碳纤维增强复合材料的研究进展

碳纤维增强复合材料的研究进展

新材料的研究、开发和应用一直是现代高新技术的重要组成部分。其中复合材料,特别是先进复合材料在新材料技术领域占有重要的地位,对促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化,起到了至关重要的作用,因此近年来倍受重视。碳纤维增强复合材料(CFRP)是目前最先进的复合材料之一。它以轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料,是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。1cfrp材料特性碳纤维增强树脂基复合材料具有一系列的优异性能,主要表现在以下几个方面。(1)具有高的比强度和比模量。CFRP的密度仅为钢材的1/5,钛合金的1/3,比铝合金和玻璃钢(GFRP)还轻,使其比强度(强度/密度)是高强度钢、超硬铝、钛合金的4倍左右,玻璃钢的2倍左右;比模量(模量/密度)是它们的3倍以上。CFRP轻而刚、刚而强的特性是其广泛用于宇航结构材料最基本的性能。(2)耐疲劳。在静态下,CFRP循环105次、承受90%的极限强度应力时才被破坏,而钢材只能承受极限强度的50%左右。对于碳纤维增强树脂基复合材料,在应力作用下呈现粘弹性材料的疲劳特性,显示出耐疲劳特性。CFRP呈现出良好的抗蠕变性能,这可能与碳纤维的刚性有关。(3)热膨胀系数小。碳纤维的热膨胀系数α具有显著的各向异性,使其复合材料的α也具有各向异性。对于单向CFRP,平行于纤维方向的热膨胀系数为αII,垂直于纤维方向为α⊥,以下面两式表示。式中,α、E和V分别代表热膨胀系数、杨氏模量和体积分数;下标f、m分别代表增强纤维、基体树脂。由于增强纤维的杨氏模量Ef较集体树脂Em大得多,α主要取决于增强纤维。各种材料的热性能见表2。(4)耐磨擦,抗磨损。CFRP有优良的耐疲劳特性、热膨胀系数小和热导率高的特性,具耐磨擦、抗磨损的基本性能。再加之碳纤维具有乱层石墨结构,自润滑性好,适用于摩擦磨损材料。比磨耗量可用以下三式表示。式中,Wr为比磨耗量;K为比例常数;S为循环作用的应力;S0为材料的拉伸强度;N为断裂时的循环次数。CFRP具有高的拉伸强度,是优良的摩擦材料。(5)耐蚀性。碳纤维的耐蚀性非常优异,在酸、碱、盐和溶剂中长期浸泡不会溶胀变质。CFRP的耐蚀性主要取决于基体树脂。长期在酸、碱、盐和有机溶剂环境中,刻蚀、溶胀等使其变性、腐蚀,导致复合材料性能下降。(6)耐水性好。碳纤维复合材料的耐水性好,可长期在潮湿环境和水中使用。一般沿纤维方向(0°)的强度保持率较高,垂直于纤维方向(90°)的保持率较低。这可能与基体树脂的吸湿、溶胀有关。(7)导电性好。碳纤维具有导电性能。对于CFRP导电性能来自碳纤维,基体树脂是绝缘体。因此,CFRP的导电性能也具有各向异性。(8)射线透过性。CFRP对X射线透过率大,吸收率小,可在医疗器材(如X光机)方面应用。2材料的力学性能碳纤维增强树脂基复合材料是以聚合物为基体(连续相),纤维为增强材料(分散相)组成的复合材料。纤维材料的强度和模量一般比基体材料高得多,使它成为主要的承载体。但是必须有一种粘接性能好的基体材料把纤维牢固地粘接起来。同时,基体材料又能起到使外加载荷均匀分布,并传递给纤维的作用。这种复合材料的特点是,在应力作用下,使纤维的应变与基体树脂的应变归于相等,但由于基体树脂的弹性模量比纤维小得多,且易塑性屈服,因而当纤维和基体处在相同应变时,纤维中的应力要比基体中的应力大得多,致使一些有裂口的纤维先断头,然而由于断头部分受到粘着它的基体的塑性流动的阻碍,断纤维在稍离断头的未断部分仍然与其周围未断纤维一样承担相同的负荷。复合增强的另一原因是基体抑制裂纹的效应,柔软基体依靠切变作用使裂纹不沿垂直方向发展而发生偏斜,导致断裂能有很大一部分用于抵抗基体对纤维的粘着力,从而使银纹在CFRP整个体积内得到一致,而使抵抗裂纹产生、生长、断裂以及裂纹传播的能力都大为提高。因此,CFRP的力学性能得到很大的改善和提高。对于复合材料,复合的目的是使材料具有最佳的强度、刚度和韧性等。为此,对增强纤维与基体材料都有一定的基本要求。(1)纤维是复合材料的主要承载组分,应具有高强度和高模量。纤维复合材料在使用中,纤维承受载荷的能力越强,就越能发挥其对基体材料的增强作用。高模量即高刚度是保证结构稳定性所必要的。另外,还要求增强纤维的密度小、热稳定性强等。(2)增强纤维与基体之间能够形成具有一定结合强度的界面。适当的界面结合强度不仅有利于提高材料的整体强度,更重要的是便于将基体所承受的载荷通过界面传递给纤维,以充分发挥其增强作用。若结合强度太低,界面很难传递载荷,不能发挥纤维的增强作用,影响复合材料的整体强度;但结合强度太高也不利,它遏制复合材料在断裂时纤维由基体中拔出而发生的能量吸收过程,降低强度并容易诱发危险的脆性断裂。界面结合强度主要取决于基体与纤维表面结合的性质以及纤维表面状态。为了提高复合材料的界面强度,可采用对纤维进行表面处理的方法。例如将碳纤维在60%的硝酸溶液浸泡24小时后,纤维表面积可增大30~40倍,纤维表面的羧基数量也增多,使碳纤维与尼龙的复合性能得到改善,界面结合强度提高。(3)基体中增强纤维的含量、尺寸及分布必须适宜。一般而言,基体中纤维的体积含量越高,其增强效果越显著。通常,如果纤维直径越细,则缺陷越少,纤维强度和比表面积也大,对提高界面结合强度有利。纤维长度也是影响其增强效果的重要因素。连续纤维的增强效果比短纤维要好得多。理论计算的结果表明,只有当纤维长度超过某一临界值时,它才能显示出明显的增强效果。这一结论对纤维增强复合材料的设计具有指导意义。纤维在基体中的分布方式应满足制品的受力要求。由于纤维的纵向拉伸强度比横向高数十倍,因此应尽量使纤维平行排列于载荷的作用方向。在受力比较复杂的情况下,可将纤维按不同方向交叉层叠排列,以便在各个方向都能发挥增强作用。3不同级别的纳米药物碳纤维增强复合材料一直是被区分为长(连续)纤维和短纤维来加工的,从典型的300~400米到几个毫米分为不同的品级。过去10年中,人们一直在改进不同种类的碳纤维复合材料的性能和加工方法,从短纤维混料注射加工到层压成型,从预浸料处理到模塑法加工,力求为这种性能优良的材料寻找到最佳的加工方法。3.1不受样品尺寸和形状限制,以以劳手糊工艺的最大特色是以手工操作为主,适于多品种、小批量生产,且不受制品尺寸和形状的限制。但这种方法生产效率低、劳动条件差,且劳动强度大;制品质量不易控制,性能稳定性差,制品强度较其他方法低。3.2喷射成型制品喷射成型是通过喷枪将短切纤维和雾化树脂同时喷射到开模表面,经辊压、固化制取复合材料制件的方法。它是为改进手糊成型而创造开发的一种半机械化成型技术。喷射成型对原材料有一定的要求。如树脂体系的黏度应适中(0.3~0.8Pa·s),容易喷射雾化、脱除气泡、润湿纤维而又不易流失以及不带静电等。制品纤维含量控制在28%~33%,纤维长度25~50mm。其优点是生产效率比手糊提高2~4倍,劳动强度低,可用较少设备投资实现中批量生产,材料成本低;制品整体性好,制件的形状和尺寸不受限制;可自由调节产品壁厚、纤维与树脂比例。主要缺点是现场污染大,树脂含量高,制件的承载能力低。3.3“个性化、高级化、产量中等”的心理模型RTM是一种适宜多品种、中批量、高质量符合材料制品的低成本技术。目前,在发达国家里复合材料工业已由“产量大、消费大”步入“个性化、高级化、产量中等”阶段,这也正适合“个性化、高级化、产量中等”要求的树脂传递模塑(RTM)工艺,从而使其获得蓬勃发展。3.4im的基本原理反应注射成型(RIM)和增强反应注射成型(RRIM)主要是热塑性塑料的注塑成型。近年来又发展新的注射成型。RIM的基本原理是将两种反应物(高活性的液状单体或齐聚物)精确计量,经高压碰撞混合后充入模内,混合物在模具型腔内迅速发生聚合反应固化成型。其突出特点是生产效率高、能耗低。RRIM是短切纤维或片状增强材料增强的RIM,它是在RIM基础上发展起来的,在单体中加入增强材料,即反应单体与增强材料一同通过混合头注入模具型腔制备复合材料制品。3.5其他固化成制品纤维缠绕成型是将浸渍树脂的纤维丝束或带,在一定张力下,按照一定规律缠绕到芯模上,然后在加热或常温下固化成制品的方法。纤维缠绕成型的主要特点是,纤维能保持连续完整,制件线形可按制品受力情况设计即可按性能要求配置增强材料,结构效率高,制品强度高;可连续化、机械化生产,生产周期短,劳动强度小;产品不需机械加工,但设备复杂,技术难度高,工艺质量不易控制。3.6牵引下固化热口模拉挤成型是一种连续生产固定截面型材的成型方法。主要过程是将浸有树脂的纤维连续通过一定型面的加热口模,挤出多余树脂,在牵引条件下进行固化。拉挤成型的最大特点是连续成型,制品长度不受限制,力学性能尤其是纵向力学性能突出,结构效率高,制造成本低,自动化程度高,制品性能稳定,生产效率高,原材料利用率高,不需要辅助材料。它是制造高纤维体积含量、高性能低成本复合材料的一种重要方法。4基于机构及主要的车辆、设备和综合碳纤维复合材料因其较高的比强度、比模量在国外先进战略、战术固体火箭发动机方面应用较多。除军用外,开发碳纤维复合材料的其它应用也大有作为,如飞机及高速列车刹车系统、民用飞机及汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承、风力发电机大型叶片、体育运动器材(如滑雪板、球拍、渔杆)等。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的逐步下降,在增强混凝土、新型取暖装置、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用也必将迅速扩大。我国为配合北京奥运会,拟大力开发新型CFRP,建材及与环保、日用消费品相关的高科技CFRP新市场。4.1碳纤维复合材料作为主承力结构碳纤维复合材料与钢材相比其质量减轻75%,而强度却提高4倍,其最早最成熟的应用当属在航空航天领域,如军用飞机、无人战斗机及导弹、火箭、人造卫星等。早在1970年代初期,美国军用F-14战斗机就部分采用碳纤维复合材料作为主承力结构。在民用航空领域,如波音767和空中客车A310中,碳纤维复合材料也占到了结构质量的3%和5%左右。近几年随着碳纤维工业技术和航空航天事业的不断发展,碳纤维在这一领域的应用更加广泛,如用于制造人造卫星支架、卫星天线、航天飞机的机翼、火箭的喷焰口、战略导弹的末级助推器、机器人的外壳等。碳纤维复合材料在空间技术上的应用,国内也有成功范例,如我国的第一颗实用通信卫星应用了碳纤维/环氧复合材料抛物面天线系统;第一颗太阳同步轨道″风云一号″气象卫星采用了多折迭式碳纤维复合材料刚性太阳电池阵结构等。4.2复合材料的优点体育休闲用品是碳纤维复合材料应用的另一个重要领域,如高尔夫球杆、滑雪板、滑雪车、网球拍、钓鱼竿等。用碳纤维复合材料制成的球拍与传统的铝合金球拍相比,其质量更轻、手感和硬度更好、对震荡和振动的吸收也更好,且使用寿命大大延长。同时由于复合材料本身的可设计性,使得制造商在球拍的硬度、弹性、球感、击球性能的设计上,有了更大的想象空间。而碳纤维钓鱼竿由于其良好的韧性与耐用性,更是被广泛青睐。近年来,碳纤维复合材料在运动及休闲型自行车零组件方面的应用也非常广泛。4.3材料上的应用碳纤维增强复合材料在交通运输方面主要是汽车骨架、螺旋桨芯轴、轮毂、缓冲器、弹簧片、引擎零件、船舶的增强材料等,尤其在汽车方面的应用更是潜力巨大。早在1979年,福特汽车公司就在实验车上作了试验,将其车身、框架等160个部件用碳纤维复合材料制造,结果整车减重33%,汽油的利用率提高了44%,同时大大降低了振动和噪音。4.5生物医用领域防弹产品方面,包括防弹头盔、防弹服、防弹运钞车和防弹汽车等;电子工业方面,包括各种反射面天线、印刷电