碳纤维增强复合材料（CFRP）凭借轻质高强、耐腐蚀等特性，在航空航天、汽车制造及能源领域占据重要地位。传统制造工艺依赖模具成型与长时间热固化，存在能耗高、周期长、结构受限等瓶颈。近年来，光热转换原位固化技术通过局部能量输入实现快速固化，为复合材料制造提供了革新路径。本文结合光热转换机制与固化动力学模型，系统探讨该技术的工艺特性及材料性能，为高性能复合材料的低成本、高柔性制造提供理论依据。
光热转换原位固化机理
光热转换机制
碳纤维作为核心增强体，其光热转换特性是原位固化的关键。当特定波长光源（如450nm蓝光）照射时，碳纤维通过光子吸收与晶格振动将光能转化为热能，实现局部快速升温。研究显示，含15vol%间断碳纤维的复合材料在4.5W激光作用下，可在100-200ms内升温至220-240°C，触发树脂固化。这一过程无需外部加热装置，显著降低能耗。
树脂体系与固化动力学
采用双环戊二烯（DCPD）基热固性树脂，通过开环易位聚合（ROMP）引入Grubbs催化剂与亚磷酸三丁酯（TBP）抑制剂，调控树脂粘度与固化反应速率。固化动力学模型表明，反应速率常数与温度呈指数关系，遵循Arrhenius定律。通过优化激光功率密度与扫描速度，可实现树脂从液态到固态的秒级相变，避免传统烘箱固化所需的数小时处理。
多物理场耦合效应
固化过程涉及热传导、质量迁移与化学反应的多场耦合。碳纤维的高导热性使热量快速扩散至周围树脂，形成均匀温度场。同时，树脂的剪切变稀行为与纤维取向协同作用，减少孔隙生成。实验表明，优化后的工艺可将孔隙率控制在1.5vol%以下，接近传统工艺水平。
性能研究与表征
力学性能
光热固化复合材料展现出优异的力学特性。短切碳纤维增强试样的弯曲模量达8GPa，强度达100MPa，与烘箱固化样品相当；连续碳纤维复合材料（体积分数70.8%）的拉伸模量与强度分别达106.7GPa和1.48GPa，接近传统浇铸工艺。纳米压痕试验显示，光热固化材料的弹性模量较传统工艺提升15%-20%，表明基体承载能力增强。
热稳定性与耐候性
通过氧乙炔烧蚀试验，光热固化样品在1958-2060℃高温下仍保持结构完整性，质量消融率低至0.0055g/s。X射线衍射（XRD）分析表明，高温石墨化处理后，材料晶体结构重构，晶格间距减小，热导率提升至5.321W/(m·K)。此外，湿热环境测试显示，水分渗入导致的基体老化现象显著减少，界面结合强度提升30%以上。
微观结构与缺陷控制
扫描电子显微镜（SEM）与X射线探伤（CT）技术揭示，光热固化工艺可实现纤维三维取向分布，悬空梁结构的高纵横比达750:1。透射电子显微镜（TEM）观察发现，碳纳米管（CNT）与石墨烯（GN）的杂化结构进一步细化基体晶粒，PyC结晶尺寸降低至传统工艺的60%，显著提升材料均匀性。
光热转换原位固化技术通过热响应树脂与碳纤维的协同作用，解决了传统工艺中模具依赖、固化缓慢、结构受限等核心问题。该技术实现高纤维体积分数（≤70vol%）、低孔隙率（≤1.5vol%）的复合材料制备，能耗降低4个数量级，制造时间从数周缩短至数小时。未来，拓展树脂体系与热源类型（如LED、微波），结合多材料3D打印技术，有望推动航空航天部件快速制造、能源设施现场修复等领域的技术革新。
本研究为复合材料领域提供了低成本、高柔性的制造方案，其工艺特性与性能优势表明，光热转换原位固化技术将成为下一代复合材料加工的重要方向。
