碳纤维复合材料具有优异的机械性能,这也是其他材料无法匹及的。碳纤维复合材料坚固、坚硬且轻巧,尤其是其引人注目的轻量化和优异性能,使其成为航天器、战斗机和赛车等结构部件的首选材料。 复合材料是通过将增强材料(碳纤维)与基体(树脂)结合在一起制成的,这种纤维和基体的结合可提供优于任何一种材料的特性。在复合材料中,纤维承担了大部分负载,并且是材料性能的主要贡献者;而树脂有助于在纤维之间转移载荷,防止纤维弯曲,并将材料粘合在一起。 从历史发展上看,碳纤维复合材料非常昂贵,因此使其应用范围局限在特殊应用。然而,在过去的二三十年间,随着碳纤维消耗量的增加和制造工艺的改进,碳纤维复合材料的价格稳步下降。如今,碳纤维复合材料应用领域越来越广泛,例如体育用品、高性能游艇、高性能车辆和高性能工业机械。 碳纤维复合材料主要优点在于: 1、高比刚度; 2、高比强度; 3、极低的热膨胀系数(CTE); 4、导热、导电。 碳纤维(HT高强型、IM中模型、HM高模型)力学性能优异,但与金属等材料相比,体密度更低,因此成为航空、汽车等轻量化首选。 有关碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、铝和钢的成本和机械性能的比较如下表所示。 碳纤维复合材料非常适合高刚度、低重量需求应用。主要应用包括:航天器结构、飞机结构、卡车和高性能车辆的传动轴、机械辊、帆船桅杆和吊杆、自行车车架、具有高加速度并要求刚度和精度的机械部件。 具有高刚度特性的CFRP针杆 碳纤维复合材料广泛用于须承受极高载荷的轻质结构,主要应用包括摩托车部件(防滑板,防撞板)、钓鱼竿、高尔夫球杆、飞机结构、卫星天线结构、赛车底盘等。 具有高承载特性的CFRP结构件 碳纤维的热膨胀系数为负,这意味着碳纤维在加热时会收缩。当将碳纤维加入树脂基体(正CTE)中时,复合材料可以定制为具有几乎为零的CTE。利用低CTE特性主要可用于高精度天线、扫描成像机、精密光学设备、计量设备等。 应用实例:高精度测量仪器(如下图所示),其目的是实现无纵向热膨胀,设计时采用高模碳纤维增强环氧树脂复合材料,通过合适的层压板结构,最后实现热膨胀系数a <0.08 x 10-6 / K。 高模碳纤维材质高精度测试装置,具有低热膨胀性能 在航天器应用中,部分结构件在面对热源时需要高导热系数来实现热平衡,典型应用为导热承重结构,如下图为带有CFRP面板和CFRP蜂窝的三明治结构,具有优异的导热性能。 高模碳纤维为原料加工制备的导热承重结构 碳纤维主要是由碳元素组成,具有一定导电性,因此利用该特性可以实现特性应用。应用实例:加工复合材料零件的模具本身由CFRP制成,CFRP层用作加热元件,模具温度高达150°C,可以在很小加热功率下,实现简单而精确的温度调节;此外,模具本身的低热容量导致快速冷却,利于模具的高效制造。 具有自加热功能的复合材料成型模具 宁波材料所国产高模碳纤维电热材料通电前后对比 特定形状应用 功能层结构应用 而同样是在2018年,欧洲宇航局发射的ExoMars火星探测器上,其雷达天线材料也是采用复合材料加工,但其表面镀层采用镀铜处理,有助于提高天线性能。 |
|