碳纖維増強樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用研究進展

趙忠豪

摘 要：本文對碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的性能、特點進行了概述，并對應(yīng)用其制成各種成型工藝進行闡述，對該材料的優(yōu)異性能進行了充分的說明，該材料的應(yīng)用極為廣泛，在航空航天、交通運輸、醫(yī)療、風力發(fā)電等高科領(lǐng)域也將會得到展望性的應(yīng)用，最后對該材料的應(yīng)用發(fā)展也進行了闡述。

關(guān)鍵詞：碳纖維增強樹脂基;復(fù)合材料;應(yīng)用研究

前言

碳纖維是在1860 年發(fā)明的，當時其主要應(yīng)用在燈泡燈絲工藝中，并成為一項專利，碳纖維的發(fā)展歷經(jīng)多個階段，最初以棉花和竹子等生物材料作為碳纖維的前體研發(fā)材料，后來，人造絲前體逐漸出現(xiàn)，并被用于碳纖維規(guī)模化生產(chǎn)，但是其有一定的局限性，應(yīng)用范圍小，經(jīng)過進一步的發(fā)展，日本某公司首度出現(xiàn)了聚丙烯腈為原料制備的碳纖維-T300，后經(jīng)過不斷發(fā)展，碳纖維性能進一步被提升應(yīng)用，最后又研發(fā)迭代出了以聚丙烯為原料的碳纖維，名為M-系列纖維，其拉伸性能更高。碳纖維作為一種含碳量高達 95%以上的高性能纖維，密度低、可塑性強、耐高溫腐蝕，且抗摩擦，同時還可以導(dǎo)電、導(dǎo)熱，可以屏蔽電磁干擾，外形柔軟，其結(jié)構(gòu)呈纖維狀。

1 碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的主要工藝

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料成型工藝多種多樣，其發(fā)展歷經(jīng)數(shù)年，技術(shù)人員都著力于優(yōu)化和改善其性能，拓展新的成型工藝，以提高其更優(yōu)良的穩(wěn)定性，主要是調(diào)節(jié)碳纖維增強體與樹脂基體比例、結(jié)構(gòu)、排列方式以達到優(yōu)化其最佳性能的目的，也可以調(diào)整其成型溫度、壓力等。目前，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的成型工藝以研發(fā)和探索數(shù)十種。

1.1 手糊成型工藝

手糊成型工藝就是通過手工操作來實現(xiàn)的，是將固化劑覆于樹脂混合物的表面，然后涂刷在模具上，依照工藝要求將準備好的短纖維設(shè)置在其上，借助壓輥擠對其施加壓力，可以促使膠液完全的、均勻的浸潤纖維，也可以通過強壓排出膠液內(nèi)氣泡，為了促使成型工藝滿足產(chǎn)品設(shè)計需求，要重復(fù)此操作。當完成上述工序后，要加溫模具，隨后再次加壓并將材料固定在模具上，并促其成型，可以促使樣板與模具貼合緊密，保證材料的工藝質(zhì)量符合性，最后經(jīng)過脫模完成材料制備。整個制備過程中，操作方便且成本低廉，模型成型簡單，不僅可以滿足產(chǎn)品設(shè)計的要求，也可以保證產(chǎn)品尺寸和形狀質(zhì)量過關(guān)，適合應(yīng)用在小規(guī)模的生產(chǎn)中，但是也存在一定的缺點，如效率較為低下，生產(chǎn)耗時間，產(chǎn)品質(zhì)量不易把控且產(chǎn)品性能不高，可塑性強[1]。

1.2 噴射成型工藝

噴射成型工藝是手糊成型工藝經(jīng)過一系列改進而形成的，這種工藝會依靠一定的機械，因此工藝精度稍高，噴射成型工藝是借助兩側(cè)噴槍完成制備的，噴槍一側(cè)噴出混有引發(fā)劑的不飽和聚酯，另一側(cè)則噴出混有促進劑的不飽和聚酯，在噴射時，會從噴槍中心噴出切斷玻纖粗紗，從而促使粗砂與樹脂在模具上充分融合，形成沉積層，當沉積層的厚度滿足工藝要求后，借助輥輪施加壓力，可以促使樹脂充分融進纖維，通過強壓也可以排除成品中的氣泡，最終促使其成型。噴射成型工藝生產(chǎn)效率有所提升，同時耗材率也大大降低;成品質(zhì)量更有所保證，連接性好沒有搭接縫，裁剪效果好，可以設(shè)計不同尺寸和形狀，工藝成型效果較好，可以根據(jù)需求進行針對性設(shè)計，優(yōu)化成品厚度、纖維體量等，在大型船體制造中可以廣泛應(yīng)用。但是仍然有一定的缺點，會造成環(huán)境污染，由于其操作過程中需要霧化和分散，會造成較大的能源耗損。此外還有：負壓真空袋壓成型工藝、層壓成型工藝、模壓成型工藝等，在此不做贅述。

2 碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用

2.1 航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料由于其有低密度、耐高溫等特性可以將其應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域中，相比較傳統(tǒng)材料，如鋼鐵等。其強度指標最為突出，是鋼鋁模量的5倍，強度的3倍，碳纖維比重僅為鋼的五分之一，鋁的二分之一，最早應(yīng)用在軍用飛機、戰(zhàn)斗機及導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星等領(lǐng)域。在20 世紀，美國軍用 F-14 戰(zhàn)斗機的主承力結(jié)構(gòu)就應(yīng)用了部分碳纖維復(fù)合材料;美國航空母艦上唯一的艦載戰(zhàn)斗機F-18 軍機研發(fā)成功并試飛，其中復(fù)合材料的用量已經(jīng)占到結(jié)構(gòu)材料總質(zhì)量的10%，其主翼、機身等部位多用的是復(fù)合纖維材料;在后期，碳纖維材料的應(yīng)用范圍更加廣泛，在F-22 戰(zhàn)斗機的研制中，碳纖維復(fù)合材料用量已經(jīng)高達25%以上。我國碳纖維材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，用碳纖維復(fù)合材料研制殲擊機垂尾壁板，相比傳統(tǒng)材料，其重量減輕了約30%，是技術(shù)上的一大突破;在后期我國國防成就展會上，殲-10在垂尾、襟副翼等部位都應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料;后期，我國對碳纖維符合材料的應(yīng)用已經(jīng)突破了傳統(tǒng)限制，在機頭罩、方向舵等多個部位已有應(yīng)用，不僅實現(xiàn)了我國航空航天技術(shù)的突破，也進一步拓展了碳纖維的應(yīng)用范圍，在后期碳纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用將會更加廣泛[2]。

2.3 風電領(lǐng)域應(yīng)用

近年來風電能源迅速崛起，為了提升風能利用率，對風電葉片要加以深度設(shè)計，風電葉片產(chǎn)生風能的核心部件，正向著大型化、輕量化的方向而發(fā)展。風電葉片由關(guān)鍵部位受力結(jié)構(gòu)組成，主梁需要承擔大部分彎曲壓力。碳纖維復(fù)合材料因為質(zhì)量輕，耐腐蝕性好，滿足葉片對材料的高設(shè)計要求，將其應(yīng)用在葉片主梁帽時，可大大降低葉片的重量，提升葉片剛度，且其可以承受較大的壓力，可以長時間處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，將碳纖維材料應(yīng)用在葉片根部可以加大葉片荷載力，確保葉片震動方向。此外，碳纖維復(fù)合材料還可以應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域和交通運輸領(lǐng)域。

3 結(jié)語

綜上所述，作為新時代的工業(yè)材料，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)勢，它主要由高分子樹脂基體與高性能碳纖維增強體構(gòu)成，采用高溫強壓、固化脫模等工藝制備，具有諸多性能，不僅耐摩擦耐腐蝕，而且還具有高強高模性能，減震性能良好，可塑性強，可以屏蔽電磁干擾，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料，由于其復(fù)合性能、材料可塑性強，且功能多樣，可以應(yīng)用在不同領(lǐng)域中。

參考文獻：

[1]張登科，王光輝，方登科，崔佳偉，田永勝.碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用研究進展[J]，{3}，{4}{5}：1-7[2021-07-19].

[2]張憲華，高艷秋，趙龍，黃峰，吳剛，馬金瑞，卓鵬.碳納米管/連續(xù)碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料進展及其應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2014，{4}（15）：71-73.