碳纖維復(fù)合材料的性能

1、碳纖維復(fù)合材料的性能班級：姓名：學(xué)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(qiáng)度、 高模量、耐高溫、 耐磨、耐腐蝕、抗疲勞、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和遠(yuǎn)紅外輻射等多種優(yōu)異性能, 不僅是21 世紀(jì)新材料領(lǐng)域的高科技產(chǎn)品, 更是國家重要的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)材料, 政治、經(jīng)濟(jì)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(fù)合材料, 廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域體體育休領(lǐng)域以以及汽制制、 新型建材、信息產(chǎn)業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域。1.2碳纖維的特點(diǎn)碳纖維主要具備以下特性: 1.密度小、質(zhì)量輕, 碳纖維的密度為1. 5 2 g /cm3, 相當(dāng)

2、于鋼密度的 1 /4、鋁合金密度1/2; 2. 強(qiáng)度、彈性模量高, 其強(qiáng)度比鋼大4 5倍, 彈性回復(fù)為100% ; 3. 熱膨脹系數(shù)小, 導(dǎo)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(dǎo)電性好, 25 時高模量碳纖維的比電阻為775*cm , 高強(qiáng)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(qiáng)復(fù)合材料二、碳

3、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 盡管碳纖維可單獨(dú)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(jié)合在一起時, 才能利用其優(yōu)異的力學(xué)性能, 使之更好地承載負(fù)荷。因此, 碳纖維主要還是在復(fù)合材料中作增強(qiáng)材料。根據(jù)使用目的不同可選用各種基體材料和復(fù)合方式來達(dá)到所要求的復(fù)合效果。碳纖維可用來增強(qiáng)樹脂、碳、金屬以各種無機(jī)陶瓷, 而目前使用得最多、最廣泛的是樹脂基復(fù)合材料。2. 1碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料 陶瓷具有優(yōu)異的耐蝕性、耐磨性、耐高溫性和化學(xué)穩(wěn)定性, 廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用產(chǎn)品。它的弱點(diǎn)是對裂紋、氣孔和夾雜物等細(xì)微的缺陷很敏感。用碳纖維增強(qiáng)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(kuò)展。目前國內(nèi)外比較成熟的碳纖維增強(qiáng)陶瓷材料是碳纖維增強(qiáng)碳化硅材料, 因其具有優(yōu)良的高溫力學(xué)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(jī)、可重復(fù)使用航天飛行器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。2. 2碳/碳復(fù)合材料 碳/碳復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料的簡稱, 也是一種高級復(fù)合材料。它是由碳纖維或織物、編織物等增強(qiáng)碳基復(fù)合材料構(gòu)成。碳/碳復(fù)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(shè)計、制制出來的純碳元素構(gòu)成的復(fù)合材料具有許多優(yōu)異性能, 除具備高強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭, 固體火箭發(fā)動機(jī)噴管以以飛機(jī)剎汽盤等高科技領(lǐng)域。2. 3碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)纖維, 金屬為基體的復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料與金屬材料相比, 具有高的比強(qiáng)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(qiáng)鋁、鎂復(fù)合材料的制備技術(shù)比較成熟。制制碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要技術(shù)難點(diǎn)是碳纖維的表面涂層, 以防止在復(fù)合過程中損傷碳纖維,從而使復(fù)合材料的整體性能下降。目前, 在制

6、備碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)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(fù)雜、成本高,限制了碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的推廣應(yīng)用2. 4碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料( CFRP)是目前最先進(jìn)的復(fù)合材料之一。它以輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)廣泛用作結(jié)構(gòu)材料以耐高溫抗燒蝕材料, 是其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所無法比擬的 。碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)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(yīng)性低分子量預(yù)集體或帶有活性基團(tuán)高分子量聚合物組成; 成型過程中, 在固化劑或熱作用下進(jìn)行交聯(lián)、縮聚, 形成不熔不溶的交聯(lián)體型結(jié)

7、構(gòu)。在復(fù)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(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中, 碳纖維起到增強(qiáng)作用, 而樹脂基體則使復(fù)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(fù)合材料的技術(shù)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(fù)合方式也會對復(fù)合材料的性能產(chǎn)生影響。在制備復(fù)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(qiáng)的復(fù)合材料通常具有更好的機(jī)械性能, 但由于其制制成本較高,并不適

8、應(yīng)于大規(guī)模的生產(chǎn)。短纖維復(fù)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(dāng)采用適合的成型工藝時, 短纖維復(fù)合材料甚至可以具備與連續(xù)纖維復(fù)合材料相媲美的機(jī)械性能并且適宜于大規(guī)模的生產(chǎn), 因此短纖維復(fù)合材料近年來得到了廣泛的應(yīng)用。 三、碳纖維以其復(fù)合材料的應(yīng)用三、碳纖維以其復(fù)合材料的應(yīng)用 3.1高新技術(shù)領(lǐng)域 碳纖維復(fù)合材料因其獨(dú)特、卓越的性能， 在航空領(lǐng)越特別是飛機(jī)制制業(yè)中應(yīng)用廣泛。統(tǒng)計顯示， 目前， 碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)上的使用量已占7080， 在軍用飛機(jī)上占3040， 在大型客機(jī)上占1550。AV8B 改型“鷂” 式飛機(jī)是美國軍用飛機(jī)中使用復(fù)合材

9、料最多的機(jī)種， 其機(jī)翼、前機(jī)身都用了石墨環(huán)氧大型部件，全機(jī)所用碳纖維的重量約占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重量的26， 使整機(jī)減重9，有效載荷比AV8A飛機(jī)增加了一倍。數(shù)據(jù)顯示采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的前機(jī)身段， 可比金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量32.24%。用軍機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的重要指標(biāo)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)來衡量，國外第四代軍機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)已達(dá)到2728%。未來以F-22 為目標(biāo)的背景機(jī)復(fù)合材料用量比例需求為35%左右， 其中碳纖維復(fù)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(jié)構(gòu)中，帶有4 條環(huán)形加強(qiáng)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(jié)構(gòu)。美國空軍實(shí)驗(yàn)室1997 年在國家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)試驗(yàn)項(xiàng)目( BMDO CEP) 支持下，成功設(shè)計并制制了以CFRP 為加強(qiáng)筋的AGS 整流罩，重量僅37 kg，同類型鋁合金防護(hù)罩重97 kg，運(yùn)用纖維纏繞技術(shù)實(shí)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(jié)構(gòu)制制復(fù)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(lǐng)域3.2.1碳纖維復(fù)合材料在體體器材上的應(yīng)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(yùn)動的體體器材，人們希望其質(zhì)量越輕越好; 即使是靠人力以外的其他動力來使其運(yùn)動的器材，如賽汽、帆船、摩托艇等，在相同的條件下也以質(zhì)輕為好。碳纖維復(fù)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(fù)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(lǐng)域的應(yīng)用 葉片是風(fēng)

12、力發(fā)電裝備的關(guān)鍵部件，它的質(zhì)量（W）隨葉片長度（L）的三次方增加（ W=A L3）。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量增長到一定程度時，葉片質(zhì)量的增加幅度大于風(fēng)機(jī)能量輸出的增加，那么葉片長度的增加則存在一個極值。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的長度尺寸、剛性以以質(zhì)量代表著風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電水平，常規(guī)的玻璃纖維增強(qiáng)材料制備葉片已難以滿足葉片尺寸加大對剛性與質(zhì)量的綜合要。碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異的抗疲勞特性和良好的導(dǎo)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(fēng)機(jī)裝機(jī)容量快速增長的今天，提高碳纖維復(fù)合材料用量的長葉片大容量風(fēng)機(jī)將成為主要趨勢。 3.2.3碳纖維在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 鐵道部規(guī)劃在3 5 年內(nèi)，時速為

13、160km / h 的汽輛將達(dá)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(shè)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(dāng)嚴(yán)格的技術(shù)要求。理論研究和實(shí)汽運(yùn)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(yùn)行平穩(wěn)性，還是耐磨性、導(dǎo)熱性、制動距離等均不能滿足提速汽輛的需要碳纖維復(fù)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(qiáng)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(diǎn)，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(dá)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(fù)合材料盤型制動器; 日本、法國開發(fā)研制的碳纖維復(fù)合材料剎汽片已成功地應(yīng)用于新干線和TGV 高速列汽制動。面對國外碳纖維復(fù)合材料高技術(shù)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(fù)合材料剎汽片不僅具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且具有巨大的推廣應(yīng)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(yīng)用上的起步、飛機(jī)應(yīng)用以風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的擴(kuò)大，碳纖維的需求快速增加，使全球碳纖維供應(yīng)呈嚴(yán)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(kuò)大產(chǎn)能，碳纖維的生產(chǎn)進(jìn)入高速發(fā)展時期。由于全球?qū)μ祭w維需求的持續(xù)增長，預(yù)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(shù)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(jì)年代后期就開始