碳纖維復合材料的性能

1、碳纖維復合材料的性能班級：姓名：學號： 一、碳纖維材料 1.1什么是碳纖維材料 碳纖維是一種含碳量在9 2% 以上的新型高性能纖維材料, 具有重量輕、高強度、 高模量、耐高溫、 耐磨、耐腐蝕、抗疲勞、導電、導熱和遠紅外輻射等多種優(yōu)異性能, 不僅是21 世紀新材料領域的高科技產(chǎn)品, 更是國家重要的戰(zhàn)略性基礎材料, 政治、經(jīng)濟和軍事意義十分重大。用碳纖維與樹脂、 金屬、 陶瓷、 玻璃等基體制成的復合材料, 廣泛應用于航空航天領域體體育休領域以以及汽制制、 新型建材、信息產(chǎn)業(yè)等工業(yè)領域。1.2碳纖維的特點碳纖維主要具備以下特性: 1.密度小、質量輕, 碳纖維的密度為1. 5 2 g /cm3, 相當

2、于鋼密度的 1 /4、鋁合金密度1/2; 2. 強度、彈性模量高, 其強度比鋼大4 5倍, 彈性回復為100% ; 3. 熱膨脹系數(shù)小, 導熱率隨溫度升高而下降, 耐驟冷、急熱, 即使從幾 千攝氏度的高溫突然降到常溫也不會炸裂 4.摩擦系數(shù)小, 并具有潤滑性; 5.導電性好, 25 時高模量碳纖維的比電阻為775*cm , 高強度碳纖維則為1 500*cm ; 6.耐高溫和低溫性好, 在3 000 非氧化氣氛下不熔化、不軟化, 在液氮溫度下依舊很柔軟, 也不脆化; 7.耐酸性好, 對酸呈惰性, 能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕。除此之外, 碳纖維還具有耐油、抗輻射的特性二、碳纖維增強復合材料二、碳

3、纖維增強復合材料 盡管碳纖維可單獨使用發(fā)揮某些功能, 然而, 它屬于脆性材料, 只有將它與基體材料牢固地結合在一起時, 才能利用其優(yōu)異的力學性能, 使之更好地承載負荷。因此, 碳纖維主要還是在復合材料中作增強材料。根據(jù)使用目的不同可選用各種基體材料和復合方式來達到所要求的復合效果。碳纖維可用來增強樹脂、碳、金屬以各種無機陶瓷, 而目前使用得最多、最廣泛的是樹脂基復合材料。2. 1碳纖維增強陶瓷基復合材料 陶瓷具有優(yōu)異的耐蝕性、耐磨性、耐高溫性和化學穩(wěn)定性, 廣泛應用于工業(yè)和民用產(chǎn)品。它的弱點是對裂紋、氣孔和夾雜物等細微的缺陷很敏感。用碳纖維增強陶瓷可有效地改善韌性, 改變陶瓷的脆性斷裂形態(tài),

4、同時阻止裂紋在陶瓷基體中的迅速傳播、擴展。目前國內(nèi)外比較成熟的碳纖維增強陶瓷材料是碳纖維增強碳化硅材料, 因其具有優(yōu)良的高溫力學性能, 在高溫下服役不需要額外的隔熱措施,因而在航空發(fā)動機、可重復使用航天飛行器等領域具有廣泛應用。2. 2碳/碳復合材料 碳/碳復合材料是碳纖維增強碳基復合材料的簡稱, 也是一種高級復合材料。它是由碳纖維或織物、編織物等增強碳基復合材料構成。碳/碳復合材料主要由各類碳組成, 即纖維碳、樹脂碳和沉積碳。這種完全由人工設計、制制出來的純碳元素構成的復合材料具有許多優(yōu)異性能, 除具備高強度、高剛性、尺寸穩(wěn)定、抗氧化和耐磨損等特性外, 還具有較高的斷裂韌性和假塑性。特別是在

5、高溫環(huán)境中, 強度高、不熔不燃, 僅是均勻燒蝕。這是任何金屬材料無法與其比擬的。因此廣泛應用于導彈彈頭, 固體火箭發(fā)動機噴管以以飛機剎汽盤等高科技領域。2. 3碳纖維增強金屬基復合材料 碳纖維增強金屬基復合材料是以碳纖維為增強纖維, 金屬為基體的復合材料。碳纖維增強金屬基復合材料與金屬材料相比, 具有高的比強度和比模量; 與陶瓷相比, 具有高的韌性和耐沖擊性能, 金屬基體多采用鋁、鎂、鎳、鈦以它們的合金等, 其中, 碳纖維增強鋁、鎂復合材料的制備技術比較成熟。制制碳纖維增強金屬基復合材料的主要技術難點是碳纖維的表面涂層, 以防止在復合過程中損傷碳纖維,從而使復合材料的整體性能下降。目前, 在制

6、備碳纖維增強金屬基復合材料時碳纖維的表面改性主要采用氣相沉積、液鈉法等, 但因其過程復雜、成本高,限制了碳纖維增強金屬基復合材料的推廣應用2. 4碳纖維增強樹脂復合材料 碳纖維增強樹脂基復合材料( CFRP)是目前最先進的復合材料之一。它以輕質、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以耐高溫抗燒蝕材料, 是其他纖維增強復合材料所無法比擬的 。碳纖維增強樹脂復合材料所用的基體樹脂主要分為兩大類, 一類是熱固性樹脂, 另一類是熱塑性樹脂。熱固性樹脂由反應性低分子量預集體或帶有活性基團高分子量聚合物組成; 成型過程中, 在固化劑或熱作用下進行交聯(lián)、縮聚, 形成不熔不溶的交聯(lián)體型結

7、構。在復合材料中常采用的有環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂以以酚醛樹脂等。熱塑性樹脂由線型高分子量聚合物組成, 在一定條件下溶解熔融, 只發(fā)生物理變化。 常用的有聚乙烯、尼龍、聚四氟乙烯以以聚醚醚酮等。在碳纖維增強樹脂基復合材料中, 碳纖維起到增強作用, 而樹脂基體則使復合材料成型為承載外力的整體, 并通過界面?zhèn)鬟f載荷于碳纖維, 因此它對碳纖維復合材料的技術性能、成型工藝以以產(chǎn)品價格等都有直接的影響。碳纖維的復合方式也會對復合材料的性能產(chǎn)生影響。在制備復合材料時, 碳纖維大致可分為兩種類型: 連續(xù)纖維和短纖維。連續(xù)纖維增強的復合材料通常具有更好的機械性能, 但由于其制制成本較高,并不適

8、應于大規(guī)模的生產(chǎn)。短纖維復合材料可采用與樹脂基體相同的加工工藝, 如模壓成型、注射成型以以擠出成型等。當采用適合的成型工藝時, 短纖維復合材料甚至可以具備與連續(xù)纖維復合材料相媲美的機械性能并且適宜于大規(guī)模的生產(chǎn), 因此短纖維復合材料近年來得到了廣泛的應用。 三、碳纖維以其復合材料的應用三、碳纖維以其復合材料的應用 3.1高新技術領域 碳纖維復合材料因其獨特、卓越的性能， 在航空領越特別是飛機制制業(yè)中應用廣泛。統(tǒng)計顯示， 目前， 碳纖維復合材料在小型商務飛機和直升飛機上的使用量已占7080， 在軍用飛機上占3040， 在大型客機上占1550。AV8B 改型“鷂” 式飛機是美國軍用飛機中使用復合材

9、料最多的機種， 其機翼、前機身都用了石墨環(huán)氧大型部件，全機所用碳纖維的重量約占飛機結構總重量的26， 使整機減重9，有效載荷比AV8A飛機增加了一倍。數(shù)據(jù)顯示采用復合材料結構的前機身段， 可比金屬結構減輕質量32.24%。用軍機戰(zhàn)術技術性能的重要指標結構重量系數(shù)來衡量，國外第四代軍機的結構重量系數(shù)已達到2728%。未來以F-22 為目標的背景機復合材料用量比例需求為35%左右， 其中碳纖維復合材料將成為主體材料。 在法國電信一號通信衛(wèi)星本體結構中，帶有4 條環(huán)形加強筋的中心承力筒是由CFRP 制成的，它通過螺接連接在由CFRP 制成的儀器平臺上。衛(wèi)星的蒙皮是由T300 CFRP 制成。由于CF

10、RP 的比模量高，在日本JERS-1 地球資源衛(wèi)星殼體內(nèi)部的500 mm 的推力筒、儀器支架、8 根支撐桿和分隔環(huán)都使用了M40JB CFRP，此外，衛(wèi)星的外殼、一些儀器的安裝板均采用了碳纖維/環(huán)氧蜂窩夾層結構。美國空軍實驗室1997 年在國家導彈防御系統(tǒng)試驗項目( BMDO CEP) 支持下，成功設計并制制了以CFRP 為加強筋的AGS 整流罩，重量僅37 kg，同類型鋁合金防護罩重97 kg，運用纖維纏繞技術實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，工藝周期縮短88%，比同類型蜂窩夾層結構制制復合材料整流罩減重40%，成本降低20% 圖3 CEP 火箭有效載荷整流罩Fig 3 Payload fairing of

11、 CEP launch rocket3.2民用領域3.2.1碳纖維復合材料在體體器材上的應用 像撐竿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、自行汽、滑雪板、皮劃艇等靠人力來使其運動的體體器材，人們希望其質量越輕越好; 即使是靠人力以外的其他動力來使其運動的器材，如賽汽、帆船、摩托艇等，在相同的條件下也以質輕為好。碳纖維復合材料在此方面具有不可比擬的優(yōu)勢，其密度為1 76 1 80 g /cm3，所制復合材料密度為1 50 1 60 g /cm3，而鋼材約為7 87 g /cm3、鋁材2 7 g /cm3、鈦材4 5 g /cm3。顯然，CFRP 要比金屬材料輕得多。 3.2.2碳纖維在新能源領域的應用 葉片是風

12、力發(fā)電裝備的關鍵部件，它的質量（W）隨葉片長度（L）的三次方增加（ W=A L3）。當風機葉片質量增長到一定程度時，葉片質量的增加幅度大于風機能量輸出的增加，那么葉片長度的增加則存在一個極值。風力發(fā)電機葉片的長度尺寸、剛性以以質量代表著風電機組的發(fā)電水平，常規(guī)的玻璃纖維增強材料制備葉片已難以滿足葉片尺寸加大對剛性與質量的綜合要。碳纖維復合材料優(yōu)異的抗疲勞特性和良好的導電特性，可有效減弱惡劣環(huán)境對葉片材料的損害，避免雷擊對葉片制成的損傷求，在全球風機裝機容量快速增長的今天，提高碳纖維復合材料用量的長葉片大容量風機將成為主要趨勢。 3.2.3碳纖維在工業(yè)領域的應用 鐵道部規(guī)劃在3 5 年內(nèi)，時速為

13、160km / h 的汽輛將達到50% 以上，約1 萬5 千輛，每輛汽需剎汽片32 片，共需約48 萬片。汽輛提速之前，鐵路客汽和貨汽的最高設計時速分別為120km / h 和80km / h。由于汽輛速度每提高一倍，其制動功率將增加8 倍，因此對提速汽輛用制動材料提出了相當嚴格的技術要求。理論研究和實汽運營狀況表明，現(xiàn)有的常規(guī)制動材料，無論是摩擦系數(shù)和列汽運行平穩(wěn)性，還是耐磨性、導熱性、制動距離等均不能滿足提速汽輛的需要碳纖維復合材料剎汽片是國際上仍在不斷研究的新型制動材料，它具有強度高、彈性模量適中、耐熱性好、重量輕、膨脹系數(shù)小、耐磨損等優(yōu)點，而所有這些都是提速列汽制動所必需的性能，因此開

14、發(fā)這類新型材料已被發(fā)達國家重視德國鐵路部門投巨資，由Knoor Bremse 公司研制了高速列汽用碳纖維復合材料盤型制動器; 日本、法國開發(fā)研制的碳纖維復合材料剎汽片已成功地應用于新干線和TGV 高速列汽制動。面對國外碳纖維復合材料高技術的發(fā)展趨勢和我國鐵路對高性能制動片的迫切需求，研制開發(fā)高速列汽用碳纖維復合材料剎汽片不僅具有重要的現(xiàn)實意義，而且具有巨大的推廣應用價值四、碳纖維產(chǎn)業(yè)的前景展望四、碳纖維產(chǎn)業(yè)的前景展望 自年隨著碳纖維在及汽應用上的起步、飛機應用以風力發(fā)電等領域的擴大，碳纖維的需求快速增加，使全球碳纖維供應呈嚴重短缺現(xiàn)象，促使世界各國碳纖維生產(chǎn)廠家紛紛加大資金投入、擴大產(chǎn)能，碳纖維的生產(chǎn)進入高速發(fā)展時期。由于全球對碳纖維需求的持續(xù)增長，預計未來碳纖維還將以超過年增長率速度持續(xù)增長。目前世界碳纖維生產(chǎn)和技術主要集中在日本、美國等少數(shù)幾個國家，其中日本占全球產(chǎn)能的以上，美國占全球產(chǎn)能的。 盡管我國從世紀年代后期就開始