碳纤维增强复合材料概述.doc

1、1碳纤维增强复合材料概述摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。关键字：碳纤维，复合材料，应用Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber c

2、omposite materials.Key words: carbon fiber, composite materials, applications1.碳纤维增强复合材料介绍复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料， 按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料， 但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料 （constituent materials） ，它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材

3、料中的连续相， 其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维 1。碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料， 直径范围在 68 m 内，是近几十年发展起来的一种新型材料。 目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体） 、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的2氢、氧等元素得以排出，成为一种接近纯碳的材料，含碳量

4、一般都在 90%以上，而本身质量却大为减轻； 由于碳化过程中对纤维进行了沿轴向的预拉伸处理，使得分子沿轴向进行取向排列，因而碳纤维轴向拉伸强度大大提高，成为一种轻质、高强度、高模量、化学性能稳定的高性能纤维材料。用碳纤维和高性能的树脂基体复合而成的先进树脂基复合材料是目前用得最多，也是最重要的一种结构复合材料。此外，用天然纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维作增强体的树脂基复合材料也在快速发展。碳纤维增强复合材料( CFRP) 是目前最先进的复合材料之一。它可以兼顾碳纤维和基体的性能而成为综合性能更为优异的工程结构材料和具有特殊性能的功能材料。它以其轻质高强、 耐高温、 抗腐蚀、 热力学性能优良等特点广

5、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。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,如美国的战略导弹侏儒三级发动机壳体, 三叉戟 一、 二、三级发动机壳体的复合材料裙,民兵系列发动机的喷管扩张段, 部分固体发动机及高速战术导弹美国的 THAAD、 ERINT 等。目前,C F R C 在人造卫星及高性能飞机等航空航天材料中得到了相当广泛的应用，除军用外, 开发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

6、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 CFRP 的研究和开发应用已成为一项涉及多项学科领域的系统工程,而 CFRP 的发展状况则成为一个国家材料科学 乃至整个科学技术发展水平的重要标志之一。2. 碳纤维复合材料的优点 2碳纤维复合材料与金属材料或其他工程材料相比，具有以下许多优良的性能： 1）比强度和比模量高 高强度碳纤维-环氧基复合材料（单向） 的比强度是钢 SAE1010 （冷轧） 3的近 20 倍，是铝 6061-T6 的近

7、10 倍；其比模量则超过这些钢和铝材的 3 倍。这些特性使 CFRP 材料的利用效率大为提高，实际证明用 CFRP 代替钢或铝可减轻重量达 20%40%，因而在许多工业领域特别是在航空航天领域得到广泛的应用。 业内专家指出，飞机自重每减少 1 kg，相当于五百万美元的累积经济效益，由此可以看出复合材料在航空航天领域内的重要地位。 不仅如此，其他如汽车、海运、交通等与运行速度要求有关的部门都会因采用复合材料而大为受益。2）材料性能的可剪裁性（tailorability） 大多数 CFRP 可通过设计增强纤维的取向及用量来对结构材料的性能实行剪裁， 达到性能最佳化。例如，可把复合材料设计成在主受力

8、方向上有足够的纤维取向来承受载荷， 其他方向有适当的纤维来承受剪切载荷或其他载荷， 而这种多纤维取向结构的成型又可通过不同的成型技术来完成。 复合材料的这种性能可剪裁性， 不仅可提高材料的使用效率， 而且有助于从材料到结构的设计和制造实行一体化，既简化了制造程序，又降低了制造成本。 3）成型工艺的多选择性 复合材料技术经过几十年的发展， 到现在有数十种不同的成型工艺可供选择，如热压罐、模压、纤维缠绕、树脂传递模塑（RTM） 、拉挤、注射、喷塑、搓管以及大型复杂部件的共固化整体成型技术等，实际应用时可根据构件的性能、材料种类、产量规模和成本等因素选择最适合的成型方案。4）良好的耐疲劳性能 层压的

9、 CFRP 对疲劳裂纹扩张有 “抑制”作用，这是因为当裂纹由表面向内层扩展时，到达某一纤维取向的层面时， 会使裂纹扩展在该层面内呈现断裂发散，这种特性使得 CFRP 的疲劳强度大为提高。研究表明钢和铝的疲劳强度是静力强度的 50%，而 CFRP 可达 90%。 5）良好的抗腐蚀性 由于 CFRP 的表面是一层高性能的环氧树脂或其他树脂塑料，因而具有良好的耐酸、耐碱及耐其他化学腐蚀性介质的性能。 这种优点使 CFRP 在未来的电动汽车或其他有抗腐蚀要求的领域上应用具有很强的竞争力。43.碳纤维增强复合材料的应用3.1 固体火箭发动机应用方面碳纤维复合材料制造的壳体具有强度高、 刚度大、尺寸稳定等

10、特点,因此,碳纤维复合材料可用于新型陆基机动固体洲际导弹一 二、三级发动机壳体、新一代中程地地战术导弹发动机壳体 3。如美国侏儒小型地对地洲际弹道导弹三级发动机燃烧壳体由 IM- 7 碳纤维/HBRF- 55A 环氧树脂缠绕制作, 壳体容器特性系数 PV/W 39KM; 三叉戟 ( D5)第一、二级固体发动机壳体采用碳/ 环氧制作,其性能较凯芙拉/环氧提高 30% 。爱国者导弹及其改进型,其发动机壳体开始采用 D6AC 钢,到 PAC- 3 导弹发动机上已经采用了 T800 纤维/ 环氧复合材料。此外,由美国陆军负责开发的一种新型超高速导弹系统中的小型动能导弹( CKEM) ,其壳体采用了 T

11、1000 碳纤维/ 环氧复合材料 , 使发动机的质量比达到 0. 82。碳/酚醛复合材料是目前树脂基扩张段、收敛段最常用的防热材料。如国外应用碳/酚醛材料作为喷管防热构件的型号有： MX 系列、 三叉戟( C4)、 三叉戟( D5) 第一和二级发动机的喷管扩张段和防热环、侏儒导弹第一和二级发动机喷管的扩张段和防热环、侏儒导弹第三级发动机喷管的防热环等, 俄罗斯的白杨-M 战略导弹的第一、二级固体发动机喷管扩张段也采用碳/酚醛材料作为防热材料。碳/聚芳基乙炔复合材料,美国在军用航天项目的支持下 ,已进行了多次固体火箭发动机耐烧蚀材料应用试验,性能优异。九五期间,本所与华东理工大学合作,开展了碳/

12、聚芳基乙炔树脂复合材料在固体火箭发动机防热材料方面的应用研究,取得了较大进展。3.1 空间技术应用方面从二十世纪六十年代末开始,航天领域中以 S 玻纤和 Kevlar- 49 纤维复合的金属内衬轻质压力容器逐渐取代传统的全金属压力容器。美国在 1975 年开始了轻质复合材料气瓶及储箱研制, 采用 S-玻纤/环氧、 Kevlar/环氧缠绕复合材料。随着碳纤维 52 纤维复合材料 2004 年性能提高及成本大幅度下降, 碳纤维与低成本铝内衬制造技术相结合, 使得费用低、质量轻、性能高、可靠性好的高压容器的生产成为现实 4。目前空间用复合材料基体主要采用环氧树脂; 由于碳纤维的密度、耐热性、刚性等方

13、面的优势,增强纤维以碳纤维为主。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5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.碳纤维复合材料存在的问题及建议 我国的碳纤维树脂基复合材料研制起步于 20 世纪 60 年代末，至今已有 40 多年的发展历程，在产品开发、制造加工、产品应用及人才培养等方面都取得了很大进步， 但是同先进国家相比仍有很大差距，尤其近年来，由于西方国家的快速发展，这种差距还有加大的趋势。目前我国碳纤维的品种、质量和产业规模远不能满足国内复合材料快速发展的

14、要求，仍然是制约我国碳纤维复合材料发展的瓶颈，这主要表现在： 1）产品质量不完全过关，缺陷多，性能分散性大； 2）产品规格和品种少； 3） 由于性能和质量上的问题以及生产成本高，制约了生产规模的扩大。从技术上看，造成上述问题的主要原因是基础研究工作薄弱， 造成生产碳纤维的 pan 基原丝质量不高。因此，以提高原丝质量为目标，应加强科学基础及工程化研究， 强化国内碳纤维研究生产的自主创新能力，建立高效的产业创新体系，坚持原始创新与引进消化吸收并举，突破瓶颈，改变我国碳纤维落后局面。 在管理体制上也存在如下一些问题： 1）碳纤维是多学科和多技术集成的高新技术产品，国家在项目组织、管理、实施和政策扶

15、持等上应起主导作用，但多年来这种局面尚未形成，国家总体上的规划和领导以及集中调控作用不够，基础研究、技术攻关、中试生产、工业化生产和应用开发之间缺乏有机联系，因而无论从规模和质量上，与国外水平的差距越拉越大。2）国内碳纤维多元化研发的格局尚未建立。从碳纤维产业的源头到最终产品， 真正拥有完整研发与生产过程的单位不多， 技术水平同国外相比差距较大。潜心研究碳纤维产业发展的气氛不够浓厚， 民营企业中拿来主义现象较为明显， 急于求成、急功近利的思想十分严重。 3）以应用牵头，带动碳纤维产业发展的体制未健全， 以往国内航空航天6高端产品应用主要依赖进口，而国产碳纤维得不到应用，因此也就得不到改进和提高

16、的机会。 4）企业之间产、学、研交流相当欠缺。碳纤维产业的发展不仅需要产、学、研相结合，而且更需要产、学、研、用有机地相结合，但在现有体制下产、学、研、用这个有机体系尚未真正建立，因而阻碍了国内碳纤维产业的快速发展。 5）装备技术研发滞后。有关碳纤维装备技术研发工作长期没有得到相应的重视。到目前为止，如大容量聚合反应器等被称为碳纤维 7 大关键性设备只有两种设备实现了国产化， 而其余 5 种设备尚需进口，严重影响着国内碳纤维产业化的进程。 6）目前国内缺乏具有工程孵化特征的研发基地。科研院所目前更多地承担产品研发，工程研发放在企业，而企业又往往缺乏强大的研发力量。因此，我国需要一个以产业化为目

17、的、以科研院所技术力量为主导、 企业积极参与的具有工程孵化功能和特征的研发基地。 其实，这些问题在国内业界早有所认识，但长期没有得到认真解决， 主要原因还是在于体制和机制方面的问题 5。 针对碳纤维产业存在的问题，提出建议如下： 1）建立以市场需求为动力的机制。国内航空航天等行业领域的高端产品应加大应用国产碳纤维的力度，及时解决在应用中发现的问题，促进高端碳纤维的发展。 2）建立符合中国市场特征的自主生产的碳纤维产品规格和质量评价体系， 科学论证产品和技术的质量定位， 以终端复合材料的应用来评价碳纤维的质量。建立高、中、低 3 个层次的碳纤维产业和相应的产业标准， 应根据不同的应用目标建立符合

18、中国市场的技术生产应用的产业链条， 形成产学研用一体化的研发体系， 既有多功能的开发能力，又有小批量生产能力 6。 3）集中力量进行高端碳纤维的技术和质量攻关。加快碳纤维国产化进程不仅需要明确的产品市场定位、充足的资金支持、发展中市场的及时跟进，而且需要强大的社会与政府力量的支持、多元化力量的有效介入， 才能有力地推动碳纤维产业化进程。 4）发展高强度的碳纤维聚丙腈前驱体原丝生产技术，建立全方位质量保证体系和标准化体系，重点发展原丝原材料入厂检验和验收标准、生产过程中工7艺参数优化和稳定性控制等质量保证体系，保证批量生产质量稳定， 在此基础上形成大规模产能并建立碳纤维原材料生产的产业链。 5）

19、强化碳纤维生产线的全面质量控制与质量保证体系和标准化体系。 特别是重点发展前驱体原丝入厂检验和验收标准、 碳化过程的工艺参数优化和质量保证体系，保证批量生产的性能和质量稳定，在此基础上形成年产能达千 t 规模的高性能碳纤维生产基地。 6）在参考国外碳纤维产品相关标准的同时，尽快建立健全符合中国国情的独立自主的产品标准体系， 避免碳纤维发达国家对我国碳纤维产品的限制和干扰。 7）实现主要生产设备国产化，重点是大规格的反应釜、预氧化炉、碳化炉、收丝机、尾气焚烧炉及高温碳化炉等设备的国产化，耐高温（1 800 ） 、大尺寸（1 500 mm1 000 mm10 mm）石墨等辅助材料的国产化。 针对树

20、脂基体的产品系列不全、 性能和质量不高、产业规模较小等主要问题，提出建议：应以环氧树脂为主，结合发展高温型的双马聚酰亚胺树脂，大力发展新型增韧的高强高温树脂体系，形成产品系列，扩大生产规模，与复合材料结构制造形成产业链，以满足航空航天高端产品应用的需要。低成本成型技术是碳纤维复合材料产业发展的重点方向， 目前我国存在的主要问题是高端的航空航天复合材料结构的低成本成型技术尚处于试验阶段，未能形成规模化生产，其他应用领域特别是在航海及风电应用领域， 有待于提高低成本成型技术生产的产品品种和规模。针对低成本成型技术存在的主要问题， 提出建议如下： 1）加快发展高效低成本的树脂基复合材料整体化成型技术

21、，包括树脂传递成型技术（RTM） 、预浸带自动铺放技术（ATP） 、拉挤成型技术、纤维缠绕技术等，形成规模化生产能力，满足航空、航天和民用工业需求，特别是大飞机复合材料次结构件及主结构件制造技术需求。 2）重点发展集设计、材料成型和配套保障的技术体系，加快发展纺织用复合材料的液态成型技术和自动化技术（如纤维缠绕、拉挤、编织、丝束铺放、隔膜成型、自动成套裁减、激光样板等） ；发展高效率的非热压罐固化技术，如微波、电子束、超声波、X 射线等新固化技术 7。 83）建立飞机复合材料设计中心和试验评价验证中心。跟踪国外的先进经验，研究和发展复合材料结构优化设计的新概念、新方法，推进结构整体化设计和制造

22、技术。 4） 发展复合材料的应用分析方法和分析工具，重点发展用来预测复合材料的加工性能、 结构完整性以及耐久性的先进计算机应用分析工具； 发展将 先进的分析法及模拟方法与数据库技术相结合的智能化设计和验证系统。5. 结语在固体火箭发动机领域, 先进复合材料起着重要的、无与伦比的作用。当前,先进的碳纤维增强复合材料技术的快速发展, 使研制和应用碳纤维增强的复合材料壳体、喷管等发动机构件成为可能, 先进的碳纤维增强复合材料技术将给高性能固体发动机的研制和开发提供强有力的技术支持, 使发动机性能获得新的飞跃。此外, 高性能碳纤维增强复合材料在空间技术领域的应用,将会简化飞行器结构设计,减轻结构重量并

23、降低飞行器的起飞重量,对于大幅提高空间飞行器的性能和寿命、降低成本有着重要意义。参考文献：1 王茂章,贺福 ,碳纤维的制造、性能及其应用M,科学出版社,1 9 842 杨乃宾 . 先进树脂基复合材料M.中国材料工程大典: 第十卷, 第七篇. 北京: 化学工业出版社, 20003 陈祥宝, 包建文. 聚合物基体材料M.中国材料工程大典: 第十卷, 第三篇. 北京: 化学工业出版社, 20004 张鹏碳纤维的应用及市场, A d v a n c e d Ma t e r i a l s I n d u s t r y，200 1,( 7 ) :2 72 9 5 刘沐宇，李开兵,张学明,等碳纤维布加固损伤混凝 土梁的疲劳性能试验J .20 04,26 ( 4 )5255 6 赵稼祥.碳纤维在美国国防军工上的应用. 高科技纤维与应用,2003, 1: 6 9 7 林德春, 张德雄. 固体火箭发动机材料现状、前景和发展对策. 航天四院建国9五十周年科技论文集. 1999