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碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異特性及功能性應(yīng)用

嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2020-03-02 16:17

碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能，這也是其他材料無法匹及的。碳纖維復(fù)合材料堅(jiān)固、堅(jiān)硬且輕巧，尤其是其引人注目的輕量化和優(yōu)異性能，使其成為航天器、戰(zhàn)斗機(jī)和賽車等結(jié)構(gòu)部件的首選材料。

復(fù)合材料是通過將增強(qiáng)材料（碳纖維）與基體（樹脂）結(jié)合在一起制成的，這種纖維和基體的結(jié)合可提供優(yōu)于任何一種材料的特性。在復(fù)合材料中，纖維承擔(dān)了大部分負(fù)載，并且是材料性能的主要貢獻(xiàn)者；而樹脂有助于在纖維之間轉(zhuǎn)移載荷，防止纖維彎曲，并將材料粘合在一起。

碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異特性及功能性應(yīng)用

從歷史發(fā)展上看，碳纖維復(fù)合材料非常昂貴，因此使其應(yīng)用范圍局限在特殊應(yīng)用。然而，在過去的二三十年間，隨著碳纖維消耗量的增加和制造工藝的改進(jìn)，碳纖維復(fù)合材料的價(jià)格穩(wěn)步下降。如今，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，例如體育用品、高性能游艇、高性能車輛和高性能工業(yè)機(jī)械。

碳纖維復(fù)合材料主要優(yōu)點(diǎn)在于：

1、高比剛度；

2、高比強(qiáng)度；

3、極低的熱膨脹系數(shù)（CTE）；

4、導(dǎo)熱、導(dǎo)電。

碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異特性及功能性應(yīng)用

碳纖維（HT高強(qiáng)型、IM中模型、HM高模型）力學(xué)性能優(yōu)異，但與金屬等材料相比，體密度更低，因此成為航空、汽車等輕量化首選。

有關(guān)碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、鋁和鋼的成本和機(jī)械性能的比較如下表所示。

表碳纖維復(fù)合材料與其他材料性能、成本對(duì)比

碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異特性及功能性應(yīng)用

高比剛度應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料非常適合高剛度、低重量需求應(yīng)用。主要應(yīng)用包括：航天器結(jié)構(gòu)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)、卡車和高性能車輛的傳動(dòng)軸、機(jī)械輥、帆船桅桿和吊桿、自行車車架、具有高加速度并要求剛度和精度的機(jī)械部件。

應(yīng)用實(shí)例：經(jīng)編機(jī)的針桿（如下圖所示），針桿上下移動(dòng)（約1500 rpm），采用CFRP后可以節(jié)能、提速，而針桿的剛度可防止振動(dòng)，從而保證在更高生產(chǎn)速度下的準(zhǔn)確性和質(zhì)量穩(wěn)定性。

碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異特性及功能性應(yīng)用

具有高剛度特性的CFRP針桿

高比強(qiáng)度應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料廣泛用于須承受極高載荷的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用包括摩托車部件（防滑板，防撞板）、釣魚竿、高爾夫球桿、飛機(jī)結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)、賽車底盤等。

低CTE應(yīng)用

碳纖維的熱膨脹系數(shù)為負(fù)，這意味著碳纖維在加熱時(shí)會(huì)收縮。當(dāng)將碳纖維加入樹脂基體（正CTE）中時(shí)，復(fù)合材料可以定制為具有幾乎為零的CTE。利用低CTE特性主要可用于高精度天線、掃描成像機(jī)、精密光學(xué)設(shè)備、計(jì)量設(shè)備等。

應(yīng)用實(shí)例：高精度測(cè)量儀器（如下圖所示），其目的是實(shí)現(xiàn)無縱向熱膨脹，設(shè)計(jì)時(shí)采用高模碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，通過合適的層壓板結(jié)構(gòu)，最后實(shí)現(xiàn)熱膨脹系數(shù)a <0.08 x 10-6 / K。

高導(dǎo)熱應(yīng)用

在航天器應(yīng)用中，部分結(jié)構(gòu)件在面對(duì)熱源時(shí)需要高導(dǎo)熱系數(shù)來實(shí)現(xiàn)熱平衡，典型應(yīng)用為導(dǎo)熱承重結(jié)構(gòu)，如下圖為帶有CFRP面板和CFRP蜂窩的三明治結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。

導(dǎo)電性應(yīng)用

碳纖維主要是由碳元素組成，具有一定導(dǎo)電性，因此利用該特性可以實(shí)現(xiàn)特性應(yīng)用。應(yīng)用實(shí)例：加工復(fù)合材料零件的模具本身由CFRP制成，CFRP層用作加熱元件，模具溫度高達(dá)150°C，可以在很小加熱功率下，實(shí)現(xiàn)簡單而精確的溫度調(diào)節(jié)；此外，模具本身的低熱容量導(dǎo)致快速冷卻，利于模具的高效制造。

此外，高強(qiáng)高模碳纖維（如M50J、M55J等）與中模碳纖維（如T300、T700、T800等）相比，電阻率更小、導(dǎo)電性能更加優(yōu)異。

特定形狀應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料除了上述功能性應(yīng)用，其另外優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)特定形狀結(jié)構(gòu)件的加工。

應(yīng)用實(shí)例1：Sentinel-1 A和B 合成孔徑雷達(dá)天線的CFRP結(jié)構(gòu)；由3000多個(gè)零件組成，采用了RTM / SLI工藝制造，用于波導(dǎo)、傳熱板和橫向加強(qiáng)筋，公差+/- 0.03 mm。

應(yīng)用實(shí)例2：用于瑞典陸軍NH90型直升機(jī)的滑雪結(jié)構(gòu)套件，尺寸約 2 m x 1.5 m，形狀復(fù)雜、自由曲面。

功能層結(jié)構(gòu)應(yīng)用

2018年10月，歐洲—日本聯(lián)合實(shí)施的水星探測(cè)飛船BepiColombo搭乘阿麗亞娜5號(hào)火箭從法屬圭亞那庫魯航天中心發(fā)射升空。在BepiColombo探測(cè)器支架結(jié)構(gòu)中，為了滿足強(qiáng)度、剛度、輕量化和高導(dǎo)熱率需求，采用高性能碳纖維，而在碳纖維表面采用了鍍金處理來具有一定反射性。

而同樣是在2018年，歐洲宇航局發(fā)射的ExoMars火星探測(cè)器上，其雷達(dá)天線材料也是采用復(fù)合材料加工，但其表面鍍層采用鍍銅處理，有助于提高天線性能。

來源：中科院寧波材料所錢鑫

碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異特性及功能性應(yīng)用

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