碳纖維增強復合材料概述

1、碳纖維增強復合材料概述摘要：本文對碳纖維增強復合材料進行了介紹，詳細介紹了其優(yōu)點和應用。并對碳纖維復合材料存在的問題提出建議。關鍵字：碳纖維，復合材料，應用Abstract:Inthispaper,thecarbonfiberreinforcedcompositematerialsareintroduced,itsadvantagesandapplicationwasintroducedindetail.AndputsforwardSuggestionsontheproblemsexistinginthecarbonfibercompositematerials.Keywords:carbon

2、fiber,compositematerials,applications1 .碳纖維增強復合材料介紹復合材料是將兩種或兩種以上不同品質的材料通過專門的成型工藝和制造方法復合而成的一種高性能新材料，按使用要求可分為結構復合材料和功能復合材料，到目前為止，主要的發(fā)展方向是結構復合材料，但現在也正在發(fā)展集結構和功能一體化的復合材料。通常將組成復合材料的材料或原材料稱之為組分材料(constituentmaterials),它們可以是金屬陶瓷或高聚物材料。對結構復合材料而言，組分材料包括基體和增強體，基體是復合材料中的連續(xù)相，其作用是將增強體固結在一起并在增強體之間傳遞載荷；增強體是復合材料中承載的

3、主體，包括纖維、顆粒、晶須或片狀物等的增強體，其中纖維可分為連續(xù)纖維、長纖維和短切纖維，按纖維材料又可分為金屬纖維、陶瓷纖維和聚合物纖維，而目前用得最多的和最重要的是碳纖維1。碳纖維是一種直徑極細的連續(xù)細絲材料，直徑范圍在68m內，是近幾十年發(fā)展起來的一種新型材料。目前用在復合材料中的碳纖維主要有兩大類：聚丙烯月青基碳纖維和瀝青基碳纖維，分別用聚丙烯月青原絲(稱之為前驅體)、瀝青原絲通過專門而又復雜的碳化工藝制備而得。通過碳化工藝，使纖維中的氫、氧等元素得以排出，成為一種接近純碳的材料，含碳量一般都在90%以上，而本身質量卻大為減輕；由于碳化過程中對纖維進行了沿軸向的預拉伸處理，使得分子沿軸向

4、進行取向排列，因而碳纖維軸向拉伸強度大大提高，成為一種輕質、高強度、高模量、化學性能穩(wěn)定的高性能纖維材料。用碳纖維和高性能的樹脂基體復合而成的先進樹脂基復合材料是目前用得最多，也是最重要的一種結構復合材料。止匕外，用天然纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維作增強體的樹脂基復合材料也在快速發(fā)展。碳纖維增強復合材料（CFRP）是目前最先進的復合材料之一。它可以兼顧碳纖維和基體的性能而成為綜合性能更為優(yōu)異的工程結構材料和具有特殊性能的功能材料。它以其輕質高強、耐高溫、抗腐蝕、熱力學性能優(yōu)良等特點廣泛用作結構材料及耐高溫抗燒蝕材料，是其它纖維增強復合材料所無法比擬的。碳纖維復合材料因其較高的比強度、比模量在國外

5、先進戰(zhàn)略、戰(zhàn)術固體火箭發(fā)動機方面應用較多，如美國的戰(zhàn)略導彈侏儒三級發(fā)動機殼體，三叉戟一、二、三級發(fā)動機殼體的復合材料裙，民兵系列發(fā)動機的噴管擴張段，部分固體發(fā)動機及高速戰(zhàn)術導彈美國的THAAD、ERINT等。目前，CFRC在人造衛(wèi)星及高性能飛機等航空航天材料中得到了相當廣泛的應用，除軍用外，開發(fā)纖維復合材料的其它應用也大有作為，如飛機及高速列車剎車系統(tǒng)、民用飛機及汽車復合材料結構件、高性能碳纖維軸承、風力發(fā)電機大型葉片、體育運動器材（如滑雪板、球拍、漁桿）等。隨著碳纖維生產規(guī)模的擴大和生產成本的逐步下降，在增強混凝土、新型取暖裝置、新型電極材料乃至日常生活用品中的應用也必將迅速擴大。我國為配合

6、北京奧運會，擬大力開發(fā)新型CFRP建材及CFRP的研究和開發(fā)應用已成為一項涉及多項學科領域的系統(tǒng)工程，而CFRP的發(fā)展狀況則成為一個國家材料科學乃至整個科學技術發(fā)展水平的重要標志之一。2 .碳纖維復合材料的優(yōu)點2碳纖維復合材料與金屬材料或其他工程材料相比，具有以下許多優(yōu)良的性能：1）比強度和比模量高高強度碳纖維-環(huán)氧基復合材料（單向）的比強度是鋼SAE1010（冷軋）的近20倍，是鋁6061-T6的近10倍；其比模量則超過這些鋼和鋁材的3倍。這些特性使CFRP材料的利用效率大為提高，實際證明用CFRP代替鋼或鋁可減輕重量達20%40%,因而在許多工業(yè)領域特別是在航空航天領域得到廣泛的應用。業(yè)內

7、專家指出，飛機自重每減少1kg,相當于五百萬美元的累積經濟效益，由此可以看出復合材料在航空航天領域內的重要地位。不僅如此，其他如汽車、海運、交通等與運行速度要求有關的部門都會因采用復合材料而大為受益。2）材料性能的可剪裁性（tailorability）大多數CFRP可通過設計增強纖維的取向及用量來對結構材料的性能實行剪裁，達到性能最佳化。例如，可把復合材料設計成在主受力方向上有足夠的纖維取向來承受載荷，其他方向有適當的纖維來承受剪切載荷或其他載荷，而這種多纖維取向結構的成型又可通過不同的成型技術來完成。復合材料的這種性能可剪裁性，不僅可提高材料的使用效率，而且有助于從材料到結構的設計和制造實行

8、一體化，既簡化了制造程序，又降低了制造成本。3）成型工藝的多選擇性復合材料技術經過幾十年的發(fā)展，到現在有數十種不同的成型工藝可供選擇，如熱壓罐、模壓、纖維纏繞、樹脂傳遞模塑（RTM）、拉擠、注射、噴塑、搓管以及大型復雜部件的共固化整體成型技術等，實際應用時可根據構件的性能、材料種類、產量規(guī)模和成本等因素選擇最適合的成型方案。4）良好的耐疲勞性能層壓的CFRP對疲勞裂紋擴張有“抑制”作用，這是因為當裂紋由表面向內層擴展時，到達某一纖維取向的層面時，會使裂紋擴展在該層面內呈現斷裂發(fā)散，這種特性使得CFRP的疲勞強度大為提高。研究表明鋼和鋁的疲勞強度是靜力強度的50%,而CFRP可達90%。5）良好

9、的抗腐蝕性由于CFRP的表面是一層高性能的環(huán)氧樹脂或其他樹脂塑料，因而具有良好的耐酸、耐堿及耐其他化學腐蝕性介質的性能。這種優(yōu)點使CFRP在未來的電動汽車或其他有抗腐蝕要求的領域上應用具有很強的競爭力。.碳纖維增強復合材料的應用固體火箭發(fā)動機應用方面碳纖維復合材料制造的殼體具有強度高、剛度大、尺寸穩(wěn)定等特點，因此,碳纖維復合材料可用于新型陸基機動固體洲際導彈一二、三級發(fā)動機殼體、新一代中程地地戰(zhàn)術導彈發(fā)動機殼體3。如美國侏儒小型地對地洲際彈道導彈三級發(fā)動機燃燒殼體由IM-7碳纖維/HBRF-55A環(huán)氧樹脂纏繞制作,殼體容器特性系數三叉戟（D5）第一、二級固體發(fā)動機殼體采用碳/環(huán)氧制作,其性能較

10、凱芙拉/環(huán)氧提高30%。愛國者導彈及其改進型，具發(fā)動機殼體開始采用D6AC鋼，到PAC-3導彈發(fā)動機上已經采用了T800纖維/環(huán)氧復合材料。止匕外，由美國陸軍負責開發(fā)的一種新型超高速導彈系統(tǒng)中的小型動能導彈（CKEM）,其殼體采用了T1000碳纖維/環(huán)氧復合材料，使發(fā)動機的質量比達到0.82。碳/酚醛復合材料是目前樹脂基擴張段、收斂段最常用的防熱材料。如國外應用碳/酚醛材料作為噴管防熱構件的型號有：MX系列、三叉戟、三叉戟第一和二級發(fā)動機的噴管擴張段和防熱環(huán)、侏儒導彈第一和二級發(fā)動機噴管的擴張段和防熱環(huán)、侏儒導彈第三級發(fā)動機噴管的防熱環(huán)等，俄羅斯的白楊-M戰(zhàn)略導彈的第一、二級固體發(fā)動機噴管擴張

11、段也采用碳/酚醛材料作為防熱材料。碳/聚芳基乙烘復合材料，美國在軍用航天項目的支持下，已進行了多次固體火箭發(fā)動機耐燒蝕材料應用試驗，性能優(yōu)異。九五期間，本所與華東理工大學合作，開展了碳/聚芳基乙烘樹脂復合材料在固體火箭發(fā)動機防熱材料方面的應用研究，取得了較大進展?？臻g技術應用方面從二十世紀六十年代末開始，航天領域中以S玻纖和Kevlar-49纖維復合的金屬內襯輕質壓力容器逐漸取代傳統(tǒng)的全金屬壓力容器。美國在1975年開始了輕質復合材料氣瓶及儲箱研制，采用S-玻纖/環(huán)氧、Kevlar/環(huán)氧纏繞復合材料。隨著碳纖維52纖維復合材料2004年性能提高及成本大幅度下降，碳纖維與低成本鋁內襯制造技術相結

12、合，使得費用低、質量輕、性能高、可靠性好的高壓容器的生產成為現實40目前空間用復合材料基體主要采用環(huán)氧樹脂；由于碳纖維的密度、耐熱性、剛性等方面的優(yōu)勢，增強纖維以碳纖維為主。碳纖維復合材料在空間技術上的應用，國內也有成功范例，如我國的第一顆實用通信衛(wèi)星應用了碳纖維/環(huán)氧復合材料拋物面天線系統(tǒng)；第一顆太陽同步軌道風云一號氣象衛(wèi)星采用了多折迭式碳纖維復合材料剛性太陽電池陣結構等。.碳纖維復合材料存在的問題及建議我國的碳纖維樹脂基復合材料研制起步于20世紀60年代末，至今已有40多年的發(fā)展歷程，在產品開發(fā)、制造加工、產品應用及人才培養(yǎng)等方面都取得了很大進步，但是同先進國家相比仍有很大差距，尤其近年來

13、，由于西方國家的快速發(fā)展，這種差距還有加大的趨勢。目前我國碳纖維的品種、質量和產業(yè)規(guī)模遠不能滿足國內復合材料快速發(fā)展的要求，仍然是制約我國碳纖維復合材料發(fā)展的瓶頸，這主要表現在：1）產品質量不完全過關，缺陷多，性能分散性大；2）產品規(guī)格和品種少；3）由于性能和質量上的問題以及生產成本高，制約了生產規(guī)模的擴大。從技術上看，造成上述問題的主要原因是基礎研究工作薄弱，造成生產碳纖維的pan基原絲質量不高。因此，以提高原絲質量為目標，應加強科學基礎及工程化研究，強化國內碳纖維研究生產的自主創(chuàng)新能力，建立高效的產業(yè)創(chuàng)新體系，堅持原始創(chuàng)新與引進消化吸收并舉，突破瓶頸，改變我國碳纖維落后局面。在管理體制上也

14、存在如下一些問題：1）碳纖維是多學科和多技術集成的高新技術產品，國家在項目組織、管理、實施和政策扶持等上應起主導作用，但多年來這種局面尚未形成，國家總體上的規(guī)劃和領導以及集中調控作用不夠，基礎研究、技術攻關、中試生產、工業(yè)化生產和應用開發(fā)之間缺乏有機聯系，因而無論從規(guī)模和質量上，與國外水平的差距越拉越大。2）國內碳纖維多元化研發(fā)的格局尚未建立。從碳纖維產業(yè)的源頭到最終產品，真正擁有完整研發(fā)與生產過程的單位不多，技術水平同國外相比差距較大。潛心研究碳纖維產業(yè)發(fā)展的氣氛不夠濃厚，民營企業(yè)中拿來主義現象較為明顯，急于求成、急功近利的思想十分嚴重。3）以應用牽頭，帶動碳纖維產業(yè)發(fā)展的體制未健全，以往國

15、內航空航天高端產品應用主要依賴進口，而國產碳纖維得不到應用，因此也就得不到改進和提高的機會4）企業(yè)之間產、學、研交流相當欠缺。碳纖維產業(yè)的發(fā)展不僅需要產、學、研相結合，而且更需要產、學、研、用有機地相結合，但在現有體制下產、學、研、用這個有機體系尚未真正建立，因而阻礙了國內碳纖維產業(yè)的快速發(fā)展。5）裝備技術研發(fā)滯后。有關碳纖維裝備技術研發(fā)工作長期沒有得到相應的重視。到目前為止，如大容量聚合反應器等被稱為碳纖維7大關鍵性設備只有兩種設備實現了國產化，而其余5種設備尚需進口，嚴重影響著國內碳纖維產業(yè)化的進程。6）目前國內缺乏具有工程孵化特征的研發(fā)基地?？蒲性核壳案嗟爻袚a品研發(fā)，工程研發(fā)放在企

16、業(yè)，而企業(yè)又往往缺乏強大的研發(fā)力量。因此，我國需要一個以產業(yè)化為目的、以科研院所技術力量為主導、企業(yè)積極參與的具有工程孵化功能和特征的研發(fā)基地。其實，這些問題在國內業(yè)界早有所認識，但長期沒有得到認真解決，主要原因還是在于體制和機制方面的問題5。針對碳纖維產業(yè)存在的問題，提出建議如下：1）建立以市場需求為動力的機制。國內航空航天等行業(yè)領域的高端產品應加大應用國產碳纖維的力度，及時解決在應用中發(fā)現的問題，促進高端碳纖維的發(fā)展。2）建立符合中國市場特征的自主生產的碳纖維產品規(guī)格和質量評價體系，科學論證產品和技術的質量定位，以終端復合材料的應用來評價碳纖維的質量。建立高、中、低3個層次的碳纖維產業(yè)和相

17、應的產業(yè)標準，應根據不同的應用目標建立符合中國市場的技術一生產一應用的產業(yè)鏈條，形成產一學一研一用一體化的研發(fā)體系，既有多功能的開發(fā)能力，又有小批量生產能力6o3）集中力量進行高端碳纖維的技術和質量攻關。加快碳纖維國產化進程不僅需要明確的產品市場定位、充足的資金支持、發(fā)展中市場的及時跟進，而且需要強大的社會與政府力量的支持、多元化力量的有效介入，才能有力地推動碳纖維產業(yè)化進程。4）發(fā)展高強度的碳纖維聚丙月青前驅體原絲生產技術，建立全方位質量保證體系和標準化體系，重點發(fā)展原絲原材料入廠檢驗和驗收標準、生產過程中工藝參數優(yōu)化和穩(wěn)定性控制等質量保證體系，保證批量生產質量穩(wěn)定，在此基礎上形成大規(guī)模產能

18、并建立碳纖維原材料生產的產業(yè)鏈。5）強化碳纖維生產線的全面質量控制與質量保證體系和標準化體系。特別是重點發(fā)展前驅體原絲入廠檢驗和驗收標準、碳化過程的工藝參數優(yōu)化和質量保證體系，保證批量生產的性能和質量穩(wěn)定，在此基礎上形成年產能達千t規(guī)模的高性能碳纖維生產基地。6）在參考國外碳纖維產品相關標準的同時，盡快建立健全符合中國國情的獨立自主的產品標準體系，避免碳纖維發(fā)達國家對我國碳纖維產品的限制和干擾。7）實現主要生產設備國產化，重點是大規(guī)格的反應釜、預氧化爐、碳化爐、收絲機、尾氣焚燒爐及高溫碳化爐等設備的國產化，耐高溫（學1800C）、大尺寸（學1500mmX1000mmX10mm）石墨等輔助材料的

19、國產化。針對樹脂基體的產品系列不全、性能和質量不高、產業(yè)規(guī)模較小等主要問題，提出建議：應以環(huán)氧樹脂為主，結合發(fā)展高溫型的雙馬聚酰亞胺樹脂，大力發(fā)展新型增韌的高強高溫樹脂體系，形成產品系列，擴大生產規(guī)模，與復合材料結構制造形成產業(yè)鏈，以滿足航空航天高端產品應用的需要。低成本成型技術是碳纖維復合材料產業(yè)發(fā)展的重點方向，目前我國存在的主要問題是高端的航空航天復合材料結構的低成本成型技術尚處于試驗階段，未能形成規(guī)?；a，其他應用領域特別是在航海及風電應用領域，有待于提高低成本成型技術生產的產品品種和規(guī)模。針對低成本成型技術存在的主要問題，提出建議如下：1）加快發(fā)展高效低成本的樹脂基復合材料整體化成型技術，包括樹脂傳遞成型技術（RTM）、預浸帶自動鋪放技術（ATP）、拉擠成型技術、纖維纏繞技術等，形成規(guī)模化生產能力，滿足航空、航天和民用工業(yè)需求，特別是大飛機復合材料次結構件及主結構件制造技術需求。2）重點發(fā)展集設計、材料成型和配套保障的技術體系，加快發(fā)展紡織用復合材料的液態(tài)成型技術和自動化技術（如纖維纏繞、拉擠、編織、絲束鋪放、隔膜成型、自動成套裁減、激光樣板等）；發(fā)展高效率的非熱壓罐固化技術，如微波、電子束、超聲波、X射線等新固化技術703）建立飛機復合材料設計中心和試驗評價驗證中心。跟蹤國外的先進經驗，研究和發(fā)展復合材料結構優(yōu)化設計的新概念、新方法，推進結