CFRP及其应用现状

CFRP及其应用现状复合材料是由柄种或两种以匕性喷小同的材料，通过存种工艺手段组合而成.它的各个组成柑料.在性能上起协同作用、得到单-材料无捉比拟的、优越的综售堆能，成为•类新型的丄程材料［】】“呈合材料由连续相和分散相组成*前者被蒋为基休，后者称为增强材料“基休材料强度低、凑量低、韧性軒，增强材料强度高、模食高"复合材料的性能不是组分材料性能的简单加和.而足有誉重要的改进罔*垠含材料的优越性能主要包括：比理度与比模量高；化学稳定性优良I减摩、耐磨"自润滑性好.耐熬性高.高甸性和高抗冲击性.导电和导熱性以及楚特殊性能叫按增强材料形赢的不同,复含材料可以井为纤维增强复合村料、颔粒増亚复合材料及晶须增強亘合村料”苴屮IUT细増强艮合权卯岌展最快、応用最沟广泛”冃前當见的纤沖増睡艮合肘拦箜包括:碳纤维増程复合制糾、硼纤维増强复合村糾.戍璃纤维复合对料、金属纤维复合材料和陶瓷歼维复合材料等I現其中礦纤堆增强复合材料(CFRP)以碳纤堆为增强材料，基体材料为树脂“由于其囱有陶特垃，CFRP是星合材料中发展廉迅速、应用聂广泛的一类复合材轧突出优点是比强度及比模量(即强度与密度之Lt、模虽与密度之比)命“其密理约九钢的1/5,均铝的1心，其比强度利比模量都:比钢、铝合佥高.另夕卜，CFRP还有-个灾出的特点最村训附笛N异性"与艺村关附血性能吋"IL幻I件强-它时力哮，物理性能除「由纤维、桂脂的种类及体枳含虽而症外，还与纤维的排列方向、铺层次序和层数密坍相关-它具有材料与结构的统-性，在制造CFRP材料的同时，也就获得了剖件.可一次成形，即使结构形狀复杂的人一型制件也可能一次成杉「这制于-熾丄稈環料是难于冥现的。这一特点使得部件中的零件救目明显减少］避免了強头过多，显著陰低了应力集中.同时，相应地减轻了部件重量，减少了制造r.i?»tnr.fi,.大量节苕匣村糾叫作为礎即雖复合时料的增强科斜,碗纤绯对逼合材那整休性能的形成起匕要作用-碳纤绯是有机纤维境高温瞒化而制虑，主翌原料対聚丙烯睛＜PAN＞，还有粘胶纤维和沥青.PAN制戎的碳纤締性詭最好*产量最丿"应用最•亠-怖用也P逐新下隆的世势.由邓同的工艺可制成的碳纤维：普通型、简强(HS)型*高樓(HM)型和超高(UHM)型“浸1.1列山験纤錐的主燮特性-衣1.1高件能碳纤维持性【'】纤维W.g畑)密度P(gfciu3)伸強度c3(OPa)比強度c/p(*107m)纵向拉伸根竝El(GPg)比刚度El-PgObm)屉伸断裂应变c(%)1.泊松比VD普通81.782.41.32215113127D26高强<IIS>71.793.1-501.7-27933D1261.2026<HM>21.812.4133792050.6022(UHM)S.41.311.86]51728D0.4025由于任纤錐方向上品格扑咧整齐,碳纤维貝有高的强度和模量・但在垂宜于纤維的方向,只抗拉和抗压强度、模量以及抗刃切性能则低得多■高强碳纤维的强度(指纵向抗拉强度)为2200-400DMPA・最犬百分应变约为14-16%.高模、超高模碳纤维的模St(指纵向拉伸模SD为350-7D0GPa.最人百分W变约为D.6%,冃肚开发了新的品种，如II本朵丽公诃的T1000纤维，强度达70d0MPa,惶S.294GP8,最高可达350GPa•高强.高模呂的MOOJ碳纤维强度和模呈分别可以达到3920MPa和588GPa,日本东丽东司的产品获得行业内的普適认冋,表1.2所列为其主婕产品牌号及性能，1.2东丽公司PAN孩碳纤维韦婪牌号及性能性能普通空局倉屮棋型囱強侖楔卫＜MJ系列〉T300TSOOTIOOOM40M46M50M40JM46JM50JM6DJM65I拉伸强度.'MPa35305590705027402550245044104210392039203600拉伸模竝/gpc23D294294392451490377436475528640断裂忡长/%1.51.92.4060.60J12100.80.70.6密麼阴1‘1761S11.321.811S31.911.771.S41.SS194193国产碳纤维.如上海的岛强S・I欣纤维•抗拉强度约为220DMPS：辽瀝的碳纤维，抗拉强度约为ISODMPa.进口的试纤奉.如H高的高强T300纤维和高模卜【40碳纤雄，T300的抗拉强度为353DMPa.M40的模帛为392GP8(40t/mn?人纤维的帑度只1.78-1.81g/cm3.lAl此比强度、比刚度很高,抗拉和抗压性能相近,而且具有良好的耐疲劳减振性能以及耐热性、耐腐蚀、透X射线翳恃性。它还链赋「树脂基体以导电性和热鉉定性⑹.CFRP以聚合物作为基怵.聚合物由热固性树脂及热塑性树脂两人类构成，目前，结构用CFRP的树脂2为热固性树脂,包括聚脂、环氧.的醛、聚酰亚胺、有机硅弊.其中前三种树脂用得最多©为了使热固性树脂固化后，具有某些特殊性能或满足某些工艺要求,往往在树脂中加入其他助刘,如引发剂、促进剂、稀释剂、增切剂和阻燃剂等。热塑性树脂主要有聚乙烯、聚丙烤.聚苯乙烯.聚碳酸脂和聚覘胺等鬥。环氣树脂是指分「中含有两个或两个以上环氧基团的有机拓分r•化合物.除个别外.它们的分f式都不舄・在化学结构方面,除有活泼的坏氧基团外,还有婭基和醸展，因而粘结力强.固化时无挥发物逸出.几隙率低，化学稅罡忤為，向腐蚀，固化收缩率较小，一般小于？％■环氧树脂具有较高的强度和模屋,是一种耐电弧、耐农面漏电、高介电强度的绝缘制料。另外,环氧树脂的工艺性好，适应性强，具有良好的尺寸稳定性和耐久性。基于上述特性，环氧树脂被广泛运用在CFRP屮叫CFRP是•种强度、刖度、耐热性均好的复合材料，这方面的性能是其他材料无法相提并论的。冈此，CFRP己经在航空、航夭、民用等领域得到了非常广泛的应用和发展。航空工业方面，先进复合材料（ACM）酋先被运用在军用飞机上，其中又以CFRP为上。自FJ8战机开始，最新的歼占机的机翼全部使用先进复合材料。如四代机中F22使用了占结构MS25%的复合材糾.法国Rafale的复合材料比垂为40%・瑞典JAS39为30%・欧州EF2000k干40%・美国B1轰炸机更是高达50%,RAH・66轻型侦察攻击直升机达51%卩血.・民用飞机领域,随若全球首架波音787客机于两雅图为地时间2011年9月26丨19时20分（北京时屈9月27II0时20分）正式仝付全II空航空公司.碳纤维复合材科在民机匕的便用杲（鱼虽）已高达01%,体积世是高达全机物料的30%。心1.3回顾了复合材料仕民机W用匕的发展历禅。^13复合材料在民机上的应用"°】年份型号釵合材糾用盘（%）备注年份盘号复合材料用趣（%）1P6SB7472-3波音公司19903747-400波音公司1971DC-10<1麦道公司1991A34O空中客吃公司1974L1011洛克希德公司1992MD114-5麦谊公司1980MD80麦道公词1993A330~13宇中客乍公可1982B7573-4液泮公“1994A321-15宇中客乍公可1983B7574-5彼泮公可1995B777波许公可1934B737波泮公可1997A322111(5空屮客车公可19S5A300-600空中客车公可2004A3S0-25空中客车公可1936A310~10空中客车公司2010A3旳-53空中客车公司1989A320-15空中客车公司2011B7S7-61波咅公司在航夭方面.1931年CFRP最早被应用于Orbiter号航天飞机的有效我荷舱门系，长度为13.3叫弧长46n的夹层结构，是历中上最人的CFRP构件。CFRP逐渐被广泛运用于人造卫星.