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  碳纤维经编复合材料的开发应用  
  点击次数:  发布日期:2012-08-31  
 
谈昆伦
(常州宏发纵横新材料科技有限公司,江苏常州,213161)
 

一、概述
        在复合材料大家族中,纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来,碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功,性能不断得到改进,使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。
        碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,其含碳量随种类不同而异,一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性,如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等,但与一般碳素材料不同的是,其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物,沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小,因此有很高的比强度。如图1碳纤维经编机。
碳纤维是由含碳量较高,在热处理过程中不熔融的人造化学纤维,经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。
碳纤维的性能特点可归纳如下:
1.碳纤维的密度是钢的7.8倍,是铝的2.7倍;
2.碳纤维复合材料的抗疲劳和硬度优于玻璃纤维复合材料;
3.铝相比较,碳纤维的强度是铝的7倍,且比铝轻1.5倍。
其主要优点有:
1.纤维屈曲程度较小,利于发挥纤维性能;
2.铺覆性、工艺性好;
3.改善复合材料的冲击性能(尤其CAI)和损伤容限;
4.制造工艺简单,成本低。



图1 碳纤维经编机


二、碳纤维的在复合材料中的应用
       碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都颇具优势。
        碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的,现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻,促使科技工作者不断努力提高。80年代初期,高性能及超高性能的碳纤维相继出现,这在技术上是又一次飞跃,同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。
        由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料,由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤,就可使运载火箭减轻500公斤。所以,在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机,它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4,占机翼重量的1/3。据报道,美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等,都是用先进的碳纤维复合材料制成的。


碳纤维主要运用在以下几个行业,如图2:
-风电叶片>3.5兆瓦;
-汽车;
-造船、游艇;
-航空。



图2 碳纤维应用


2.1碳纤维在风电叶片中的应用
        在风力发电领域,经编复合材料是制造风力发电叶片及其它重要结构部件的主要材料,叶片90%以上重量由复合材料组成。采用碳纤维NCF织物制备的复合材料风机叶片,具有质量轻、强度高、刚性好的优点,能够满足开发大型化、轻量化、高性能、低成本的发电叶片的要求,如图3所示为风机叶片,图4为叶片结构。



图3 采用碳纤维NCF织物制造的复合材料风机叶片

图4 叶片结构

 

2.2 碳纤维在汽车中的应用
        汽车、交通也是经编复合材料一个很大的应用领域,碳纤维NCF织物在汽车上主要用于制造车体、发动机引擎、保险杠、板簧等结构,其独特的性能以及可预设性,不仅减轻了车体重量,节省了燃料,而且极大地提高了性能。如图5、图6分别是采用碳纤维NCF织物制造的汽车车体和各种汽车零件。




图5 碳纤维NCF织物制造的复合材料车体

图6 汽车上的各种纤维NCF织物复合材料零件


2.3碳纤维在游艇中的应用
        碳纤维复合材料稳固性好,轻质高强,可用来制造船艇的船身、舱壁、甲板、上部结构、桅杆、船帆等,造船业是目前经编复合材料应用最大的市场,如图7所示实物展示。


图7 碳纤维复合材料在造船业中的应用


2.4 碳纤维在大飞机上的应用
        航空航天是最早应用经编复合材料的领域,如采用碳纤维经编复合材料制造的A300和A330的翼梁,A400军用运输机的后舱门以及A380的坐窗。
        树脂基复合材料预浸料/热压罐成型工艺高的制造成本,是制约复合材料结构推广扩大应用的重要因素之一,但同时又促进推动了非预浸料和/或非热压罐成型工艺的开发研究。预成型体/复合材料液体成型工艺(Liquid Composite Molding,LCM工艺)脱颖而出,在大飞机复合材料结构制造上得到了成功应用。
        预成型体制备是预成型体/LCM工艺的关键。预成型体需要满足大飞机主结构对纤维铺层方向、比例和顺序的要求,同时还必须满足高碳纤维体积含量的要求。如图8、图9所示分别为RTM工艺原理图和RFI工艺原理图。


图8 RTM工艺原理图


图9 RFI工艺原理图


        碳纤维经编织物以其独特的编织方式,保持了碳纤维平直,满足铺层方向、比例和顺序的要求,同时,编织物整体性好、铺层效率高,经编方式使织物铺贴性好,满足LCM工艺和结构件构型要求,而得到成功应用,如图10所示。


图10 传统机织物与经编多轴向织物的结构比较

 
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