碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的研究探討

付 璐 孟 玲 劉順強(qiáng)

(1. 南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211188；2. 連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院，連云港 222006)

碳纖維(Carbon fiber)是一種纖維狀微晶石墨材料，它的碳含量很高，大概在95%左右[1]。它主要是由有機(jī)纖維在惰性氣體保護(hù)下，經(jīng)1 300 ℃～1 800 ℃的高溫碳化及其石墨化制得[2]。與普通材料的物理、化學(xué)以及力學(xué)性能相比，碳纖維的性能更加優(yōu)異，例如質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕以及耐疲勞等。目前，它已被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸和體育休閑等領(lǐng)域[3-7]。碳纖維因其外形呈纖維狀而得名，無法直接使用。但是，柔軟的碳纖維材料可以被加工成很多種織物，然后再與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成復(fù)合材料，最后再通過加工成型得到我們所需要的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行使用。其中，研究與應(yīng)用最多的是以碳纖維為增強(qiáng)體，合成樹脂為基體復(fù)合而成的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料[8]，這種材料在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)材料中的綜合性能最優(yōu)。目前，這種高性能的復(fù)合材料在現(xiàn)代先進(jìn)復(fù)合材料中所處的位置是無可替代的，因此被譽(yù)為21世紀(jì)最具有生命力的成型材料[9]。

1 發(fā)展進(jìn)程

碳纖維在50年代初期剛開始產(chǎn)生時(shí)成本相對比較昂貴，人們一般只將它應(yīng)用在航空航天等一些尖端科技上，因此，它一開始并不被大眾所熟悉。隨著科技工作者的不斷努力，到80年代初期，碳纖維得到了很大的發(fā)展，在性能方面有了很大的提升，在成本方面也有所下降。目前，碳纖維的應(yīng)用已更趨于民眾化了，我們在機(jī)械制造、電工電子以及化學(xué)化工等很多產(chǎn)業(yè)中都能看到碳纖維的身影。

我們常見的樹脂基體有熱塑性和熱固性兩類，其中熱固性樹脂相比于熱塑性樹脂的產(chǎn)生及應(yīng)用要早很多，但是，近年來熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展速度卻大幅度超過了熱固性復(fù)合材料[10]，成了復(fù)合材料研究應(yīng)用的主要方向。主要是因?yàn)闊崴苄詮?fù)合材料不僅擁有優(yōu)異的力學(xué)性能，而且它的生產(chǎn)周期也沒有熱固性復(fù)合材料那么長，并且它還可以回收再利用。

有關(guān)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的分類,主要有兩種分類方式，其中，按碳纖維增強(qiáng)體形態(tài)不同可分為連續(xù)纖維和短纖維增強(qiáng)樹基復(fù)合材料兩類；按基體種類不同又可分為碳纖維增強(qiáng)熱固性和熱塑性樹脂基復(fù)合材料兩類。在選擇材料的過程中，我們可以根據(jù)所需要的性能要求，選擇合適的復(fù)合材料。

2 制備方法

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的成型方法有很多種，當(dāng)復(fù)合材料的增強(qiáng)體不同時(shí)，它的成型方式存在很大差異。當(dāng)增強(qiáng)體為短纖維時(shí)一般會采用熱壓成型，注塑成型和拉擠成型等方法。當(dāng)增強(qiáng)體為連續(xù)纖維時(shí)，一般先將纖維制備成預(yù)浸料，然后再成型，其中，預(yù)浸料一般是采用培融法，粉末法，溶劑法，混纖法[11]等方法制備。

模壓成型是碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料常采用的成型方式，即先將碳纖維制備成預(yù)浸料，然后使預(yù)浸料在相應(yīng)的模具中鋪展疊放熔融后，再以相應(yīng)的壓力壓制成型[12]，如圖1所示。通過設(shè)置工藝參數(shù)，如調(diào)整模壓的時(shí)間、模具溫度、以及模壓成型的壓力等，即可快速制得所需的纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料板材。

圖1 預(yù)浸料模壓成型示意圖

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料一般采用樹脂傳遞模塑(RTM)的方式進(jìn)行成型。也就是先在模腔中按結(jié)構(gòu)和性能將纖維或預(yù)成型件鋪放好，然后再采用專用設(shè)備使樹脂充分浸潤纖維，最后等固化后進(jìn)行脫模得到復(fù)合材料構(gòu)件(如圖2所示)[13]。

圖2 樹脂傳遞模塑(RTM)成型過程示意圖

目前，碳纖維也大量應(yīng)用在新能源制造業(yè)中的大型風(fēng)電葉片的制造中，這里主要采用的是一種大尺寸復(fù)合材料制件的液體模塑成型技術(shù)，即目前發(fā)展較為迅速的真空導(dǎo)入成型工藝[14]。

3 應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 在航空航天中的應(yīng)用

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的很多性能特點(diǎn)，如質(zhì)輕、耐熱耐腐蝕等可以滿足航天航空領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅芸量痰囊?。目前，它已?jīng)應(yīng)用在波音747、南方航空等多款飛機(jī)上[15]。另外，隨著我國航空航天科技的不斷發(fā)展以及科研工作者對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的不斷研究，它在軍用航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也會更加頻繁。

3.2 在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著時(shí)代的發(fā)展與進(jìn)步，汽車的設(shè)計(jì)制造不僅要具有高性能，其質(zhì)量也在朝著越來越輕的方向發(fā)展。研究者們主要是在優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)制造工藝以及應(yīng)用新型輕量型材料三個(gè)方面著手[16-17]。其中，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料因其具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高以及減振性好等特點(diǎn)而成為汽車行業(yè)首選的新型輕量型材料。它主要用于制造發(fā)動機(jī)零件、車頂、車底盤、輪轂、轉(zhuǎn)動軸、剎車盤等汽車重要零部件[18]。目前，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域比較受高檔汽車的歡迎，主要是因?yàn)樗壳暗纳a(chǎn)工藝還比較復(fù)雜，生產(chǎn)周期也相對較長，導(dǎo)致它的應(yīng)用成本相對其他材料較高。但是，隨著制造工藝的越趨成熟以及成本的不斷降低，它在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將更加普遍。

3.3 在船舶制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

將碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用在船舶制造領(lǐng)域，也是頗具優(yōu)勢的，在有效降低船舶的重量的同時(shí)，將其用在螺旋槳、風(fēng)帆等部件上還能顯著增加這些部件的性能，增加其使用壽命。另外，其還是桅桿、船艙、方向舵等船舶重要部件的主要制造材料。

3.4 在電子行業(yè)中的應(yīng)用

對于可移動、可裝卸以及便攜式電子產(chǎn)品，如：攝像機(jī)、VR可視眼鏡、戶外可拆卸的大屏幕、LED電視以及筆記本電腦等，因?qū)p量化要求較高，碳纖維復(fù)合材料將成為一種很具潛力的材料。

目前，在筆記本電腦行業(yè)中，輕薄型筆記本每年大約有5 000萬～6 000萬臺的銷量，應(yīng)用較多的還是鋁合金和鎂鋁合金等材料制得的，近年來，隨著碳纖維復(fù)合材料的興起，也有部分筆記本電腦采用了碳纖維復(fù)合材料，例如：聯(lián)想X1顯示器外殼，戴爾XPS13和惠普SPECTRE的底板，以及蘋果公司在ipad設(shè)計(jì)中使用的共振片都是采用碳纖維復(fù)合材料制造的。另外，目前市場上已有碳纖維制作的手機(jī)保護(hù)套售賣，并有相關(guān)的專利已公開。

3.5 在新能源工業(yè)制造中的應(yīng)用

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能，也使得它廣泛出現(xiàn)在新能源制造行業(yè)中[19]，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片、輸電桿和一些電網(wǎng)設(shè)備等。

3.6 體育休閑行業(yè)中的應(yīng)用

目前，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料也越來越多的應(yīng)用在了高爾夫球棒、羽毛球拍、鈞魚竿和自行車等體育休閑用品中。

4 連接技術(shù)探索

在結(jié)構(gòu)件的制造過程中，將不同部件連接在一起是不可避免的環(huán)節(jié)，用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制造的結(jié)構(gòu)件也不例外。然而，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的成型特點(diǎn)決定了它的性能是具有各向異性的，這就成了它層間強(qiáng)度相對較低的主要原因，另外，它本身的延展性還較小，從而導(dǎo)致用這種材料制造的結(jié)構(gòu)件之間的連接相對困難。因此，研究探討連接和固定方式就成了必不可少的環(huán)節(jié)。

目前，在用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制造的結(jié)構(gòu)件之間的連接一般不會采用單一的連接方式，而是同時(shí)采用機(jī)械連接和膠接。時(shí)間驗(yàn)證結(jié)果表明，這種混合連接的方式強(qiáng)度和可靠性更高。其中，機(jī)械連接一般是使用鉚釘和螺栓進(jìn)行連接，這種連接方式一般具有較高的可靠性，但是它會增加質(zhì)量以及應(yīng)力集中等問題。與機(jī)械連接相比，膠接技術(shù)也是相當(dāng)成熟的連接技術(shù)，它不僅可以避免應(yīng)力集中，還可以減量。但是，膠接質(zhì)量控制相對困難，且黏結(jié)面的表面處理和黏結(jié)工藝要求嚴(yán)格等。

焊接也是目前常用的連接方式之一。其基本原理是對熱塑性復(fù)合材料表面的樹脂進(jìn)行加熱熔融，然后搭接加壓，使之接成一體。雖然這種連接方式具有周期短，連接強(qiáng)度高，應(yīng)力小以及效果好等優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在不易拆卸的缺點(diǎn)。

5 結(jié)語

從碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料得到人們的廣泛關(guān)注以來，越來越多的領(lǐng)域開始應(yīng)用這種新型結(jié)構(gòu)材料。但是其表面處理，機(jī)加工等方面存在的問題還有待研究和探討。隨著研究的進(jìn)一步深入，它在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也將更加廣泛。

另一方面，由于我國碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的起步較晚，導(dǎo)致其發(fā)展也相對較慢，其發(fā)展水平與世界先進(jìn)水平相比還很落后[20]。我們要以應(yīng)用為前提，對這種材料作進(jìn)一步的研究。