碳纤维增强复合材料的简介及应用发1

1、碳纤维增强复合材料的简介及应用发展碳纤维是山礁元素组成的一种无机纤维材料，一般具有90%以匕的含碳虽，直径一般只有它既具有碳材料的固有木征特性还具有纺织纤维的柔软性和可编性。碳纤维的主要特性如下1）质量轻其密度为L52g/cn?礁纤维的比重相当于钢的1/4.钛合金的"3及铝合金的】/2。2）强度及弹性模量高碳纤维的抗拉强度一般都大于3500MPa.是钢的79倍，抗拉弹性模量高达23B430GPa,也高于钢.CFRP轻而刚、刚而强的特性是其被广泛应用的最基本性能。3）热胀系数小，具有优异的热力学性能，可耐骤冷、急热。在30009非氧化条件下不软化、不熔化，在液氮温度条件下也不发生硬化和

2、脆化。4）耐摩擦、抗爵损，碳纤维具有乱层石墨结构，所以自润滑性好。5）耐蚀性好，在酸、碱溶液中长期浸泡不会溶胀变质.同时，碳纤维的耐水性好,可长期在潮湿环境中使用.6）导电性好，碳纤维的导电性随种类的不同而不同.高模量碳纤维的比电阻是775qcm,高强度碳纤维的比电阻是1500pQ/cm。除上述特性之外，还具有X射线透过性好、耐油、抗辐射和吸收有毒气体零特性由于原料及制造工艺不同，所得碳纤维的性能也不同，所以碳纤维的分类标准有很多，日本碳纤维协会按力学性能将碳纤维分为5个等级，如表1.1所示.表】碳纤维等级的划分碳纤维零级力学性能典羽牌号拉伸強度/MPa拉伸弹性模ft/GPa低弹性模it碳纤维

3、LM型<3000<200标准弹性模最碳纤维SM塑>2500200280T300.T700SC中等弹性模量碳纤维1M3?>4500280350T800HB.T1000GB高弹性模量碳纤维HM型350600M40JBN50JB超高弹性模星碳纤维UHM型>600UM63.UM68碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料（CFRP）是由增强相、基体相和界面相组成。碳纤维起增强作用，而树脂基体起到均匀分布载荷，并通过界面把载荷传递到碳纤维上，同时基体材料也可保护增强纤维避免其受环境的侵蚀。CFRP以轻质、高强、抗腐蚀、吸振性好、耐高温等特点，被广泛应用于结构材料和功能材料中，是

4、冃前绘先进的复合材料之一.CFRP所用的基体树脂主要有两类：热固性树脂和热塑性树脂.热固性树脂一般为分子量不高的固体或粘稠液体在加热加压或固化剂、紫外光作用下，经化学反应，交联固化成型的不溶不熔物质.由线型或短支链型高分子量聚合物组成的热型性树脂的主要特点是受热可软化和熔化，受冷后硬化并恢复原来的状态卩加叫1.23碳纤维増强复合材料的应用碳纤维的问世始于20世纪60年代，初始是被应用于结构材料中，后來在功能型材料中也有大量的应用。自80年代以来，碳纤维的品种不断增多，性能逐渐提高，可满足不同场合的需求卩忙CFRP以英独待优异的性能在众多领域已有广泛的应用，图1所示为SANDVIK公司调研的CF

5、RP在各个领域所占的比例.起初，CFRP主要应用于军事工业，后來随着科技的发展，碳纤维生产规模的扩大及成本的降低，先进的低成本制造技术的突破，CFRP在民用航空、风力发电、体“用品、建筑工程、交通运输及电子材料等其它领域也成为研究开发的热点，并取得了一定的进展.图1.2为CFRP的应用实例。图1.1«纤维复合材料不同领域所占比列图12CFRP的应用实例（1航空航天CFRP由于比强度奇，尺寸稳定件好，可大幅度减轻结构材料的质毎，航空航天是应用碳纤绅最早的领域。早在1950年，矣国为解决导弹艮锥和战略武器的隔热材料就开始研制粘胶基碳纤维到20世纪70年代，矣国军用F-14战斗机的主承力构

6、件就部分采用CFRP,到F18战机，CFRP作为主承力结构材料在主翼、机"等部位使用，用址占结构材料质虽的10%W随着科技的发展，特种CFRP作为隐身材料在B2隐刃菠炸机和F-22隐身战机上衍到了成功的应用，大人降低了E机的雷达散射战面枳，在很大程度匕提高了战机的生W和突防能力说）关国“侏倍”小型洲际弹道导弹三级发动机的燃烧壳体是由碳纤维/环氣树脂绰绕制作，“爱国者PAC3”导弹发动机上采用T800碳纤维/环氧树脂貝合材料卩叫II询，C/CFRP已实用于制造大型火箭和导弹喷管材料，如夬国MX弹道导弹的第三级发动机喷管的外头帕而段、整体喉衬入口段和喉部下游段郁采用了C/CFRP*叫我阿

7、在2003年9月飞行成功的“开摘者一号”固体小塑运我火箭的第四级发动机壳体就采用了CFRP,实现了由玻璃纤维增强复合材料（GFRP）向CFRP壳体的转换WCFRP在民用大型客机方血也岗到了广泛的应用。空客A380上的主承力部件中的中央翼盒、机力蒙皮举板、机刃后段尾段、后承压框、垂尾等都采用了CFRP.FLCFRP占全部貝合材料质虽的85%。到空'XA35O,飞机机身全部采用CFRP业板蒙皮结构。波音787上，CFRP的用虽:占结构总质就的50%"叫(2) 风力发电复合材料在风电行业中主要应用在转子叶片上。随着发电功率和叶片长度的增加，对材料的强度和刚度都提出了更离的要求，GF

8、RP作为现在制造风电叶片最普遍的材料已经逐渐显现岀性能的不足，有效的办法是采用CFRP-目前，CFRP只应用到叶片的关键部位，如主梁帽、蒙皮表面、叶片根部、叶片前后缘防雷系统及叶片的尖部等丹麦LMGlassfiber“未来”叶片家族，德国NordexRotor叶片制造商，西班牙Gamesa公司，德国EnerconGmbH公司，华盛顿的Kirkland公司和TPIComposites公司都在叶片的关键部位不同程度的采用了CFRP。随着科技的不断突確，使用CFRP制造大型叶片是未来必然的发展趋势【心20】。(3) 体育休闲用品体育休闲用品是CFRP应用的另一重要领域，很多体育产品都采用碳纤维制造：

9、球类器材如高尔夫球杆、网球拍、羽毛球拍、垒球梓、篮球架等；冰雪器材如滑雪板、滑雪杖、雪橇等；水上器材如皮艇、滑艇、帆船、帆板、冲浪板等：其它休闲用品如乐器、钓鱼竿、自行车等。用CFRP制作的体育休闲用品与传统的金属制品相比，不仅使用寿命大大延长，而且质量更轻，手感更好，对振动和簾荡的吸收也更好。(4) 土木建筑工程据报道，建筑钢筋只能承受每英't45畑的拉力，而经过碳纤维补强后则可以承受每英寸45.5仪的拉力，有效提高了承载能力和刚度.因此，混凝土加固改造的一个車要途径就是采用碳纤维布加固.据统计，芙国现有桥梁中的40%使用了碳纤维片对其进行修复。我国成功使用了碳纤维修补工程对天安门城楼、武汉长江二桥、中国历史博物馆、葛洲坝船闸等进行维修。(5) 交通运输CERP在交通运输方面的应用主要集中在汽车的刹车系统、转动轴、骨架，轮毅、引緊零件及环保汽车用的压缩天然气气瓶，船舶的增强材料等。1979年，福特汽车公司就利用CFRP制造汽车零部件试验，结果整车的重呈减轻了33%,汽油的利用率提髙了44%,同时，掘动和噪音也得到了很大程度的降低.我国早在90年代就将CFRP技术列为汽车零部件中的关键技术(6) 其它应用碳纤维除用尸结构材料的增强外，还可用作功能材料，如电磁屛蔽