碳纖維織物成型工藝的分析

張二勇 孫 艷

（連云港神鷹復合材料科技有限公司，江蘇 連云港222000）

復合材料不僅具有高強度，高模量，高剛度、優(yōu)良的減振性、耐疲勞和耐蝕性等優(yōu)異特點。碳纖維（Carbon fiber,簡稱CF）是含碳量高于90%的無機高分子纖維，它是用一些含碳的有機纖維，如腈綸絲、瀝青及黏膠纖維等作為原絲，跟有機樹脂相結(jié)合，放在惰性氣體中，經(jīng)碳化而成的新型纖維材料。

1 碳纖維的分類

碳纖維與鉆石一樣,是主要由碳元素組成的物質(zhì),具有以下特性：輕質(zhì)高強，其比重為鐵的四分之一，而強度是鐵的10 倍，尤其是高彈模量碳纖維，其抗拉強度比鋼材大68 倍，彈性模量比鋼材大1.8～2.6 倍?？梢苑Q之為新材料之王。因此廣泛應(yīng)用于飛機制造等軍工領(lǐng)域、風力發(fā)電葉片等工業(yè)領(lǐng)域、體育休閑領(lǐng)域。

1.1 按力學性能可分4 類

1.1.1 超高模量（UFM）碳纖維；

1.1.2 高模量（HM）碳纖維；

1.1.3 超高強度（UHS）碳纖維；

1.1.4 高強度（HS）碳纖維。

1.2 按原料分3 類

PAN 碳纖維、瀝青碳纖維和人造絲碳纖維。均由原料纖維高溫碳化成，成分基本都是碳元素，其主要性能見下表，目前復合材料中大多數(shù)使用PAN 碳纖維。

表1 各種材料碳纖維的主要性能

1.3 按用途可分2 類

24K 以下為宇航級小絲束碳纖維（1K 為1000 根單絲）；48K以上為工業(yè)級大束絲碳纖維。

2 碳纖維主要性能

2.1 密度小、質(zhì)量輕,碳纖維的密度為1.5～2g/cm3,相當于鋼密度的1/4、鋁合金密度1/2。

2.2 強度高、彈性模量高,其強度比鋼大4～5 倍,彈性回復為100%。

2.3 熱膨脹系數(shù)小,導熱率隨溫度升高而下降,耐驟冷、急熱,即使從幾千攝氏度的高溫突然降到常溫也不會炸裂。

2.4 摩擦系數(shù)小,并具有潤滑性。

2.5 導電性好,25 時高模量碳纖維的比電阻為775cm, 高強度碳纖維則為1500cm。

2.6 耐高溫和低溫性好,在3000 非氧化氣氛下不熔化、不軟化,在液氮溫度下依舊很柔軟,也不脆化。

2.7 耐酸性好,對酸呈惰性,能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕。除此之外,碳纖維還具有耐油、抗輻射的特性。

盡管碳纖維可單獨使用發(fā)揮某些功能，然而，它屬于脆性材料，只有將它與其它基體材料有效牢固的結(jié)合在一起時，才能發(fā)揮其優(yōu)異的力學性能。

3 碳纖維碳絲鋪層方式對力學性能的影響

3.1 實驗機器：萬能壓力機，型號：AG-X plus

3.2 實驗材質(zhì)：SYM40

表2 材料及工藝數(shù)據(jù)

測試結(jié)果：

表3 彎曲強度測試對比數(shù)據(jù)

4 碳纖制品成型方式

4.1 鋪層設(shè)計

鋪層設(shè)計是碳纖維復合材料成型的關(guān)鍵，鋪層時纖維的角度，層數(shù)，直接決定產(chǎn)品的力學性能，角度的不同，層數(shù)的多少是設(shè)計產(chǎn)品的重要考量依據(jù)。對于一般的板材，需要考量纖維成型時熱膨脹系數(shù)，軸向纖維與徑向纖維合理的搭接比例，從而達到合格產(chǎn)品要求。碳纖維軸向與徑向的線膨脹系數(shù)分別為：-0.3X10K 和12X10K,所以通過不同鋪層比例設(shè)計一般軸向與徑向比例3:2 關(guān)系得出的軸向膨脹系數(shù)最小，所以在設(shè)計產(chǎn)品時絕大部分采用該種鋪層設(shè)計。鋪層的對稱性也是一個衡量指標。通過實驗得出采用C0/C90/C0/C90/C0.鋪層得出的產(chǎn)品平面度最好，采用C0/C0/C0/C90/C90 次之。而根據(jù)實際產(chǎn)品的性能要求來調(diào)整鋪層的層間方式，從而可以得到合格的產(chǎn)品。

4.2 成型方式

4.2.1 模壓成型方式，是一種采用高溫高壓將纖維擠壓成型的方式，顯著特點為產(chǎn)品內(nèi)部為實心狀態(tài)。這類產(chǎn)品多為板類，成型后

4.2.2 袋壓成型方式，是一種采用耐高溫氣袋對產(chǎn)品進行內(nèi)部加壓，外部利用模具型腔成型的方式。顯著特點為產(chǎn)品內(nèi)部空心，產(chǎn)品橫截面異形等產(chǎn)品。

結(jié)束語

近些年來，碳纖維復合材料在民用和軍用領(lǐng)域已經(jīng)得到了十分廣泛的應(yīng)用，其成型制備工藝技術(shù)也經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展。目前有大型高溫烤箱，與高溫高壓爐臺等成型設(shè)備。建立和優(yōu)化大型高性能復雜結(jié)構(gòu)的成型工藝已經(jīng)是該行業(yè)發(fā)展的方向，這也是制約我國高性能碳纖維復合材料成型的重要原因。