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碳纤维增强基复合材料 科普中国 本词条由“科普中国”百科科学词条编写与应用工作项目审核 碳纤维增强复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料。在众多轻量化材料中具有较高的比强度、比刚性，轻量化效果十分明显，在航空航天、军工产品中得到广泛应用。应用在车身结构件中，减轻质量效果尤为明显，比钢铁材料轻50%，比铝材轻30%，因此得到国内外各大汽车公司的广泛关注。[1] 中文名 碳纤维增强基复合材料 外文名 Carbon Fibre-reinforced Polymer 简称 CFRP 原材料 树脂、陶瓷、金属、水泥 特性 碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。 （1）密度低（1.7g/cm3左右）在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200℃时可保留室温强度；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。 （2）热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。 （3）耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部，C-C材料是一种升华-辐射型材料。 碳纤维增强复合材料应用 碳纤维增强复合材料的优异的力学性能和热物理性能，使它广泛的应用于核反应堆，固体火箭喷管，热交换器和制动盘[2]。而C-C材料的热烧蚀性能广泛应用于烧蚀型防热材料。如：用于火箭的喷管喉衬和远程导弹头锥；其次，在电子电器工业可作电极板，医疗中可作人工心脏瓣膜阀体。 碳纤维 复合原理 它以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。 复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。 加工方法 碳复合材料的成型加工技术包括碳纤维的坯体制造、碳基体的制造和基体与纤维的复合。 首先，将碳纤维或碳纤维织物制成坯体，根据原料形式不同分为：长纤维缠绕法；碳毡短纤维模压或喷射成型；石墨布叠层。目前，其坯体研制以三向织物为主，三向织物以X、Y、Z方向互成90o正交排列，各方向的碳纤维在织物中保持准直，因此能较好的发挥纤维的力学性能。 其次，制作复合材料的基体。碳-碳复合材料的基体有树脂碳和热解碳两种，树脂碳是由合成树脂或沥青经碳化和石墨化获得，热解碳是由烃类气体的气相沉积获得。 最后，把坯体与基体复合成型。 方法有两种 一、把来源于煤油和石油的熔融的沥青在加热加压的条件下浸渍到碳纤维坯体的结构缝隙中，然后使其热解，再反复浸渍-热解直到复合材料达到要求密度。 二、通过气相化学沉积法在热的基质材料上形成高强度热解石墨。 加工工艺 传统工艺 传统的碳纤维复合材料有多种成型工艺，如喷射成型，手糊成型，缠绕成型，以及模压成型工艺等。这些工艺在车用碳纤维复合材料制件中有许多应用，如某跑车车身采用手糊成型工艺，重型卡车上顶部采用喷射成型工艺，纤维缠绕成型工艺应用于乘用车用高压气瓶，某皮卡车厢采用模压成型工艺。[3] 树脂转移模塑工艺 传统成型工艺一般生产效率低，生产周期长，工作环境差，对大批量生产往往不太合适。目前，树脂转移模塑（RTM）成型工艺受到越来越广泛的关注。 RTM工艺是复合材料较为常用的一种成型工艺，该工艺是将纤维增强材料或预成坯铺放到闭模模腔内，用压力将树脂液注入模腔，浸透纤维或预成型坯，然后固化，脱模成型制品。其工艺特点为，可以制造两面光洁的制品，成型效率高，适合于中等规模（年产量为2万~5万件）的复合材料产品生产，为闭膜成型技术，不污染环境，增强材料可根据产品受力情况任意铺放。生产设备投资少，属于低成本、高性能复合材料成型技术，尤其适合于小批量、多品种汽车结构件、覆盖件的生产，国外已普遍应用。 真空辅助树脂传递模塑和树脂浸渍模塑工艺 RTM技术在国际上有较快的发展，不断派生出新的成型方法。其中真空辅助树脂传递模塑（VARTM）和西曼复合材料公司树脂浸渍模塑法（SCRIMP）是目前用得较多的较典型的派生技术。该两项成型技术利用真空辅助加压浸渍，使纤维增强材浸渍速度快、面积广、更均匀，产品质量更趋稳定并提高。真空辅助成型工艺（VARI Vacuum Assisted Resin Infusion）是一种新型的低成本的复合材料大型制件的成型技术，它是在真空状态下排除纤维增强体中的气体，利用树脂的流动、渗透，实现对纤维及其织物的浸渍，并在室温下进行固化，形成纤维增强材料的工艺方法。对于大尺寸、大厚度的复合材料制件，VARI是一种十分有效的成型方法；采用以往的复合材料成型工艺，较大的模具选材困难，而且成本昂贵，制造十分困难，尤其是对大厚度的汽车结构件。VARI 成型工艺和传统工艺相比，不需要热压罐，即可在室温下固化，经裁边和表面喷涂等后处理可在较高的温度下使用；也比手糊方法制造的制件空隙率低、性能好、纤维含量高。 发展 目前，碳-碳复合材料的发展立足于新工艺、新设备的研制与发展，努力降低生产成本，而且努力的想办法克服自身的缺点。如：碳-碳复合材料的抗氧化的性能差，目前改善的方法有：浸渍树脂时加入抗氧化剂；气相沉碳时加入其它抗氧化元素等等。碳-碳复合材料还有其它固有的缺点，如在加工方面制造加工的周期太长、可塑性太差、成本太高，这些不足之处在以后的发展中将会得到解决。[4] 参考资料 [1] 往东川.碳纤维增强复合材料在汽车上的应用.2005(4) [2] 张晓虎.碳纤维增强复合材料技术发展现状及趋势.纤维复合材料[J].2004(1) [3] 黄硕.我国碳纤维复合材料在汽车上的应用趋势和建议.材料科技与设备.2015(3)
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