碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究進(jìn)展

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究進(jìn)展

新材料的研究、開發(fā)和應(yīng)用一直是現(xiàn)代高新技術(shù)的重要組成部分。其中復(fù)合材料,特別是先進(jìn)復(fù)合材料在新材料技術(shù)領(lǐng)域占有重要的地位,對(duì)促進(jìn)世界各國(guó)軍用和民用領(lǐng)域的高科技現(xiàn)代化,起到了至關(guān)重要的作用,因此近年來(lái)倍受重視。碳纖維增強(qiáng)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)材料及耐高溫抗燒蝕材料,是其它纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所無(wú)法比擬的。1cfrp材料特性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有一系列的優(yōu)異性能,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。(1)具有高的比強(qiáng)度和比模量。CFRP的密度僅為鋼材的1/5,鈦合金的1/3,比鋁合金和玻璃鋼(GFRP)還輕,使其比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)是高強(qiáng)度鋼、超硬鋁、鈦合金的4倍左右,玻璃鋼的2倍左右;比模量(模量/密度)是它們的3倍以上。CFRP輕而剛、剛而強(qiáng)的特性是其廣泛用于宇航結(jié)構(gòu)材料最基本的性能。(2)耐疲勞。在靜態(tài)下,CFRP循環(huán)105次、承受90%的極限強(qiáng)度應(yīng)力時(shí)才被破壞,而鋼材只能承受極限強(qiáng)度的50%左右。對(duì)于碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料,在應(yīng)力作用下呈現(xiàn)粘彈性材料的疲勞特性,顯示出耐疲勞特性。CFRP呈現(xiàn)出良好的抗蠕變性能,這可能與碳纖維的剛性有關(guān)。(3)熱膨脹系數(shù)小。碳纖維的熱膨脹系數(shù)α具有顯著的各向異性,使其復(fù)合材料的α也具有各向異性。對(duì)于單向CFRP,平行于纖維方向的熱膨脹系數(shù)為αII,垂直于纖維方向?yàn)棣痢?以下面兩式表示。式中,α、E和V分別代表熱膨脹系數(shù)、楊氏模量和體積分?jǐn)?shù);下標(biāo)f、m分別代表增強(qiáng)纖維、基體樹脂。由于增強(qiáng)纖維的楊氏模量Ef較集體樹脂Em大得多,α主要取決于增強(qiáng)纖維。各種材料的熱性能見(jiàn)表2。(4)耐磨擦,抗磨損。CFRP有優(yōu)良的耐疲勞特性、熱膨脹系數(shù)小和熱導(dǎo)率高的特性,具耐磨擦、抗磨損的基本性能。再加之碳纖維具有亂層石墨結(jié)構(gòu),自潤(rùn)滑性好,適用于摩擦磨損材料。比磨耗量可用以下三式表示。式中,Wr為比磨耗量;K為比例常數(shù);S為循環(huán)作用的應(yīng)力;S0為材料的拉伸強(qiáng)度;N為斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)。CFRP具有高的拉伸強(qiáng)度,是優(yōu)良的摩擦材料。(5)耐蝕性。碳纖維的耐蝕性非常優(yōu)異,在酸、堿、鹽和溶劑中長(zhǎng)期浸泡不會(huì)溶脹變質(zhì)。CFRP的耐蝕性主要取決于基體樹脂。長(zhǎng)期在酸、堿、鹽和有機(jī)溶劑環(huán)境中,刻蝕、溶脹等使其變性、腐蝕,導(dǎo)致復(fù)合材料性能下降。(6)耐水性好。碳纖維復(fù)合材料的耐水性好,可長(zhǎng)期在潮濕環(huán)境和水中使用。一般沿纖維方向(0°)的強(qiáng)度保持率較高,垂直于纖維方向(90°)的保持率較低。這可能與基體樹脂的吸濕、溶脹有關(guān)。(7)導(dǎo)電性好。碳纖維具有導(dǎo)電性能。對(duì)于CFRP導(dǎo)電性能來(lái)自碳纖維,基體樹脂是絕緣體。因此,CFRP的導(dǎo)電性能也具有各向異性。(8)射線透過(guò)性。CFRP對(duì)X射線透過(guò)率大,吸收率小,可在醫(yī)療器材(如X光機(jī))方面應(yīng)用。2材料的力學(xué)性能碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是以聚合物為基體(連續(xù)相),纖維為增強(qiáng)材料(分散相)組成的復(fù)合材料。纖維材料的強(qiáng)度和模量一般比基體材料高得多,使它成為主要的承載體。但是必須有一種粘接性能好的基體材料把纖維牢固地粘接起來(lái)。同時(shí),基體材料又能起到使外加載荷均勻分布,并傳遞給纖維的作用。這種復(fù)合材料的特點(diǎn)是,在應(yīng)力作用下,使纖維的應(yīng)變與基體樹脂的應(yīng)變歸于相等,但由于基體樹脂的彈性模量比纖維小得多,且易塑性屈服,因而當(dāng)纖維和基體處在相同應(yīng)變時(shí),纖維中的應(yīng)力要比基體中的應(yīng)力大得多,致使一些有裂口的纖維先斷頭,然而由于斷頭部分受到粘著它的基體的塑性流動(dòng)的阻礙,斷纖維在稍離斷頭的未斷部分仍然與其周圍未斷纖維一樣承擔(dān)相同的負(fù)荷。復(fù)合增強(qiáng)的另一原因是基體抑制裂紋的效應(yīng),柔軟基體依靠切變作用使裂紋不沿垂直方向發(fā)展而發(fā)生偏斜,導(dǎo)致斷裂能有很大一部分用于抵抗基體對(duì)纖維的粘著力,從而使銀紋在CFRP整個(gè)體積內(nèi)得到一致,而使抵抗裂紋產(chǎn)生、生長(zhǎng)、斷裂以及裂紋傳播的能力都大為提高。因此,CFRP的力學(xué)性能得到很大的改善和提高。對(duì)于復(fù)合材料,復(fù)合的目的是使材料具有最佳的強(qiáng)度、剛度和韌性等。為此,對(duì)增強(qiáng)纖維與基體材料都有一定的基本要求。(1)纖維是復(fù)合材料的主要承載組分,應(yīng)具有高強(qiáng)度和高模量。纖維復(fù)合材料在使用中,纖維承受載荷的能力越強(qiáng),就越能發(fā)揮其對(duì)基體材料的增強(qiáng)作用。高模量即高剛度是保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所必要的。另外,還要求增強(qiáng)纖維的密度小、熱穩(wěn)定性強(qiáng)等。(2)增強(qiáng)纖維與基體之間能夠形成具有一定結(jié)合強(qiáng)度的界面。適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合強(qiáng)度不僅有利于提高材料的整體強(qiáng)度,更重要的是便于將基體所承受的載荷通過(guò)界面?zhèn)鬟f給纖維,以充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用。若結(jié)合強(qiáng)度太低,界面很難傳遞載荷,不能發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用,影響復(fù)合材料的整體強(qiáng)度;但結(jié)合強(qiáng)度太高也不利,它遏制復(fù)合材料在斷裂時(shí)纖維由基體中拔出而發(fā)生的能量吸收過(guò)程,降低強(qiáng)度并容易誘發(fā)危險(xiǎn)的脆性斷裂。界面結(jié)合強(qiáng)度主要取決于基體與纖維表面結(jié)合的性質(zhì)以及纖維表面狀態(tài)。為了提高復(fù)合材料的界面強(qiáng)度,可采用對(duì)纖維進(jìn)行表面處理的方法。例如將碳纖維在60%的硝酸溶液浸泡24小時(shí)后,纖維表面積可增大30~40倍,纖維表面的羧基數(shù)量也增多,使碳纖維與尼龍的復(fù)合性能得到改善,界面結(jié)合強(qiáng)度提高。(3)基體中增強(qiáng)纖維的含量、尺寸及分布必須適宜。一般而言,基體中纖維的體積含量越高,其增強(qiáng)效果越顯著。通常,如果纖維直徑越細(xì),則缺陷越少,纖維強(qiáng)度和比表面積也大,對(duì)提高界面結(jié)合強(qiáng)度有利。纖維長(zhǎng)度也是影響其增強(qiáng)效果的重要因素。連續(xù)纖維的增強(qiáng)效果比短纖維要好得多。理論計(jì)算的結(jié)果表明,只有當(dāng)纖維長(zhǎng)度超過(guò)某一臨界值時(shí),它才能顯示出明顯的增強(qiáng)效果。這一結(jié)論對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。纖維在基體中的分布方式應(yīng)滿足制品的受力要求。由于纖維的縱向拉伸強(qiáng)度比橫向高數(shù)十倍,因此應(yīng)盡量使纖維平行排列于載荷的作用方向。在受力比較復(fù)雜的情況下,可將纖維按不同方向交叉層疊排列,以便在各個(gè)方向都能發(fā)揮增強(qiáng)作用。3不同級(jí)別的納米藥物碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一直是被區(qū)分為長(zhǎng)(連續(xù))纖維和短纖維來(lái)加工的,從典型的300~400米到幾個(gè)毫米分為不同的品級(jí)。過(guò)去10年中,人們一直在改進(jìn)不同種類的碳纖維復(fù)合材料的性能和加工方法,從短纖維混料注射加工到層壓成型,從預(yù)浸料處理到模塑法加工,力求為這種性能優(yōu)良的材料尋找到最佳的加工方法。3.1不受樣品尺寸和形狀限制,以以勞手糊工藝的最大特色是以手工操作為主,適于多品種、小批量生產(chǎn),且不受制品尺寸和形狀的限制。但這種方法生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)條件差,且勞動(dòng)強(qiáng)度大;制品質(zhì)量不易控制,性能穩(wěn)定性差,制品強(qiáng)度較其他方法低。3.2噴射成型制品噴射成型是通過(guò)噴槍將短切纖維和霧化樹脂同時(shí)噴射到開模表面,經(jīng)輥壓、固化制取復(fù)合材料制件的方法。它是為改進(jìn)手糊成型而創(chuàng)造開發(fā)的一種半機(jī)械化成型技術(shù)。噴射成型對(duì)原材料有一定的要求。如樹脂體系的黏度應(yīng)適中(0.3~0.8Pa·s),容易噴射霧化、脫除氣泡、潤(rùn)濕纖維而又不易流失以及不帶靜電等。制品纖維含量控制在28%~33%,纖維長(zhǎng)度25~50mm。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率比手糊提高2~4倍,勞動(dòng)強(qiáng)度低,可用較少設(shè)備投資實(shí)現(xiàn)中批量生產(chǎn),材料成本低;制品整體性好,制件的形狀和尺寸不受限制;可自由調(diào)節(jié)產(chǎn)品壁厚、纖維與樹脂比例。主要缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)污染大,樹脂含量高,制件的承載能力低。3.3“個(gè)性化、高級(jí)化、產(chǎn)量中等”的心理模型RTM是一種適宜多品種、中批量、高質(zhì)量符合材料制品的低成本技術(shù)。目前,在發(fā)達(dá)國(guó)家里復(fù)合材料工業(yè)已由“產(chǎn)量大、消費(fèi)大”步入“個(gè)性化、高級(jí)化、產(chǎn)量中等”階段,這也正適合“個(gè)性化、高級(jí)化、產(chǎn)量中等”要求的樹脂傳遞模塑(RTM)工藝,從而使其獲得蓬勃發(fā)展。3.4im的基本原理反應(yīng)注射成型(RIM)和增強(qiáng)反應(yīng)注射成型(RRIM)主要是熱塑性塑料的注塑成型。近年來(lái)又發(fā)展新的注射成型。RIM的基本原理是將兩種反應(yīng)物(高活性的液狀單體或齊聚物)精確計(jì)量,經(jīng)高壓碰撞混合后充入模內(nèi),混合物在模具型腔內(nèi)迅速發(fā)生聚合反應(yīng)固化成型。其突出特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、能耗低。RRIM是短切纖維或片狀增強(qiáng)材料增強(qiáng)的RIM,它是在RIM基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,在單體中加入增強(qiáng)材料,即反應(yīng)單體與增強(qiáng)材料一同通過(guò)混合頭注入模具型腔制備復(fù)合材料制品。3.5其他固化成制品纖維纏繞成型是將浸漬樹脂的纖維絲束或帶,在一定張力下,按照一定規(guī)律纏繞到芯模上,然后在加熱或常溫下固化成制品的方法。纖維纏繞成型的主要特點(diǎn)是,纖維能保持連續(xù)完整,制件線形可按制品受力情況設(shè)計(jì)即可按性能要求配置增強(qiáng)材料,結(jié)構(gòu)效率高,制品強(qiáng)度高;可連續(xù)化、機(jī)械化生產(chǎn),生產(chǎn)周期短,勞動(dòng)強(qiáng)度小;產(chǎn)品不需機(jī)械加工,但設(shè)備復(fù)雜,技術(shù)難度高,工藝質(zhì)量不易控制。3.6牽引下固化熱口模拉擠成型是一種連續(xù)生產(chǎn)固定截面型材的成型方法。主要過(guò)程是將浸有樹脂的纖維連續(xù)通過(guò)一定型面的加熱口模,擠出多余樹脂,在牽引條件下進(jìn)行固化。拉擠成型的最大特點(diǎn)是連續(xù)成型,制品長(zhǎng)度不受限制,力學(xué)性能尤其是縱向力學(xué)性能突出,結(jié)構(gòu)效率高,制造成本低,自動(dòng)化程度高,制品性能穩(wěn)定,生產(chǎn)效率高,原材料利用率高,不需要輔助材料。它是制造高纖維體積含量、高性能低成本復(fù)合材料的一種重要方法。4基于機(jī)構(gòu)及主要的車輛、設(shè)備和綜合碳纖維復(fù)合材料因其較高的比強(qiáng)度、比模量在國(guó)外先進(jìn)戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方面應(yīng)用較多。除軍用外,開發(fā)碳纖維復(fù)合材料的其它應(yīng)用也大有作為,如飛機(jī)及高速列車剎車系統(tǒng)、民用飛機(jī)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(jī)大型葉片、體育運(yùn)動(dòng)器材(如滑雪板、球拍、漁桿)等。隨著碳纖維生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和生產(chǎn)成本的逐步下降,在增強(qiáng)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(kuò)大。我國(guó)為配合北京奧運(yùn)會(huì),擬大力開發(fā)新型CFRP,建材及與環(huán)保、日用消費(fèi)品相關(guān)的高科技CFRP新市場(chǎng)。4.1碳纖維復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料與鋼材相比其質(zhì)量減輕75%,而強(qiáng)度卻提高4倍,其最早最成熟的應(yīng)用當(dāng)屬在航空航天領(lǐng)域,如軍用飛機(jī)、無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)及導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星等。早在1970年代初期,美國(guó)軍用F-14戰(zhàn)斗機(jī)就部分采用碳纖維復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)。在民用航空領(lǐng)域,如波音767和空中客車A310中,碳纖維復(fù)合材料也占到了結(jié)構(gòu)質(zhì)量的3%和5%左右。近幾年隨著碳纖維工業(yè)技術(shù)和航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展,碳纖維在這一領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛,如用于制造人造衛(wèi)星支架、衛(wèi)星天線、航天飛機(jī)的機(jī)翼、火箭的噴焰口、戰(zhàn)略導(dǎo)彈的末級(jí)助推器、機(jī)器人的外殼等。碳纖維復(fù)合材料在空間技術(shù)上的應(yīng)用,國(guó)內(nèi)也有成功范例,如我國(guó)的第一顆實(shí)用通信衛(wèi)星應(yīng)用了碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料拋物面天線系統(tǒng);第一顆太陽(yáng)同步軌道″風(fēng)云一號(hào)″氣象衛(wèi)星采用了多折迭式碳纖維復(fù)合材料剛性太陽(yáng)電池陣結(jié)構(gòu)等。4.2復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)體育休閑用品是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的另一個(gè)重要領(lǐng)域,如高爾夫球桿、滑雪板、滑雪車、網(wǎng)球拍、釣魚竿等。用碳纖維復(fù)合材料制成的球拍與傳統(tǒng)的鋁合金球拍相比,其質(zhì)量更輕、手感和硬度更好、對(duì)震蕩和振動(dòng)的吸收也更好,且使用壽命大大延長(zhǎng)。同時(shí)由于復(fù)合材料本身的可設(shè)計(jì)性,使得制造商在球拍的硬度、彈性、球感、擊球性能的設(shè)計(jì)上,有了更大的想象空間。而碳纖維釣魚竿由于其良好的韌性與耐用性,更是被廣泛青睞。近年來(lái),碳纖維復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)及休閑型自行車零組件方面的應(yīng)用也非常廣泛。4.3材料上的應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在交通運(yùn)輸方面主要是汽車骨架、螺旋槳芯軸、輪轂、緩沖器、彈簧片、引擎零件、船舶的增強(qiáng)材料等,尤其在汽車方面的應(yīng)用更是潛力巨大。早在1979年,福特汽車公司就在實(shí)驗(yàn)車上作了試驗(yàn),將其車身、框架等160個(gè)部件用碳纖維復(fù)合材料制造,結(jié)果整車減重33%,汽油的利用率提高了44%,同時(shí)大大降低了振動(dòng)和噪音。4.5生物醫(yī)用領(lǐng)域防彈產(chǎn)品方面,包括防彈頭盔、防彈服、防彈運(yùn)鈔車和防彈汽車等;電子工業(yè)方面,包括各種反射面天線、印刷電