碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用

0cfrp材料發(fā)展優(yōu)質(zhì)、高質(zhì)量材料是促進(jìn)科學(xué)研究、國(guó)防、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的重要基礎(chǔ)。其中,以碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)為代表的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是最典型的代表,風(fēng)能發(fā)電葉片、汽車(chē)減重和導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等均離不開(kāi)高性能CFRP。近幾年來(lái),CFRP在世界各國(guó)的發(fā)展進(jìn)程中起到非常重要的作用,不僅在軍用領(lǐng)域中具有不可替代的地位,而且在民用領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。本研究將主要介紹CFRP在新能源工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)和航空航天工業(yè)發(fā)展中的最新應(yīng)用。1cfrp的性能特點(diǎn)CFRP屬于各向異性材料,與金屬類(lèi)其他材料相比,其某些性能更為優(yōu)異。(1)低密度。CFRP密度僅為1.5~2g/cm3,相比金屬、金屬合金而言,其密度大大降低。(2)比強(qiáng)度、比模量高。其比強(qiáng)度是鋼材的5倍,而其比模量則是其他結(jié)構(gòu)材料的1.2倍左右,這充分說(shuō)明了CFRP在輕質(zhì)高強(qiáng)方面的優(yōu)越性。(3)耐高溫性能好。在400℃時(shí),鋁合金的彈性模量近似為0,強(qiáng)度也急劇下降,而CFRP的強(qiáng)度和彈性模量基本無(wú)變化。(4)良好的耐疲勞性能。金屬材料的疲勞強(qiáng)度極限通常為拉伸強(qiáng)度的40%~50%,而CFRP的疲勞極限可以達(dá)到拉伸強(qiáng)度的70%~80%。(5)良好的抗腐蝕性。CFRP的表面是一層高性能的樹(shù)脂材料,故其具有良好的耐酸、耐堿及耐油等性能。(6)材料的可設(shè)計(jì)性。CFRP的各向異性給設(shè)計(jì)帶來(lái)較多的可選擇性,可通過(guò)選擇合適的鋪層方向和層數(shù)以獲得具有相對(duì)最佳性能的CFRP。2纖維原料的開(kāi)發(fā)2011年,中國(guó)的碳纖維產(chǎn)量達(dá)到8500t,占全球碳纖維年產(chǎn)量的9.4%。隨著我國(guó)碳纖維和CFRP產(chǎn)業(yè)投資力度的加大、技術(shù)的創(chuàng)新,CFRP產(chǎn)品性能逐漸得到完善,其品種、規(guī)格不斷增加,CFRP已在某些領(lǐng)域展現(xiàn)出逐漸取代玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)、鋁合金和鋼材的趨勢(shì)。隨著技術(shù)、工藝的進(jìn)步,CFRP在新能源工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)和航空航天工業(yè)中將大有所為。2.1新能源領(lǐng)域中作用以CFRP為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料在風(fēng)能發(fā)電葉片、石油開(kāi)采和壓縮天然氣儲(chǔ)存等新能源領(lǐng)域中有著重大作用。為響應(yīng)全球的“低碳環(huán)保”活動(dòng),CFRP在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用更是值得大力推廣。2.1.1cfrp葉片的配置風(fēng)能是大自然的可再生資源,取之不盡,用之不竭。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片正朝著大型化方向發(fā)展,最長(zhǎng)的風(fēng)輪葉片已達(dá)到61.5m,一般葉片自重12~18t,這對(duì)材料的比強(qiáng)度、比剛度和耐疲勞性提出了更高的要求。大部分的GFRP葉片已無(wú)法滿足葉片大型化、輕量化的要求,GFRP葉片在苛刻條件下的臨界長(zhǎng)度大約是60m。而CFRP的比強(qiáng)度約為GFRP的2倍,比模量約為GFRP的3倍,故采用CFRP能夠增加葉片的臨界長(zhǎng)度,適應(yīng)了葉片大型化的要求;此外,碳纖維的密度是玻璃纖維的0.7倍,適應(yīng)了大型葉片輕量化的要求。使用CFRP葉片代替GFRP葉片,成本可降低14%;另外,由于碳纖維具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能,故對(duì)CFRP葉片進(jìn)行某些特殊的防護(hù)設(shè)計(jì),可避免雷擊對(duì)葉片造成的破壞,從而可延長(zhǎng)CFRP葉片的工作壽命。中復(fù)連眾、南通東泰電工及GE等公司在39.2~90m的葉片上用CFRP大量替換了GFRP。未來(lái)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的額定功率將超過(guò)20MW、葉片直徑約100m,而CFRP能夠?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)力發(fā)電提供輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞性和耐腐蝕性更佳的葉片。2.1.2準(zhǔn)配電網(wǎng)纜在海洋油田開(kāi)采中的應(yīng)用全球機(jī)械自動(dòng)化采油井?dāng)?shù)為總生產(chǎn)井?dāng)?shù)的90%,而80%左右的機(jī)械自動(dòng)化采油井都采用桿泵抽油模式,其中抽油桿是該系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一。傳統(tǒng)金屬抽油桿質(zhì)量大、耐腐蝕性和抗疲勞性能較差,如果不能及時(shí)對(duì)金屬抽油桿進(jìn)行維護(hù),則可能在采油過(guò)程中發(fā)生事故。CFRP抽油桿是近年來(lái)興起的一種新型柔性抽油桿,與傳統(tǒng)抽油桿相比,其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫及操作速率快等優(yōu)異性能。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)井深在2500m以上的油井約占總井?dāng)?shù)的10%,特別是新疆沙漠地帶的油田,井深都在2500m以上,并且井礦中除了酸鹽、堿鹽外,還出現(xiàn)了硫化氫和氯化氫等腐蝕性氣體。而采用CFRP制作的抽油桿完全可以應(yīng)用在這些苛刻環(huán)境中,使采油作業(yè)效率大大提高,其在超深井和腐蝕井原油開(kāi)采中得到廣泛應(yīng)用,這也是現(xiàn)代石油開(kāi)采技術(shù)的一大突破。隨著海上油氣田的不斷開(kāi)發(fā),CFRP在深海(900~3000m)油田中的應(yīng)用倍受關(guān)注。由于鋼材的密度為6g/cm3左右,一個(gè)2000m水深的海上鉆井平臺(tái),其鋼制系纜的質(zhì)量達(dá)8500t,從而給海上鉆井平臺(tái)帶來(lái)了極大的載重負(fù)荷;同時(shí)鋼材在海水中耐腐蝕性差,造成海上鉆井平臺(tái)的鋼制系纜的工作壽命僅為2~3年,從而給海上鉆井平臺(tái)增加了成本。CFRP具有質(zhì)量輕(密度是鋼密度的1/4)、模量高(比模量是鋼材的1.2倍)、強(qiáng)度大(比強(qiáng)度是鋼材的5倍)、耐腐蝕性強(qiáng)、抗沖擊性佳和熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn),因而可廣泛應(yīng)用于海上石油鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)。2.1.3膽全化學(xué)混紡裝置壓縮的液化天然氣具有成本低、效益高、無(wú)污染和使用方便等特點(diǎn),在生活燃料、汽車(chē)動(dòng)力等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。一般天然氣氣瓶有4種類(lèi)型,其中塑料內(nèi)膽全纏繞氣瓶具有耐疲勞強(qiáng)度高、耐腐蝕性佳、結(jié)構(gòu)和性能可設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。采用GFRP制造的塑料內(nèi)膽全纏繞氣瓶經(jīng)常出現(xiàn)纖維斷裂、連接處開(kāi)裂、內(nèi)膽結(jié)合處漏氣、復(fù)合層損壞、沖擊損傷和腐蝕裂紋等質(zhì)量問(wèn)題,但CFRP產(chǎn)品具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐疲勞性能更好、耐破損安全性佳以及減震性能優(yōu)等特點(diǎn),故其推廣和應(yīng)用越來(lái)越受到重視。正在開(kāi)發(fā)的氫能源汽車(chē)如果投入批量生產(chǎn),則采用CFRP大量制造的壓縮氫氣存儲(chǔ)氣瓶會(huì)充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),故其未來(lái)的前景是非常樂(lè)觀的。2.2汽車(chē)輕量化的原因根據(jù)全球汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看,安全、低碳和環(huán)保的汽車(chē)已成為21世紀(jì)汽車(chē)發(fā)展的主流,而汽車(chē)輕量化則是解決這個(gè)問(wèn)題的核心。由于CFRP具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性和抗沖擊性強(qiáng)等特點(diǎn),與鋼材、鋁材及其他金屬合金相比,其設(shè)計(jì)自由度更大、成型更加容易,因而CFRP正日益成為汽車(chē)輕量化的首選材料。2.2.1cfrp可實(shí)現(xiàn)在slr超級(jí)剎車(chē)的安全保障CFRP制造的外覆蓋件具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗沖擊性強(qiáng)和外觀設(shè)計(jì)獨(dú)特等特點(diǎn),因而已在高檔汽車(chē)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。梅賽德斯-奔馳公司2012年推出了SLR超級(jí)跑車(chē),全車(chē)車(chē)身外覆蓋件幾乎全部采用高強(qiáng)度的CFRP材料,其最高速率可以達(dá)到300km/h,0~100km/h的加速時(shí)間僅需3.8s。由于CFRP的密度只有鋼材的1/4,而在碰撞中的抗沖擊性能卻是鋼材的4倍,故其不僅降低了車(chē)身自重、減少了燃油消耗,而且符合低碳、環(huán)保的潮流,并且還能為乘員提供最大限度的安全保障。在SLR超級(jí)跑車(chē)的前端結(jié)構(gòu)中嵌入CFRP縱梁作為車(chē)頭碰撞緩沖部件,可確保乘員艙完好無(wú)損,這也符合了汽車(chē)駕駛安全的潮流。德國(guó)西格里集團(tuán)和寶馬公司將投資1億美元在美國(guó)建造一座碳纖維工廠,為寶馬電動(dòng)車(chē)提供輕質(zhì)高強(qiáng)性的CFRP零部件(可抵消大型蓄電池額外帶來(lái)的300kg質(zhì)量)。德國(guó)寶馬2013年將推出的BMWi3車(chē)型,全車(chē)車(chē)身外覆蓋件將大量采用CFRP,將是第一款車(chē)體主要由CFRP制成的量產(chǎn)汽車(chē),質(zhì)量比傳統(tǒng)電動(dòng)車(chē)減輕了300kg,這將是汽車(chē)工業(yè)的重大突破。2.2.2cfrp車(chē)載片剎車(chē)片是機(jī)動(dòng)車(chē)輛必須裝配的制動(dòng)材料,其性能是否優(yōu)良將直接影響車(chē)輛設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性、可靠性。經(jīng)過(guò)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)理論研究和實(shí)車(chē)運(yùn)行的結(jié)果表明,機(jī)動(dòng)車(chē)輛以改性石墨、金屬纖維等作為主要原料的合成剎車(chē)片,在摩擦因數(shù)、車(chē)輛運(yùn)行的平穩(wěn)性、耐磨性、導(dǎo)熱性和制動(dòng)距離等方面已經(jīng)不能滿足提速車(chē)輛的使用要求。CFRP具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐摩擦和耐高溫等特點(diǎn),并且其在2000℃以下的溫度范圍內(nèi)機(jī)械強(qiáng)度不會(huì)有明顯降低,而且摩擦因數(shù)隨溫度升高不會(huì)有明顯下降;用CFRP制造的制動(dòng)器/離合器摩擦襯片,在高速、高溫狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生熱裂、熱漲現(xiàn)象,并且具有無(wú)污染、穩(wěn)定性高和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。隨著制備碳纖維技術(shù)的不斷成熟,碳纖維的價(jià)格不斷降低,CFRP剎車(chē)片在汽車(chē)行業(yè)的使用量將不斷提高。據(jù)統(tǒng)計(jì),2012年我國(guó)汽車(chē)剎車(chē)片總需求量將達(dá)到2.6億片左右,這對(duì)CFRP剎車(chē)片的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和應(yīng)用帶來(lái)積極的影響。2.2.3拉伸性能好近年來(lái),日本等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始研究采用CFRP代替鋁合金用于制造汽車(chē)渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪。CFRP的拉伸強(qiáng)度優(yōu)于鋁合金,具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),并提高了轉(zhuǎn)子的加速性能。為了滿足葉輪強(qiáng)度、耐久性和可靠性等要求,對(duì)碳纖維表面進(jìn)行處理,可極大提高CFRP的強(qiáng)度,并且對(duì)CFRP在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的研發(fā)基礎(chǔ)。2.3民用領(lǐng)域的發(fā)展通常,先進(jìn)復(fù)合材料首先應(yīng)用于航天航空等國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域,然后隨著技術(shù)的成熟,慢慢向民用領(lǐng)域發(fā)展。以高性能CFRP為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、功能一體化材料,在民用飛機(jī)、導(dǎo)彈等航空航天領(lǐng)域發(fā)揮著不可估量的作用。2.3.1cfrp的發(fā)展民用飛機(jī)采用CFRP,可顯著提升其性?xún)r(jià)比。代表當(dāng)今世界大型民用飛機(jī)先進(jìn)水平的兩大生產(chǎn)商——美國(guó)波音公司和歐洲空中客車(chē)集團(tuán),從20世紀(jì)80年代起就開(kāi)始將先進(jìn)復(fù)合材料用于大型飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件、零部件。從民用飛機(jī)發(fā)展歷史來(lái)看:美國(guó)波音公司B707上沒(méi)有使用CFRP,B757先進(jìn)CFRP的用量為3%~4%,B767達(dá)到4%~5%,B777則達(dá)到10%~11%;空客集團(tuán)的CFRP用量比波音公司的高,A300-600達(dá)5%~6%,A310接近10%,A321、330和A340的先進(jìn)CFRP用量都增長(zhǎng)到13%~15%,A322則達(dá)到15%~16%。21世紀(jì)以來(lái),美國(guó)波音公司、歐洲空客集團(tuán)大力開(kāi)展CFRP在民用飛機(jī)上的應(yīng)用研究,取得了卓越的成績(jī)(B787的CFRP用量高達(dá)50%,全機(jī)結(jié)構(gòu)幾乎均由CFRP制成)。采用CFRP代替金屬合金結(jié)構(gòu)材料不僅可以減輕機(jī)身質(zhì)量、不損失強(qiáng)度或剛度,而且能夠比B767降低17%的油耗,維護(hù)成本較B767下降30%。2007年生產(chǎn)的超大型飛機(jī)空客A380,其CFRP占機(jī)身總質(zhì)量的25%左右;2013年生產(chǎn)的A350客機(jī),其CFRP占機(jī)身總質(zhì)量的52%左右,成為空客集團(tuán)第一架全復(fù)合材料機(jī)翼飛機(jī),輕質(zhì)“外衣”還將大大降低飛機(jī)的油耗,帶來(lái)了非?？捎^的性?xún)r(jià)比。由《空中客車(chē)全球市場(chǎng)預(yù)測(cè)》可知:2006~2025年間,飛機(jī)運(yùn)營(yíng)商將需要22700架客機(jī)和貨機(jī)。這些需求將刺激CFRP用量的巨大增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì),2012年飛機(jī)用CFRP用量已達(dá)到12000t,未來(lái)幾年航空用CFRP的用量將以年均12%速率繼續(xù)高速增長(zhǎng)。2.3.2cfrp在機(jī)動(dòng)上的應(yīng)用由于戰(zhàn)略導(dǎo)彈對(duì)自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的要求非常嚴(yán)格,采用先進(jìn)CFRP對(duì)提高精度、增大射程意義重大。發(fā)動(dòng)機(jī)和彈頭質(zhì)量每減少1kg,可使洲際導(dǎo)彈射程增大20km,故CFRP在導(dǎo)彈上的應(yīng)用會(huì)極大提升戰(zhàn)略導(dǎo)彈的作戰(zhàn)性能。固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體是戰(zhàn)略導(dǎo)彈應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料最活躍的領(lǐng)域,美國(guó)早期的“北極星”、“民兵”和“海神”導(dǎo)彈使用GFRP殼體,隨后美國(guó)的“三叉戟-1”、法國(guó)的M-4和前蘇聯(lián)的SS-24導(dǎo)彈都采用了先進(jìn)的芳綸纖維復(fù)合材料;為提高導(dǎo)彈作戰(zhàn)的精度、射程和機(jī)動(dòng)性,美國(guó)、法國(guó)升級(jí)版的“三叉戟-2”、M-5導(dǎo)彈則采用更先進(jìn)的CFRP。3cfrp具有擴(kuò)大的市場(chǎng)份額進(jìn)入21世紀(jì)后,復(fù)合材料的市場(chǎng)需求急劇增大,低成本技術(shù)已成為CF