淺析碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

張雨

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;應(yīng)用現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

一、碳纖維復(fù)合材料的分類

碳纖維指的是95%以上的含碳量且具備高強度、高模量的一種特種纖維材料，它通過復(fù)合材料的加工而形成。碳纖維復(fù)合材料通常以碳纖維、金屬、陶瓷等等進行融合與反復(fù)加工，成為符合功能要求的結(jié)構(gòu)性材料。碳纖維復(fù)合材料相較于金屬材料，具備著耐腐蝕、耐高溫、便于設(shè)計等等諸多優(yōu)點。按基體的不同，可以將碳纖維復(fù)合材料分為樹脂基復(fù)合材料、碳復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、橡膠基復(fù)合材料等等。碳纖維復(fù)合材料在全世界范圍之內(nèi)擁有著廣泛的材料消費市場，總占比約為80%，可見碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)成為了材料市場當(dāng)中的主流消費材料。本文主要介紹碳纖維復(fù)合材料的成型工藝以及具體使用情況。

二、樹脂基復(fù)合材料（CFRP）成型工藝

CFRP擁有著許多的成型技術(shù)，近些年來，預(yù)成型件成型技術(shù)通過采用綜合成型形式，減少使用的零件，也能夠一定程度的降低成型的成本，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。它避免分層剝離技術(shù)的應(yīng)用難點，在航空飛機結(jié)構(gòu)構(gòu)造、汽車的構(gòu)件制備等方面得到充分利用。

2.1模壓成型工藝

模壓成型是一種非常傳統(tǒng)的工藝形式，它是由普通的塑料制品模壓成型逐漸轉(zhuǎn)化而來。在加工的過程當(dāng)中，通過將碳纖維預(yù)浸料置于上下模之間，從而利用專業(yè)的設(shè)備進行加工過程。將模具放置在液壓成型臺上，在高溫高壓的作用之下，讓樹脂材料產(chǎn)生固化反應(yīng)，得到最終的制品。這種工藝加工形式具備著制件質(zhì)量優(yōu)、技術(shù)處理高效的優(yōu)勢，而且它能夠在尺寸精度方面得到較高控制，且加工形式不易受周圍環(huán)境的影響。但是其總體的投入成本較高，也容易受到機械設(shè)備的限制，擁有著前期模具制造復(fù)雜的缺點[1]。

2.2熱壓罐成型工藝

熱壓罐成型最早在航空結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制作中得到了廣泛的應(yīng)用，它針對一些大尺寸且形狀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的制件制作具備著一定的優(yōu)勢。熱壓罐成型工藝通過將單層的預(yù)浸料按照特定的方向完成鋪設(shè)和疊成，再將復(fù)合材料的坯料放置在熱壓罐之內(nèi)，在高溫高壓的作用之下進行固化。加工時使用的材料如碳纖維預(yù)浸料中間體，具備著能夠固化較多層次和復(fù)雜曲面的優(yōu)勢，而且工藝建造的方式較為穩(wěn)定，應(yīng)用范圍廣。但是總體而言，設(shè)備的投資較高，制品容易受到熱壓罐尺寸的限制。熱壓罐成型工藝能夠作用于飛機艙門、機翼、尾翼、機載雷達罩等等的結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作中，在航空航天方面使用較廣。

2.3樹脂轉(zhuǎn)移膜塑成型工藝

樹脂轉(zhuǎn)移膜塑成型也被稱為RTM，它是一種制作復(fù)合材料的高效方式，最初應(yīng)用于飛機次承力結(jié)構(gòu)件，現(xiàn)如今已經(jīng)廣泛在汽車、飛機等的組件加工當(dāng)中得到應(yīng)用。它具備著制件質(zhì)量優(yōu)、尺寸精度高、低成本的優(yōu)勢，而且在結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大的構(gòu)件制作中，能夠得到廣泛應(yīng)用。技術(shù)加工時，通過在模腔中鋪放符合設(shè)計要求的增強材料，從而形成具體形體，將數(shù)值體系注入閉合的模腔完成固化后得到相關(guān)構(gòu)件。它可以通過真空導(dǎo)入模塑工藝、高壓RTM等，完成復(fù)合材料的固化過程。工藝形式具備著低成本的優(yōu)勢，能夠得到大批量的生產(chǎn)。在生產(chǎn)創(chuàng)造時的速度較快，可以利用CAD設(shè)計進行精度控制，而且制造能夠達到多次使用的優(yōu)勢[2]。

三、CFRP的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1航空航天

CFRP可以在我國的航空航天碳纖維裝置制造當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用，相較于其他的常規(guī)材料，該材料能夠使飛機的自重減輕?？朔饘俨牧先菀妆桓g的缺點，從而增強飛機整體的耐用性。而且CFRP具備著降低制造成本的優(yōu)勢，也能夠增強飛機建造的速率，使飛機的制作訂單得以增加，尤其是商用飛機。隨著我國航空制造領(lǐng)域的發(fā)展，CFRP部件的制作效率和數(shù)量越來越多，比如殲-11B在機翼外翼段＼水平尾翼、直10和直19武裝直升機中的機身框架結(jié)構(gòu)等。目前CFRP材料應(yīng)用較多的還是軍用飛機、無人飛機、直升機，在未來無人機產(chǎn)量的井噴式增長，也會使得CFRP材料的應(yīng)用更加廣泛，需求量更大。截止到2020年，我國航空航天領(lǐng)域在CFRP材料的需求量中高達1700t，預(yù)計未來還會持續(xù)增長。

3.2汽車工業(yè)

隨著社會科技的進步，人們經(jīng)濟水平的提升，汽車工業(yè)也在飛速發(fā)展。人們對汽車的要求更高，提出了環(huán)保、低能耗等多種需求，而碳纖維材料則具備著在節(jié)能環(huán)保方面發(fā)展的潛質(zhì)。它能夠提高材料的強度，提供較高的安全性，使得車身得到輕量化。據(jù)歐洲鋁協(xié)研究數(shù)據(jù)顯示，通過使用碳纖維復(fù)合材料，能夠使車身質(zhì)量降低10%，燃油效率提高6%～8%。為了能夠促進我國汽車工業(yè)輕量化的過程，我們必須要使CFRP材料在汽車工業(yè)領(lǐng)域的使用概率得到提升。但由于碳纖維復(fù)合材料的價格較高，有許多汽車制造商在開展生產(chǎn)創(chuàng)造時不愿意采用高額的復(fù)合材料，這也導(dǎo)致了CFRP在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用得到限制。但是多材料復(fù)合車身是汽車制造業(yè)的未來發(fā)展趨勢，通過提升工藝建造形式，有效降低成本，能夠使得CFRP在車身建造中得到更加廣泛的應(yīng)用。預(yù)計到2025年，汽車輕量化能夠通過利用碳纖維材料的質(zhì)量成本控制，使得CFRP材料的汽車產(chǎn)量高達60萬輛，CFRP在汽車領(lǐng)域消耗量為6000t[3]。

3.3風(fēng)電領(lǐng)域

全球的風(fēng)電容量正在持續(xù)增加，據(jù)2018年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，風(fēng)電容量已經(jīng)超過51.32GW。出于經(jīng)濟性的考慮，在使用CFRP大型復(fù)合材料利用于風(fēng)電行業(yè)中，應(yīng)當(dāng)思考葉片制造的性能。利用部分結(jié)構(gòu)，使用碳纖維或玻璃纖維混合材料，來有效降低成本，進一步推動CFRP在風(fēng)電領(lǐng)域的發(fā)展。2018年，我國國內(nèi)的風(fēng)電葉片CFRP消費量約1.2萬t，較2017年增長了一倍，這也證明了風(fēng)電葉片領(lǐng)域當(dāng)中，CFRP材料的需求量正在逐年上升。通過研究技術(shù)建造形式，能夠有效提升產(chǎn)量并推動材料制造業(yè)在風(fēng)電領(lǐng)域的發(fā)展。

3.4體育休閑

碳纖維復(fù)合材料可以通過制作球拍、棍球棒等等產(chǎn)品來達到應(yīng)用于體育休閑業(yè)的目的。在該行業(yè)當(dāng)中，CFRP生產(chǎn)量約為2.1t年均，且在持續(xù)增加。但由于這些產(chǎn)品多為出口商品，所以在我國的發(fā)展速度會逐漸放緩。

行業(yè)發(fā)展趨勢及建議

復(fù)合材料具備著強度高、設(shè)計性強等等優(yōu)勢，相較于其他傳統(tǒng)材料，復(fù)合材料也具備耐腐蝕和抗疲勞的優(yōu)點。復(fù)合材料可以在不同科學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛利用，近些年來，碳纖維復(fù)合材料的科學(xué)研發(fā)工作一直在穩(wěn)步進展。在未來，CFRP的成型技術(shù)和相關(guān)設(shè)備會逐漸國產(chǎn)化，如3D打印的碳纖維復(fù)合材料成型技術(shù)。而且，通過使用樹脂基體技術(shù)，能夠進一步調(diào)節(jié)產(chǎn)業(yè)需求結(jié)構(gòu)，加強不同企業(yè)之間的交流合作，實現(xiàn)產(chǎn)品一體化的生產(chǎn)過程[4]。

結(jié)束語

綜上所述，通過深入探究碳纖維復(fù)合材料的主流加工工藝，能夠?qū)⑵涓訌V泛的應(yīng)用于不同的行業(yè)當(dāng)中，從而推動人類社會發(fā)展的進程，給予各行各業(yè)的生產(chǎn)工作更多的可能性。

參考文獻

[1]李奇輝，劉向陽，房曉斌.碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及我國碳纖維工業(yè)的發(fā)展方向[J].價值工程，2016（17）：113—115.

[2]鐘奇，施毅，劉博.鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2015（2）：23—27.

[3]王冰佳，黃強，呼慧.復(fù)合材料及碳纖維在風(fēng)力機葉片中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 電站系統(tǒng)工程， 2019（3）：43—45.

[4]張萬君.劉永琪，錢秀松.碳纖維復(fù)合材料的孔加工[J].纖維復(fù)合材料，2005.22（3）：50—53.