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        收藏碳纖維經編復合材料的開發應用

        一、概述
            在復合材料大家族中,纖維增強材料一直是人們關注的焦點。自玻璃纖維與有機樹脂復合的玻璃鋼問世以來,碳纖維、陶瓷纖維以及硼纖維增強的復合材料相繼研制成功,性能不斷得到改進,使復合材料領域呈現出一派勃勃生機。下面讓我們來了解一下別具特色的碳纖維復合材料。
            碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維,其含碳量隨種類不同而異,一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性,如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等,但與一般碳素材料不同的是,其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物,沿纖維軸方向表現出很高的強度。碳纖維比重小,因此有很高的比強度。如圖1碳纖維經編機。
            碳纖維是由含碳量較高,在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維,經熱穩定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。
        碳纖維的性能特點可歸納如下:
        1.碳纖維的密度是鋼的7.8倍,是鋁的2.7倍;
        2.碳纖維復合材料的抗疲勞和硬度優于玻璃纖維復合材料;
        3.鋁相比較,碳纖維的強度是鋁的7倍,且比鋁輕1.5倍。
        其主要優點有:
        1.纖維屈曲程度較小,利于發揮纖維性能;
        2.鋪覆性、工藝性好;
        3.改善復合材料的沖擊性能(尤其CAI)和損傷容限;
        4.制造工藝簡單,成本低。
         


        圖1 碳纖維經編機
        二、碳纖維的在復合材料中的應用
            碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合,制成結構材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料,其比強度、比模量綜合指標,在現有結構材料中是最高的。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域,在要求高溫、化學穩定性高的場合,碳纖維復合材料都頗具優勢。
            碳纖維是50年代初應火箭、宇航及航空等尖端科學技術的需要而產生的,現在還廣泛應用于體育器械、紡織、化工機械及醫學領域。隨著尖端技術對新材料技術性能的要求日益苛刻,促使科技工作者不斷努力提高。80年代初期,高性能及超高性能的碳纖維相繼出現,這在技術上是又一次飛躍,同時也標志著碳纖維的研究和生產已進入一個高級階段。 
            由碳纖維和環氧樹脂結合而成的復合材料,由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料。因為航天飛行器的重量每減少1公斤,就可使運載火箭減輕500公斤。所以,在航空航天工業中爭相采用先進復合材料。有一種垂直起落戰斗機,它所用的碳纖維復合材料已占全機重量的1/4,占機翼重量的1/3。據報道,美國航天飛機上3只火箭推進器的關鍵部件以及先進的MX導彈發射管等,都是用先進的碳纖維復合材料制成的。


        碳纖維主要運用在以下幾個行業,如圖2:
        -風電葉片>3.5兆瓦;
        -汽車;
        -造船、游艇;
        -航空。
         
        圖2 碳纖維應用
        2.1碳纖維在風電葉片中的應用
            在風力發電領域,經編復合材料是制造風力發電葉片及其它重要結構部件的主要材料,葉片90%以上重量由復合材料組成。采用碳纖維NCF織物制備的復合材料風機葉片,具有質量輕、強度高、剛性好的優點,能夠滿足開發大型化、輕量化、高性能、低成本的發電葉片的要求,如圖3所示為風機葉片,圖4為葉片結構。
         
        圖3 采用碳纖維NCF織物制造的復合材料風機葉片
         
        圖4 葉片結構

        2.2 碳纖維在汽車中的應用
            汽車、交通也是經編復合材料一個很大的應用領域,碳纖維NCF織物在汽車上主要用于制造車體、發動機引擎、保險杠、板簧等結構,其獨特的性能以及可預設性,不僅減輕了車體重量,節省了燃料,而且極大地提高了性能。如圖5、圖6分別是采用碳纖維NCF織物制造的汽車車體和各種汽車零件。
         
         
        圖5 碳纖維NCF織物制造的復合材料車體
         
        圖6 汽車上的各種纖維NCF織物復合材料零件
        2.3碳纖維在游艇中的應用
            碳纖維復合材料穩固性好,輕質高強,可用來制造船艇的船身、艙壁、甲板、上部結構、桅桿、船帆等,造船業是目前經編復合材料應用最大的市場,如圖7所示實物展示。
         
        圖7 碳纖維復合材料在造船業中的應用
        2.4 碳纖維在大飛機上的應用
             航空航天是最早應用經編復合材料的領域,如采用碳纖維經編復合材料制造的A300和A330的翼梁,A400軍用運輸機的后艙門以及A380的坐窗。
            樹脂基復合材料預浸料/熱壓罐成型工藝高的制造成本,是制約復合材料結構推廣擴大應用的重要因素之一,但同時又促進推動了非預浸料和/或非熱壓罐成型工藝的開發研究。預成型體/復合材料液體成型工藝(Liquid Composite Molding,LCM工藝)脫穎而出,在大飛機復合材料結構制造上得到了成功應用。
            預成型體制備是預成型體/LCM工藝的關鍵。預成型體需要滿足大飛機主結構對纖維鋪層方向、比例和順序的要求,同時還必須滿足高碳纖維體積含量的要求。如圖8、圖9所示分別為RTM工藝原理圖和RFI工藝原理圖。
         
        圖8 RTM工藝原理圖
         
        圖9 RFI工藝原理圖
            碳纖維經編織物以其獨特的編織方式,保持了碳纖維平直,滿足鋪層方向、比例和順序的要求,同時,編織物整體性好、鋪層效率高,經編方式使織物鋪貼性好,滿足LCM工藝和結構件構型要求,而得到成功應用,如圖10所示。
         
        圖10 傳統機織物與經編多軸向織物的結構比較 

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