)現(xiàn)樹脂從液態(tài)到固態(tài)的秒級相變，避免傳統(tǒng)烘箱固化所需的數(shù)小時處理。

多物理場耦合效應(yīng)

固化過程涉及熱傳導(dǎo)、質(zhì)量遷移與化學(xué)反應(yīng)的多場耦合。碳纖維的高導(dǎo)熱性使熱量快速擴(kuò)散至周圍樹脂，形成均勻溫度場。同時，樹脂的剪切變稀行為與纖維取向協(xié)同作用，減少孔隙生成。實(shí)驗表明，優(yōu)化后的工藝可將孔隙率控制在1.5vol%以下，接近傳統(tǒng)工藝水平。

性能研究與表征

力學(xué)性能

光熱固化復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)特性。短切碳纖維增強(qiáng)試樣的彎曲模量達(dá)8GPa，強(qiáng)度達(dá)100MPa，與烘箱固化樣品相當(dāng)；連續(xù)碳纖維復(fù)合材料（體積分?jǐn)?shù)70.8%）的拉伸模量與強(qiáng)度分別達(dá)106.7GPa和1.48GPa，接近傳統(tǒng)澆鑄工藝。納米壓痕試驗顯示，光熱固化材料的彈性模量較傳統(tǒng)工藝提升15%-20%，表明基體承載能力增強(qiáng)。

熱穩(wěn)定性與耐候性

通過氧乙炔燒蝕試驗，光熱固化樣品在1958-2060℃高溫下仍保持結(jié)構(gòu)完整性，質(zhì)量消融率低至0.0055g/s。X射線衍射（XRD）分析表明，高溫石墨化處理后，材料晶體結(jié)構(gòu)重構(gòu)，晶格間距減小，熱導(dǎo)率提升至5.321W/(m·K)。此外，濕熱環(huán)境測試顯示，水分滲入導(dǎo)致的基體老化現(xiàn)象顯著減少，界面結(jié)合強(qiáng)度提升30%以上。

微觀結(jié)構(gòu)與缺陷控制

掃描電子顯微鏡（SEM）與X射線探傷（CT）技術(shù)揭示，光熱固化工藝可實(shí)現(xiàn)纖維三維取向分布，懸空梁結(jié)構(gòu)的高縱橫比達(dá)750:1。透射電子顯微鏡（TEM）觀察發(fā)現(xiàn)，碳納米管（CNT）與石墨烯（GN）的雜化結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)化基體晶粒，PyC結(jié)晶尺寸降低至傳統(tǒng)工藝的60%，顯著提升材料均勻性。

光熱轉(zhuǎn)換原位固化技術(shù)通過熱響應(yīng)樹脂與碳纖維的協(xié)同作用，解決了傳統(tǒng)工藝中模具依賴、固化緩慢、結(jié)構(gòu)受限等核心問題。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)高纖維體積分?jǐn)?shù)（≤70vol%）、低孔隙率（≤1.5vol%）的復(fù)合材料制備，能耗降低4個數(shù)量級，制造時間從數(shù)周縮短至數(shù)小時。未來，拓展樹脂體系與熱源類型（如LED、微波），結(jié)合多材料3D打印技術(shù)，有望推動航空航天部件快速制造、能源設(shè)施現(xiàn)場修復(fù)等領(lǐng)域的技術(shù)革新。

本研究為復(fù)合材料領(lǐng)域提供了低成本、高柔性的制造方案，其工藝特性與性能優(yōu)勢表明，光熱轉(zhuǎn)換原位固化技術(shù)將成為下一代復(fù)合材料加工的重要方向。