碳纤维毡（CFF）由回收短切碳纤维物理搭接而成，它的高附加值应用受制于三大难题：一是纤维间相互作用弱，力学性能差；二是有机上浆剂与界面空隙导致导电性能不佳；三是缺乏可按需调控性能的规模化制备工艺。此前，研究者尝试利用氧化石墨烯、碳纳米管等改性碳纤维毡，但普遍存在工艺繁琐、成本高昂、难以连续化制备等短板。如何高效构建纤维之间强结合、高导电的界面，成为低品质碳纤维走向高附加值材料体系的关键。
中国科学院宁波材料所刘小青研究员团队长期致力于新型碳材料的制备研究（ACS Nano, 2021, 15, 19490; Adv. Mater., 2022, 2209545; Nano Energy, 2022, 100, 107477; Mater. Horiz., 2023, 10, 5597; Adv. Mater., 2024, 36, 2401920）。针对以上问题，近日，团队提出一种全新激光固结策略：利用液态有机前驱体浸润碳纤维毡，通过CO2激光将液态前驱体直接碳化，在纤维纤维接触界面原位生成激光诱导石墨烯LIG。LIG充当功能粘结相，通过ππ非共价相互作用以及CC共价键，把分散独立的短切碳纤维互相连接，构筑三维连续碳网络（LB-CFF, laser-bound carbon fiber felt），从而将廉价低等级碳纤维毡升级为高性能功能碳薄膜，并可实现飞机表面电热除冰与雷击防护。
2026年10月25日，相关成果以“Programmable roll-to-roll laser processing for high value application of low-grade carbon fiber materials”为题发表于 Nature Communications。论文第一作者为陈光孟博士，通讯作者为余文杰特聘青年研究员、赵伟伟研究员和刘小青研究员。
团队自主研发搭建了一套碳纤维激光加工平台，实现LBCFF复合薄膜的可编程连续卷对卷制备。整套流程主要包括三步：前驱体涂布、激光辅助碳化及高温后处理除去残余前驱体。该平台能够实现最大1米幅宽加工，理论月产能达约500?m2。
图1. 卷对卷激光加工制备LB-CFF
经过全幅面激光扫描加工，碳毡拉伸强度由4.1 MPa提升至32.2 MPa（增至约8倍），电导率从1224.0 S/m提升至15151.5 S/m（提升约一个数量级）。考虑到全幅激光扫描耗时较大、材料面密度较高，研究人员进一步采用选择性图案化固结方案，对比三角形、正方形、六边形LIG网格构型，证实正方形网格应力分布最均匀、力学性能最优。LB-CFF的性能还可通过调控网格间距进行调节。研究表明，LB-CFF具有优异的耐溶剂性，在50 ℃丙酮中长时间浸泡不会发生解体，而原始碳毡则会发生解体。
图2. 工艺优化及性能研究
研究人员进一步开展LB-CFF高性能功能碳薄膜在航空场景下电热除冰和雷击防护的验证。将LBCFF薄膜作为电热层复合到CFRP基材表面，材料具备快速热响应，30V电压下5s即可达到144.5℃。在15?℃低温环境下，0.05W/cm2 低功率密度时除冰能耗仅5.3J/cm2，除霜能耗低至3.8J/cm2，优于大量已报道电热除冰材料。历经100次循环，电热性能保持稳定。
图3. 电热除冰性能研究
在LB-CFF表面进一步电沉积铜层，得到LB-CFF/Cu复合膜。开展1A区（峰值200kA）雷击模拟测试：无保护CFRP发生灾难性大面积分层破坏。LB-CFF/Cu复合膜防护试样损伤面积9657mm2、损伤深度0.4mm，防护效果与商用铝网相当。相较于铜网、碳纳米管、银改性碳纳米管等材料，LBCFF/Cu具备成本优势，同时该材料面重低，制备能耗适中，具备规模化实际应用可行性。该材料有望作为轻质、高效防护方案，为飞行器提供轻量化雷击防护新选项。
图4. 雷击防护性能研究
该研究得到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、中国博士后科学基金、博士后创新人才支持计划、宁波市自然科学基金及中国科学院科研仪器设备研制项目支持。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-79120-5
