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碳纤维树脂复合材料 李聪牛雨点王雪张甜 研究团队 航天应用领域 2020 3 18 1 目录 2020 3 18 2 碳纤维复合材料简介 知识回顾对结构复合材料而言 组分材料包括基体和增强体 基体是复合材料中的连续相 其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷 增强体是复合材料中承载的主体 包括纤维 颗粒 晶须或片状物等的增强体 其中纤维可分为连续纤维 长纤维和短切纤维 按纤维材料又可分为金属纤维 陶瓷纤维和聚合物纤维 而目前用得最多的和最重要的是碳纤维 2020 3 18 3 碳纤维复合材料简介 增强体 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料 直径范围在6 8 m内 是近几十年发展起来的一种新型材料 目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类 聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维 分别用聚丙烯腈原丝 称之为前驱体 沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得 2020 3 18 4 增强体 碳纤维 聚丙烯腈基碳纤维 由于高温碳化 使纤维中的氢 氧等元素得以排出 成为一种含碳量高于90 的纯碳材料 而本身质量大为减小 而且由于碳化过程中对纤维进行沿轴向的预拉伸处理 使得碳分子沿轴向进行取向排列 大幅提高了碳纤维的轴向拉伸强度 成为一种轻质 高强 高模量 化学性能稳定的高性能纤维材料 2020 3 18 5 增强体 碳纤维 沥青基碳纤维的制备原理与聚丙烯腈基碳纤维的大致相同 沥青基碳纤维还可以继续进行石墨化处理 使碳含量超过98 因而具有更高的弹性模量 用它制造的复合材料 具有非常高的尺寸稳定性 例如卫星的复合材料太阳能电池板及反射线 在太空数百摄氏度的高低温温差下 仍能保持尺寸基本不变 2020 3 18 6 基体是复合材料另一个主要组分材料 包括金属基体 陶瓷基体和树脂基体 主流是树脂基体 目前作为轻质高效结构材料应用的高性能树脂基体主要有三大类 即 150 以下长期使用的环氧树脂基体150 220 长期使用的双马来酰亚胺树脂基体250 以上使用的聚酰亚胺树脂基体 2020 3 18 7 2020 3 18 8 2020 3 18 9 碳纤维复合材料性能 碳纤维复合材料与金属材料和其它工程材料相比 具有以下许多优良的性能 1 比强度和比模量高这些特性使CFRP材料的利用效率大为提高 实际证明用CFRP代替钢或铝可减轻重量20 40 因而在许多工业领域特别是在航空航天领域得到广泛的应用 2020 3 18 10 碳纤维复合材料性能 2 材料性能的可剪裁性 tailorability 大多数CFRP可通过设计增强纤维的取向及用量来对结构材料的性能实行剪裁 达到性能最佳化 复合材料的这种性能可剪裁性 不仅可提高材料的使用效率 而且有助于从材料到结构的设计和制造实行一体化 既简化了制造程序 又降低了制造成本 2020 3 18 11 碳纤维复合材料性能 3 成型工艺的多选择性如热压罐 模压 纤维缠绕 树脂传递模塑 RTM 拉挤 注射 喷塑 搓管以及大型复杂部件的共固化整体成型技术等 实际应用时可根据构件的性能 材料种类 产量规模和成本等因素选择最适合的成型方案 2020 3 18 12 碳纤维复合材料性能 4 良好的耐疲劳性能层压的CFRP对疲劳裂纹扩张有 抑制 作用 这是因为当裂纹由表面向内层扩展时 到达某一纤维取向的层面时 会使裂纹扩展在该层面内呈现断裂发散 这种特性使得CFRP的疲劳强度大为提高 研究表明钢和铝的疲劳强度是静力强度50 而CFRP可达90 2020 3 18 13 碳纤维复合材料性能 5 良好的抗腐蚀性由于CFRP的表面是一层高性能的环氧树脂或其他树脂塑料 因而具有良好的耐酸 耐碱及耐其他化学腐蚀性介质的性能 这种优点使CFRP在未来的电动汽车或其他有抗腐蚀要求的领域上应用具有很强的竞争力 2020 3 18 14 碳纤维复合材料在航空工业中的应用技术和成型方法 15 环氧基体用量最多 具有综合性能优异 工艺性好 价格低等诸多优点 具有良好的黏结性 耐热性 耐化学药品腐蚀性 高强度和加工方便 在马赫数小于1 5的军机和民机上得到广泛应用 注 环氧基体由于固化后的分子交联密度高 内应力大 存在质脆 耐疲劳性差 抗冲击韧性差等缺点 对于航空结构复合材料 环氧树脂的增韧改性 一直是重要的研究课题 因此高性能 低成本 可回收再用 环境友好型的树脂基体 是复合材料技术未来发展的长期研究课题 环氧基体 16 查资料 纤维增强材料体系的改性可从以下两个方面进行 第一碳纤维表面改性处理方法有气相氧化法 阳极氧化法 电聚合表面涂层法 液相氧化法及等离子氧化法 第二对树脂基体进行改性处理查证利用热塑性酚醛树脂改性环氧树脂 PF 可有效改进其性能当酚醛树脂含量为20 时 层间剪切强度达到111 31mpa t提高约7 热稳定性较其他含量时为高 复合材料体系的综合性能最好 17 众所周知 影响复合材料性能的三要素是纤维 树脂和界面 所以 树脂起着极其重要的作用 那么 针对环氧树脂基高性能碳纤维复合材料及固化成型技术 基体树脂应该向哪些方向发展 以下一些问题是必须要考虑的 1 无论对于中模还是高强碳纤维 树脂均可以充分发挥应力传递功能 从而最佳发挥纤维性能2 适用于自动铺带和纤维自动铺放技术3 高温下仍有良好的湿热性能4 可控的树脂流动 同时对纤维良好的浸渍能力5 低放热峰性能使超厚的单板结构一次成型6 优异的韧性和较高的冲击后剩余压缩强度7 良好的粘性寿命和外置寿命8 简单 通用和成熟的操作和固化工艺 18 环氧树脂胶接材料及胶接技术 一 环氧树脂胶接材料的形式胶膜发泡胶糊状胶等 19 胶膜胶膜以树脂膜的形式提供客户 一般在胶膜的一面是离型纸 另外一面是保护薄膜 使用时将胶膜除去离型纸和保护薄膜后放在两个胶接面之间 经加温 加压而固化 发泡胶树脂膜形状的发泡胶制造方法和胶膜相似 主要用于蜂窝与蜂窝之间的胶接 当然 也有部分产品以糊状形式提供 其具有良好的触变性能 以防止固化之前的流胶 20 糊状胶糊状胶分单组份胶和双组分胶两种 大部分双组分胶可以在常温下固化 当然也可以在中高温下固化 21 二 环氧树脂结构胶接材料的胶接技术 胶接结构设计非常重要的一点是胶接需要设计的 这一点人们往往会忽视 在胶接设计时 要尽量将胶接节点形式设计好 以利用胶接强度好的一面 减少使用胶接性能弱的一面 胶接结构设计另一个需要注意的是如何避免应力集中所造成的胶接破坏 22 胶接材料选材在胶接材料选择时 首先要考虑的是固化后的使用温度 材料选择时其它需要注意的还包括固化条件 胶粘材料中有无衬垫 单位面积重量 规范要求等 和预浸料共固化时 还需要考虑胶接材料和预浸料之间的相容性 表面处理胶接表面的状况直接影响胶接的效果 通常的表面处理方式包括去油脂 或去油脂加物理处理 或去油脂加化学处理 23 胶接工艺温度 压力和时间是保证胶接质量的三个主要要素 不同牌号胶接材料的固化温度 压力和时间都能在产品的技术数据表中查到 下图为典型的固化曲线 胶接材料的固化曲线 24 目前 航空复合材料部件的主流工艺仍为热压釜工艺 冷藏 解冻 裁剪 铺贴 打袋 固化 后加工等系列操作使得复合材料航空部件的制造成本居高不下 也为众多企业进入该行业设置了较高的门槛 这对航空复合材料的大量使用是不利的 所以 人们在不断研究如何使其工艺简单化和通用化 非热压釜工艺 OutofAutoclave HexMC等就是在这样背景下的产物 25 复合材料的一些成型工艺 预浸料热压罐成型工艺环氧树脂基复合材料有多种成型方式 包括预浸料热压釜 预浸料真空袋压 RTM 树脂传递模塑 模压 搓卷 手糊等 对于航空航天部件而言 目前最常用的方法仍为预浸料热压罐工艺和RTM工艺 而热压罐成型工艺也最成熟 26 液体成型环氧树脂基复合材料技术尽管预浸料热压罐成型方式得到的复合材料产品的性能比较稳定 但制造成本相对而言却是比较高的 并且由于铺贴工艺的局限性 在制造大型 复杂的复合材料部件时受到了一定的限制 而将预浸料铺贴制得的部件组装成一个复杂的复合材料结构又需要大量的连接件 这种结构没有充分发挥复合材料的特点 造成不必要的重量增加 这样 就催生了液体成型工艺 即RTM成型工艺 液体成型技术就是将树脂注入到密封的模具中间 浸渍连续的 预先定型的增强材料 固化以后得到复合材料部件的一种工艺 27 28 29 环氧树脂基复合材料作为功能材料的应用实例 可加工的环氧树脂基碳纤维模具材料 HexTool就是这样一种材料 实际上 它是一种短切碳纤维预浸料 有环氧基和双马基两种 适用于不同固化温度的复合材料部件 30 HexMC也是一种短切的碳纤维预浸料 这种材料放弃了连续纤维的抗拉性能 更多的是利用碳纤维复合材料的刚性以及良好的工艺性能 因此 适合制作飞机上的窗框 连接板 铰链等 该材料最成功的应用案例之一是用于制作B787上的窗框 由于该产品的使用 使得B787的窗框比常用客机的窗框面积增加了30 以上 丰富的自然光线和宽阔的视野使得B787被誉为视觉最好的客机 31 碳纤维复合材料在航空工业中的应用和发展 32 在直升机上的应用在中国 直升机的传统应用是在军事领域 数量非常少 以至于汶川地震时没有足够的直升机 特别是大型直升机用于救灾 根据发展的需要 未来10年 中国的民用直升机市场将会得到深度的开拓 AC系列的民用直升机也将形成 复合材料结构 特别以碳纤维预浸料为主要原料的碳纤维复合材料结构必将成为直升机结构的主流 在通用飞机上的应用相对于大型商用飞机而言 通用小飞机的结构则简单的多 其外翼的翼樑使用单向碳纤维复合材料制造 33 在商用飞机上的应用自上世纪80年代起 复合材料也开始在商用飞机上得到逐步应用 随之而来的碳纤维革命 特别是中模量碳纤维性能的提高 技术的稳定 使得碳纤维复合材料最终被用于大型商用飞机的主结构 在发动机和短舱上的应用通过热压罐工艺成型获得 环氧中模量碳纤维预浸料具有极高的韧性和损伤容限 可以满足叶片苛刻的性能要求 34 结束语 21世纪碳纤维复合材料在航空工业的应用进入了一个崭新时期 也提供了一个广阔的市场