碳纖維增強復(fù)合材料概述

PAGEPAGE4碳纖維增強復(fù)合材料概述摘要：本文對碳纖維增強復(fù)合材料進行了介紹，詳細(xì)介紹了其優(yōu)點和應(yīng)用。并對碳纖維復(fù)合材料存在的問題提出建議。關(guān)鍵字：碳纖維，復(fù)合材料，應(yīng)用Abstract:Inthispaper,thecarbonfiberreinforcedcompositematerialsareintroduced,itsadvantagesandapplicationwasintroducedindetail.AndputsforwardSuggestionsontheproblemsexistinginthecarbonfibercompositematerials.Keywords:carbonfiber,compositematerials,applications1.碳纖維增強復(fù)合材料介紹復(fù)合材料是將兩種或兩種以上不同品質(zhì)的材料通過專門的成型工藝和制造方法復(fù)合而成的一種高性能新材料，按使用要求可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料，到目前為止，主要的發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，但現(xiàn)在也正在發(fā)展集結(jié)構(gòu)和功能一體化的復(fù)合材料。通常將組成復(fù)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(jié)構(gòu)復(fù)合材料而言，組分材料包括基體和增強體，基體是復(fù)合材料中的連續(xù)相，其作用是將增強體固結(jié)在一起并在增強體之間傳遞載荷；增強體是復(fù)合材料中承載的主體，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(xì)的連續(xù)細(xì)絲材料，直徑范圍在6～8μm內(nèi)，是近幾十年發(fā)展起來的一種新型材料。目前用在復(fù)合材料中的碳纖維主要有兩大類：聚丙烯腈基碳纖維和瀝青基碳纖維，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(fù)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(zhì)量卻大為減輕；由于碳化過程中對纖維進行了沿軸向的預(yù)拉伸處理，使得分子沿軸向進行取向排列，因而碳纖維軸向拉伸強度大大提高，成為一種輕質(zhì)、高強度、高模量、化學(xué)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(fù)合而成的先進樹脂基復(fù)合材料是目前用得最多，也是最重要的一種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。此外，用天然纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維作增強體的樹脂基復(fù)合材料也在快速發(fā)展。碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)是目前最先進的復(fù)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(jié)構(gòu)材料和具有特殊性能的功能材料。它以其輕質(zhì)高強、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料,是其它纖維增強復(fù)合材料所無法比擬的。碳纖維復(fù)合材料因其較高的比強度、比模量在國外先進戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)固體火箭發(fā)動機方面應(yīng)用較多,如美國的戰(zhàn)略導(dǎo)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(fù)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(shù)導(dǎo)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(dāng)廣泛的應(yīng)用，除軍用外,開發(fā)纖維復(fù)合材料的其它應(yīng)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)件、高性能碳纖維軸承、風(fēng)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(chǎn)規(guī)模的擴大和生產(chǎn)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(yīng)用也必將迅速擴大。我國為配合北京奧運會,擬大力開發(fā)新型CFRP建材及CFRP的研究和開發(fā)應(yīng)用已成為一項涉及多項學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)工程,而CFRP的發(fā)展?fàn)顩r則成為一個國家材料科學(xué)乃至整個科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。 2.碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)點[2]碳纖維復(fù)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(fù)合材料（單向）的比強度是鋼SAE1010（冷軋）的多折迭式碳纖維復(fù)合材料剛性太陽電池陣結(jié)構(gòu)等。4.碳纖維復(fù)合材料存在的問題及建議我國的碳纖維樹脂基復(fù)合材料研制起步于20世紀(jì)60年代末，至今已有40多年的發(fā)展歷程，在產(chǎn)品開發(fā)、制造加工、產(chǎn)品應(yīng)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，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(zhì)量和產(chǎn)業(yè)規(guī)模遠不能滿足國內(nèi)復(fù)合材料快速發(fā)展的要求，仍然是制約我國碳纖維復(fù)合材料發(fā)展的瓶頸，這主要表現(xiàn)在：1）產(chǎn)品質(zhì)量不完全過關(guān)，缺陷多，性能分散性大；2）產(chǎn)品規(guī)格和品種少；3）由于性能和質(zhì)量上的問題以及生產(chǎn)成本高，制約了生產(chǎn)規(guī)模的擴大。從技術(shù)上看，造成上述問題的主要原因是基礎(chǔ)研究工作薄弱，造成生產(chǎn)碳纖維的pan基原絲質(zhì)量不高。因此，以提高原絲質(zhì)量為目標(biāo)，應(yīng)加強科學(xué)基礎(chǔ)及工程化研究，強化國內(nèi)碳纖維研究生產(chǎn)的自主創(chuàng)新能力，建立高效的產(chǎn)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。在管理體制上也存在如下一些問題：1）碳纖維是多學(xué)科和多技術(shù)集成的高新技術(shù)產(chǎn)品，國家在項目組織、管理、實施和政策扶持等上應(yīng)起主導(dǎo)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(lǐng)導(dǎo)以及集中調(diào)控作用不夠，基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)、中試生產(chǎn)、工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用開發(fā)之間缺乏有機聯(lián)系，因而無論從規(guī)模和質(zhì)量上，與國外水平的差距越拉越大。2）國內(nèi)碳纖維多元化研發(fā)的格局尚未建立。從碳纖維產(chǎn)業(yè)的源頭到最終產(chǎn)品，真正擁有完整研發(fā)與生產(chǎn)過程的單位不多，技術(shù)水平同國外相比差距較大。潛心研究碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的氣氛不夠濃厚，民營企業(yè)中拿來主義現(xiàn)象較為明顯，急于求成、急功近利的思想十分嚴(yán)重。3）以應(yīng)用牽頭，帶動碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的體制未健全，以往國內(nèi)航空航天高端產(chǎn)品應(yīng)用主要依賴進口，而國產(chǎn)碳纖維得不到應(yīng)用，因此也就得不到改進和提高的機會。4）企業(yè)之間產(chǎn)、學(xué)、研交流相當(dāng)欠缺。碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅需要產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合，而且更需要產(chǎn)、學(xué)、研、用有機地相結(jié)合，但在現(xiàn)有體制下產(chǎn)、學(xué)、研、用這個有機體系尚未真正建立，因而阻礙了國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。5）裝備技術(shù)研發(fā)滯后。有關(guān)碳纖維裝備技術(shù)研發(fā)工作長期沒有得到相應(yīng)的重視。到目前為止，如大容量聚合反應(yīng)器等被稱為碳纖維7大關(guān)鍵性設(shè)備只有兩種設(shè)備實現(xiàn)了國產(chǎn)化，而其余5種設(shè)備尚需進口，嚴(yán)重影響著國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)化的進程。6）目前國內(nèi)缺乏具有工程孵化特征的研發(fā)基地?？蒲性核壳案嗟爻袚?dān)產(chǎn)品研發(fā)，工程研發(fā)放在企業(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(chǎn)業(yè)化為目的、以科研院所技術(shù)力量為主導(dǎo)、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(nèi)業(yè)界早有所認(rèn)識，但長期沒有得到認(rèn)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(chǎn)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(nèi)航空航天等行業(yè)領(lǐng)域的高端產(chǎn)品應(yīng)加大應(yīng)用國產(chǎn)碳纖維的力度，及時解決在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)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(chǎn)的碳纖維產(chǎn)品規(guī)格和質(zhì)量評價體系，科學(xué)論證產(chǎn)品和技術(shù)的質(zhì)量定位，以終端復(fù)合材料的應(yīng)用來評價碳纖維的質(zhì)量。建立高、中、低3個層次的碳纖維產(chǎn)業(yè)和相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用目標(biāo)建立符合中國市場的技術(shù)—生產(chǎn)—應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)鏈條，形成產(chǎn)—學(xué)—研—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(chǎn)能力[6]。3）集中力量進行高端碳纖維的技術(shù)和質(zhì)量攻關(guān)。加快碳纖維國產(chǎn)化進程不僅需要明確的產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化進程。4）發(fā)展高強度的碳纖維聚丙腈前驅(qū)體原絲生產(chǎn)技術(shù)，建立全方位質(zhì)量保證體系和標(biāo)準(zhǔn)化體系，重點發(fā)展原絲原材料入廠檢驗和驗收標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)優(yōu)化和穩(wěn)定性控制等質(zhì)量保證體系，保證批量生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上形成大規(guī)模產(chǎn)能并建立碳纖維原材料生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)鏈。5）強化碳纖維生產(chǎn)線的全面質(zhì)量控制與質(zhì)量保證體系和標(biāo)準(zhǔn)化體系。特別是重點發(fā)展前驅(qū)體原絲入廠檢驗和驗收標(biāo)準(zhǔn)、碳化過程的工藝參數(shù)優(yōu)化和質(zhì)量保證體系，保證批量生產(chǎn)的性能和質(zhì)量穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上形成年產(chǎn)能達千t規(guī)模的高性能碳纖維生產(chǎn)基地。6）在參考國外碳纖維產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的同時，盡快建立健全符合中國國情的獨立自主的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系，避免碳纖維發(fā)達國家對我國碳纖維產(chǎn)品的限制和干擾。7）實現(xiàn)主要生產(chǎn)設(shè)備國產(chǎn)化，重點是大規(guī)格的反應(yīng)釜、預(yù)氧化爐、碳化爐、收絲機、尾氣焚燒爐及高溫碳化爐等設(shè)備的國產(chǎn)化，耐高溫（≥1800℃）、大尺寸（≥1500mm×1000mm×10是在航海及風(fēng)電應(yīng)用領(lǐng)域，有待于提高低成本成型技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品品種和規(guī)模。針對低成本成型技術(shù)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(fù)合材料整體化成型技術(shù)，包括樹脂傳遞成型技術(shù)（RTM）、預(yù)浸帶自動鋪放技術(shù)（ATP）、拉擠成型技術(shù)、纖維纏繞技術(shù)等，形成規(guī)模化生產(chǎn)能力，滿足航空、航天和民用工業(yè)需求，特別是大飛機復(fù)合材料次結(jié)構(gòu)件及主結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)需求。2）重點發(fā)展集設(shè)計、材料成型和配套保障的技術(shù)體系，加快發(fā)展紡織用復(fù)合材料的液態(tài)成型技術(shù)和自動化技術(shù)（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(shù)，如微波、電子束、超聲波、X射線等新固化技術(shù)[7]。3）建立飛機復(fù)合材料設(shè)計中心和試驗評價驗證中心。跟蹤國外的先進經(jīng)驗，研究和發(fā)展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的新概念、新方法，推進結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計和制造技術(shù)。4）發(fā)展復(fù)合材料的應(yīng)用分析方法和分析工具，重點發(fā)展用來預(yù)測復(fù)合材料的加工性能、結(jié)構(gòu)完整性以及耐久性的先進計算機應(yīng)用分析工具；發(fā)展將先進的分析法及模擬方法與數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的智能化設(shè)計和驗證系統(tǒng)。5.結(jié)語在固體火箭發(fā)動機領(lǐng)域,先進復(fù)合材料起著重要的、無與倫比的作用。當(dāng)前,先進的碳纖維增強復(fù)合材料技術(shù)的快速發(fā)展,使研制和應(yīng)用碳纖維增強的復(fù)合材料殼體、噴管等發(fā)動機構(gòu)件成為可能,先進的碳纖維增強復(fù)合材料技術(shù)將給高性能固體發(fā)動機的研制和開發(fā)提供強有力的技術(shù)支持,使發(fā)動機性能獲得新的飛躍。此外,高性能碳纖維增強復(fù)合材料在空間技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,將會簡化飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計,減輕結(jié)構(gòu)重量并降低飛行器的起飛重量,對于大幅提高空間飛行器的性能和壽命、降低成本有著重要意義。參考文獻：1王茂章,賀福,碳纖維的制造、性能及其應(yīng)用[M],科學(xué)出版社,19842楊乃賓.先進樹脂基復(fù)合材料[M].中國材料工程大典:第十卷,第七篇.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20003陳祥寶,包建文.聚合物基體材料[M].中國材料工程大典:第十卷,第三篇.北京:化