改变机械性能！碳纤维复合材料（CFRP）技术新突破

方鲲^1，2  刘康^1，2  乔治³  薛忠民⁴

1.北京热塑性复合材料工程技术研究所

2.北京纳盛通新材料科技有限责任公司

3.中化集团塑料公司

4.中材科技股份有限责任公司

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前言

碳纤维复合材料（CFRP）作为一种轻质、高强度材料，在各个领域都备受关注。在应用于各种各样的产品中，需要根据用途控制耐冲击性强度、弹性模量（弹性体的应力与应变之比）。本文介绍一种通过在CFRP的层间印刷缓冲材料，改变其机械特性的技术。

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使用印刷技术的缓冲材料CFRP的开发

CFRP由于重量轻、强度高、弹性模量高，被广泛用于航空宇宙领域、体育领域、福利医疗领域等，近年来，以通过轻量化提高燃油效率等为目的，在汽车领域的应用也备受关注。

在所期待的各种各样的应用中，普遍存在一下几个课题。例如，网球、羽毛球的球拍、高尔夫轴、钓竿等，柔软性是重要的要素，所以进行了各种各样控制材料弹性模量的尝试。此外，也有容易产生像玻璃一样变形和损坏的脆性破坏的课题。维持高弹性模量、高强度的同时，抑制脆性破坏的方法尚未确立。

因此，本项研究以抑制脆性破坏，开发针对性用途的弹性模量和强度的CFRP成形技术为目的，在碳纤维的层叠间丝网印刷缓冲材料，以改变弹性模量、强度。

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CFRP成型

CFRP是将碳纤维的纺织品等的片材层叠，用树脂凝固成形。在这项研究中，碳纤维织物使用了3K的平织物。CFRP的成型方法有很多种，本次采用VaRTM成型法。VaRTM法是不需要像高压釜法和热压法那样大规模的设备，也可以制作大型的成形品的方法，具有纤维含有率高，能抑制气囊的产生的特点。树脂使用常温下固化的环氧树脂。VaRTM成型法如图1所示。

图1 VaRTM成型法流程图

缓冲材料使用可以进行丝网印刷，并且具有柔软性、可吸收冲击的水性丙烯酸树脂。如图2所示，以两种印刷形式在碳纤维织物表面印刷。对试样的物性评估如图3所示，进行 3点弯曲试验。

图2 缓冲材料的丝网印刷类型

图3 物性评估试验

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印刷类型与物性变化

• 落锤冲击试验

无印刷的情况下，(a)(b)两种试料的落锤冲击试验后的结果如图4所示。在无印刷的试料中，表面有确认有凹陷和裂纹的发生，但在有缓冲材料覆盖的试料(a)和(b)中没有凹陷，只有轻微裂痕。因此将缓冲材料印在CFRP表面后，耐冲击性提高，不易产生裂纹。

图4 落锤冲击试验后的试料放大图

• 3点弯曲试验

3点弯曲试验的结果如图5所示，缓冲材料在（a）中弯曲弹性模量、弯曲强度都大幅降低，但（b）比（a）能抑制弯曲模量和强度的降低。

关于（b）网格状印刷，将缓冲材料的印刷间隔变窄，使CFRP表面积中的比例（缓冲材料印刷面积/CFRP表面积）变化时的弯曲弹性模量与弯曲强度的关系如图6所示。由图可知，随着缓冲材料印刷面积的比例增加，弯曲弹性模量和弯曲强度降低。

图5 不同印刷方式的弯曲模量及强度变化

图6 缓冲材料印刷面积与弯曲模量及强度关系

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结束语

通过在CFRP的表面印刷缓冲材料及部分涂布，可以期待成型符合具体需求的弯曲弹性模量、弯曲强度的CFRP产品。CFRP产品，根据纤维取向控制机械特性变化。采用这项技术，可以根据不同用途，灵活设计CFRP产品的性能。

END

本文作者：材料委天津院