碳纖維樹脂復合包裝印刷管理知識材料

1、碳纖維樹脂復合材料：李聰 牛雨點 王雪 張?zhí)?航天應用領域航天應用領域碳纖維樹脂基的基本介紹碳纖維樹脂基的應用技術和成型方法碳纖維樹脂基在航天應用上的發(fā)展目錄目錄 碳纖維復合材料簡介 知識回顧 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主體，包括纖維、纖維、顆粒、晶須或片狀物等的增強體，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。碳纖維。 碳纖維復合

2、材料簡介 增強體-碳纖維是一種直徑極細的連續(xù)細絲材料 ，直徑范圍在 68 m 內(nèi)，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：聚丙烯腈基碳纖維聚丙烯腈基碳纖維和瀝青基碳纖維瀝青基碳纖維，分別用聚丙烯腈原絲（稱之為前驅(qū)體）、瀝青原絲通過專門而又復雜的碳化工藝制備而得 增強體-碳纖維 聚丙烯腈基碳纖維：由于高溫碳化，使纖維中的氫、氧等元素得以排出，成為一種含碳量高于90%的純碳材料，而本身質(zhì)量大為減小；而且由于碳化過程中對纖維進行沿軸向的預拉伸處理，使得碳分子沿軸向進行取向排列，大幅提高了碳纖維的軸向拉伸強度，成為一種輕質(zhì)、高強、高模量、化學性能穩(wěn)定的高性能纖維材料

3、。 增強體-碳纖維 瀝青基碳纖維的制備原理與聚丙烯腈基碳纖維的大致相同，瀝青基碳纖維還可以繼續(xù)進行石墨化處理，使碳含量超過98%，因而具有更高的彈性模量。用它制造的復合材料，具有非常高的尺寸穩(wěn)定性，例如衛(wèi)星的復合材料太陽能電池板及反射線，在太空數(shù)百攝氏度的高低溫溫差下，仍能保持尺寸基本不變。 基體是復合材料另一個主要組分材料，包括金屬基體、陶瓷基體和樹脂基體，主流是樹脂基體。目前作為輕質(zhì)高效結構材料應用的高性能樹脂基體主要有三大類，即：150 以下長期使用的環(huán)氧樹脂基體以下長期使用的環(huán)氧樹脂基體150220 長期使用的雙馬來酰亞胺樹長期使用的雙馬來酰亞胺樹 脂基體脂基體 250 以上以上使用的

4、聚酰亞胺樹脂基體使用的聚酰亞胺樹脂基體 碳纖維復合材料性能 碳纖維復合材料與金屬材料和其它工程材料相比，具有以下許多優(yōu)良的性能： （1）比強度和比模量高比強度和比模量高 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。 碳纖維復合材料性能 （2）材料性能的可剪裁性材料性能的可剪裁性（tailorability） 大多數(shù) 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。 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

5、造實行一體化，既簡化了制造程序，又降低了制造成本。 碳纖維復合材料性能 （3）成型工藝的多選擇性成型工藝的多選擇性 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(jù)構件的性能、材料種類、產(chǎn)量規(guī)模和成本等因素選擇最適合的成型方案。 碳纖維復合材料性能 （4）良好的耐疲勞性能良好的耐疲勞性能 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(nèi)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(nèi)呈現(xiàn)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50%，

6、而 CFRP 可達 90%。 碳纖維復合材料性能 （5）良好的抗腐蝕性良好的抗腐蝕性 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(zhì)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。 碳纖維復合材料碳纖維復合材料在航空工業(yè)中的在航空工業(yè)中的 應用應用技術和成型方法技術和成型方法 環(huán)氧基體用量最多，具有綜合性能優(yōu)異、工藝性好、價格低等諸多優(yōu)點，具有良好的黏結性，耐熱性，耐化學藥品腐蝕性，高強度和加工方便。在馬赫數(shù)小于1.5 的軍機和民機上得到廣泛應用。注：環(huán)氧基體由于固化后的分子交聯(lián)密度高、內(nèi)

7、應力大，存在質(zhì)脆、耐疲勞性差、抗沖擊韌性差等缺點。對于航空結構復合材料，環(huán)氧樹脂的增韌改性。一直是重要的研究課題。因此高性能、低成本、可回收再用、環(huán)境友好型高性能、低成本、可回收再用、環(huán)境友好型的樹脂基體，是復合材料技術未來發(fā)展的長期研究課題。環(huán)氧基體環(huán)氧基體查資料，纖維增強材料體系的改性可從以下兩個方面進行，第一碳纖維表面改性處理 方法有氣相氧化法、陽極氧化法、電聚合表面涂層法、液相氧化法及等離子氧化法；第二對樹脂基體進行改性處理查證利用熱塑性酚醛樹脂改性環(huán)氧樹脂（PF)可有效改進其性能當酚醛樹脂含量為20%時，層間剪切強度達到111.31mpa,t提高約7%，熱穩(wěn)定性較其他含量時為高，復合

8、材料體系的綜合性能最好。 眾所周知，影響復合材料性能的三要素是纖維、樹脂和界面，所以，樹脂起著極其重要的作用。那么，針對環(huán)氧樹脂基高性能碳纖維復合材料及固化成型技術，基體樹脂應該向哪些方向發(fā)展？以下一些問題是必須要考慮的：1 .無論對于中模還是高強碳纖維，樹脂均可以充分發(fā)揮應力傳遞功能，從而最佳發(fā)揮纖維性能2.適用于自動鋪帶和纖維自動鋪放技術3.高溫下仍有良好的濕熱性能4.可控的樹脂流動，同時對纖維良好的浸漬能力5.低放熱峰性能使超厚的單板結構一次成型6.優(yōu)異的韌性和較高的沖擊后剩余壓縮強度7.良好的粘性壽命和外置壽命8.簡單、通用和成熟的操作和固化工藝環(huán)氧樹脂膠接材料及膠接技術一、環(huán)氧樹脂膠

9、接材料的形式膠膜發(fā)泡膠糊狀膠等膠膜膠膜以樹脂膜樹脂膜的形式提供客戶，一般在膠膜的一面是離型紙離型紙，另外一面是保護薄膜保護薄膜。使用時將膠膜除去離型紙和保護薄膜后放在兩個膠接面之間，經(jīng)加溫、加壓而固化。發(fā)泡膠樹脂膜形狀的發(fā)泡膠制造方法和膠膜相似，主要用于蜂窩與蜂窩之間的膠接。當然，也有部分產(chǎn)品以糊狀形式提供，其具有良好的觸變性能，以防止固化之前的流膠。糊狀膠糊狀膠分單組份膠單組份膠和雙組分膠雙組分膠兩種，大部分雙組分膠可以在常溫下固化，當然也可以在中高溫下固化。二、環(huán)氧樹脂結構膠接材料的膠接技術膠接結構設計非常重要的一點是膠接需要設計的，這一點人們往往會忽視。，在膠接設計時，要盡量將膠接節(jié)點形

10、式設計好，以利用膠接強度好的一面，減少使用膠接性能弱的一面。膠接結構設計另一個需要注意的是如何避免應力集中所造成的膠接破壞膠接材料選材在膠接材料選擇時，首先要考慮的是固化后的使用溫度固化后的使用溫度。材料選擇時其它需要注意的還包括固化條件、膠粘材料中有無襯墊、單位面積重量、規(guī)范要求等。和預浸料共固化時，還需要考慮膠接材料和預浸料之間的相容性。表面處理膠接表面的狀況直接影響膠接的效果。通常的表面處理方式包括去油脂去油脂，或去油脂加物去油脂加物理處理理處理，或去油脂加化學處理去油脂加化學處理。膠接工藝溫度、壓力和時間溫度、壓力和時間是保證膠接質(zhì)量的三個主要要素。不同牌號膠接材料的固化溫度、壓力和時

11、間都能在產(chǎn)品的技術數(shù)據(jù)表中查到，下圖為典型的固化曲線。膠接材料的固化曲線目前，航空復合材料部件的主流工藝仍為熱壓釜工藝，冷藏、解凍、裁剪、鋪貼、打袋、固化、后加工等系列操作使得復合材料航空部件的制造成本居高不下，也為眾多企業(yè)進入該行業(yè)設置了較高的門檻，這對航空復合材料的大量使用是不利的。所以，人們在不斷研究如何使其工藝簡單化和通用化，非熱壓釜工藝（Out of Autoclave）、HexMC 等就是在這樣背景下的產(chǎn)物。復合材料的一些成型工藝預浸料熱壓罐成型工藝環(huán)氧樹脂基復合材料有多種成型方式，包括預浸料熱壓釜、預浸料真空袋壓、RTM（樹脂傳遞模塑）、模壓、搓卷、手糊等，對于航空航天部件而言，

12、目前最常用的方法仍為預浸料熱壓罐工藝和 RTM 工藝，而熱壓罐成型工藝也最成熟。液體成型環(huán)氧樹脂基復合材料技術盡管預浸料熱壓罐成型方式得到的復合材料產(chǎn)品的性能比較穩(wěn)定，但制造成本相對而言卻是比較高的，并且由于鋪貼工藝的局限性，在制造大型、復雜的復合材料部件時受到了一定的限制。而將預浸料鋪貼制得的部件組裝成一個復雜的復合材料結構又需要大量的連接件，這種結構沒有充分發(fā)揮復合材料的特點，造成不必要的重量增加，這樣，就催生了液體成型工藝，即 RTM 成型工藝。液體成型技術就是將樹脂注入到密封的模具中間，浸漬連續(xù)的、液體成型技術就是將樹脂注入到密封的模具中間，浸漬連續(xù)的、預先定型的增強材料，固化以后得到

13、復合材料部件的一種工藝預先定型的增強材料，固化以后得到復合材料部件的一種工藝。環(huán)氧樹脂基復合材料作為功能材料的應用實例 -可加工的環(huán)氧樹脂基碳纖維模具材料HexTool 就是這樣一種材料,實際上，它是一種短切碳纖維預浸料，有環(huán)氧基和雙馬基兩種，適用于不同固化溫度的復合材料部件HexMC 也是一種短切的碳纖維預浸料。這種材料放棄了連續(xù)纖維的抗拉性能，更多的是利用碳纖維復合材料的剛性以及良好的工藝性能，因此，適合制作飛機上的窗框、連接板、鉸鏈等。該材料最成功的應用案例之一是用于制作B787 上的窗框。由于該產(chǎn)品的使用，使得B787的窗框比常用客機的窗框面積增加了30%以上。豐富的自然光線和寬闊的視

14、野使得B787 被譽為視覺最好的客機。碳纖維復合材料在航空工業(yè)中碳纖維復合材料在航空工業(yè)中的的 應用和發(fā)展應用和發(fā)展在直升機上的應用在中國，直升機的傳統(tǒng)應用是在軍事領域，數(shù)量非常少，以至于汶川地震時沒有足夠的直升機，特別是大型直升機用于救災。根據(jù)發(fā)展的需要，未來10年，中國的民用直升機市場將會得到深度的開拓，AC系列的民用直升機也將形成。復合材料結構，特別以碳纖維預浸料為主要原料的碳纖維復合材料結構必將成為直升機結構的主流。在通用飛機上的應用相對于大型商用飛機而言，通用小飛機的結構則簡單的多，其外翼的翼樑使用單向碳纖維復合材料制造。在商用飛機上的應用 自上世紀 80 年代起，復合材料也開始在商用飛機上得到逐步應用。隨之而來的碳纖維革命，特別是中模量碳纖維性能的提高技術的穩(wěn)定，使得碳纖維復合材料最終被用于大型商用飛機的主結構。在發(fā)動機和短艙上的應用通過熱壓罐工藝成型獲得，環(huán)氧中模量碳纖維預浸料具有極高的韌性和損傷容限，可以滿足葉片苛刻的性能要求。&結束語 21 世紀碳纖維復合材料在航空工業(yè)的應用進入了一個嶄新時期，也提供了一