1、碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料：李聰 牛雨點(diǎn) 王雪 張?zhí)?航天應(yīng)用領(lǐng)域航天應(yīng)用領(lǐng)域碳纖維樹(shù)脂基的基本介紹碳纖維樹(shù)脂基的應(yīng)用技術(shù)和成型方法碳纖維樹(shù)脂基在航天應(yīng)用上的發(fā)展目錄目錄 碳纖維復(fù)合材料簡(jiǎn)介 知識(shí)回顧 對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料而言，組分材料包括基體和增強(qiáng)體。 基體是復(fù)合材料中的連續(xù)相，其作用是將增強(qiáng)體固結(jié)在一起并在增強(qiáng)體之間傳遞載荷； 增強(qiáng)體是復(fù)合材料中承載的主體，包括纖維、纖維、顆粒、晶須或片狀物等的增強(qiáng)體，顆粒、晶須或片狀物等的增強(qiáng)體，其中纖維可分為連續(xù)纖維、長(zhǎng)纖維和短切纖維連續(xù)纖維、長(zhǎng)纖維和短切纖維，按纖維材料又可分為金屬纖維、陶瓷纖維和聚合物纖維，而目前用得最多的和最重要的是碳纖維。碳纖維。 碳纖維復(fù)合

2、材料簡(jiǎn)介 增強(qiáng)體-碳纖維是一種直徑極細(xì)的連續(xù)細(xì)絲材料 ，直徑范圍在 68 m 內(nèi)，是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種新型材料。 目前用在復(fù)合材料中的碳纖維主要有兩大類(lèi)：聚丙烯腈基碳纖維聚丙烯腈基碳纖維和瀝青基碳纖維瀝青基碳纖維，分別用聚丙烯腈原絲（稱(chēng)之為前驅(qū)體）、瀝青原絲通過(guò)專(zhuān)門(mén)而又復(fù)雜的碳化工藝制備而得 增強(qiáng)體-碳纖維 聚丙烯腈基碳纖維：由于高溫碳化，使纖維中的氫、氧等元素得以排出，成為一種含碳量高于90%的純碳材料，而本身質(zhì)量大為減?。欢矣捎谔蓟^(guò)程中對(duì)纖維進(jìn)行沿軸向的預(yù)拉伸處理，使得碳分子沿軸向進(jìn)行取向排列，大幅提高了碳纖維的軸向拉伸強(qiáng)度，成為一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模量、化學(xué)性能穩(wěn)定的高性能纖維材料

3、。 增強(qiáng)體-碳纖維 瀝青基碳纖維的制備原理與聚丙烯腈基碳纖維的大致相同，瀝青基碳纖維還可以繼續(xù)進(jìn)行石墨化處理，使碳含量超過(guò)98%，因而具有更高的彈性模量。用它制造的復(fù)合材料，具有非常高的尺寸穩(wěn)定性，例如衛(wèi)星的復(fù)合材料太陽(yáng)能電池板及反射線，在太空數(shù)百攝氏度的高低溫溫差下，仍能保持尺寸基本不變。 基體是復(fù)合材料另一個(gè)主要組分材料，包括金屬基體、陶瓷基體和樹(shù)脂基體，主流是樹(shù)脂基體。目前作為輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的高性能樹(shù)脂基體主要有三大類(lèi)，即：150 以下長(zhǎng)期使用的環(huán)氧樹(shù)脂基體以下長(zhǎng)期使用的環(huán)氧樹(shù)脂基體150220 長(zhǎng)期使用的雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)長(zhǎng)期使用的雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù) 脂基體脂基體 250 以上以上使用的

4、聚酰亞胺樹(shù)脂基體使用的聚酰亞胺樹(shù)脂基體 碳纖維復(fù)合材料性能 碳纖維復(fù)合材料與金屬材料和其它工程材料相比，具有以下許多優(yōu)良的性能： （1）比強(qiáng)度和比模量高比強(qiáng)度和比模量高 這些特性使CFRP 材料的利用效率大為提高，實(shí)際證明用 CFRP 代替鋼或鋁可減輕重量20%40%，因而在許多工業(yè)領(lǐng)域特別是在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 碳纖維復(fù)合材料性能 （2）材料性能的可剪裁性材料性能的可剪裁性（tailorability） 大多數(shù) CFRP 可通過(guò)設(shè)計(jì)增強(qiáng)纖維的取向及用量來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)材料的性能實(shí)行剪裁，達(dá)到性能最佳化。 復(fù)合材料的這種性能可剪裁性，不僅可提高材料的使用效率，而且有助于從材料到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制

5、造實(shí)行一體化，既簡(jiǎn)化了制造程序，又降低了制造成本。 碳纖維復(fù)合材料性能 （3）成型工藝的多選擇性成型工藝的多選擇性 如熱壓罐、模壓、纖維纏繞、樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）、拉擠、注射、噴塑、搓管以及大型復(fù)雜部件的共固化整體成型技術(shù)等，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)構(gòu)件的性能、材料種類(lèi)、產(chǎn)量規(guī)模和成本等因素選擇最適合的成型方案。 碳纖維復(fù)合材料性能 （4）良好的耐疲勞性能良好的耐疲勞性能 層壓的 CFRP 對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)張有“抑制”作用，這是因?yàn)楫?dāng)裂紋由表面向內(nèi)層擴(kuò)展時(shí)，到達(dá)某一纖維取向的層面時(shí)，會(huì)使裂紋擴(kuò)展在該層面內(nèi)呈現(xiàn)斷裂發(fā)散，這種特性使得 CFRP 的疲勞強(qiáng)度大為提高。研究表明鋼和鋁的疲勞強(qiáng)度是靜力強(qiáng)度50%，

6、而 CFRP 可達(dá) 90%。 碳纖維復(fù)合材料性能 （5）良好的抗腐蝕性良好的抗腐蝕性 由于 CFRP 的表面是一層高性能的環(huán)氧樹(shù)脂或其他樹(shù)脂塑料，因而具有良好的耐酸、耐堿及耐其他化學(xué)腐蝕性介質(zhì)的性能。這種優(yōu)點(diǎn)使 CFRP 在未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)或其他有抗腐蝕要求的領(lǐng)域上應(yīng)用具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 碳纖維復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料在航空工業(yè)中的在航空工業(yè)中的 應(yīng)用應(yīng)用技術(shù)和成型方法技術(shù)和成型方法 環(huán)氧基體用量最多，具有綜合性能優(yōu)異、工藝性好、價(jià)格低等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有良好的黏結(jié)性，耐熱性，耐化學(xué)藥品腐蝕性，高強(qiáng)度和加工方便。在馬赫數(shù)小于1.5 的軍機(jī)和民機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。注：環(huán)氧基體由于固化后的分子交聯(lián)密度高、內(nèi)

7、應(yīng)力大，存在質(zhì)脆、耐疲勞性差、抗沖擊韌性差等缺點(diǎn)。對(duì)于航空結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，環(huán)氧樹(shù)脂的增韌改性。一直是重要的研究課題。因此高性能、低成本、可回收再用、環(huán)境友好型高性能、低成本、可回收再用、環(huán)境友好型的樹(shù)脂基體，是復(fù)合材料技術(shù)未來(lái)發(fā)展的長(zhǎng)期研究課題。環(huán)氧基體環(huán)氧基體查資料，纖維增強(qiáng)材料體系的改性可從以下兩個(gè)方面進(jìn)行，第一碳纖維表面改性處理 方法有氣相氧化法、陽(yáng)極氧化法、電聚合表面涂層法、液相氧化法及等離子氧化法；第二對(duì)樹(shù)脂基體進(jìn)行改性處理查證利用熱塑性酚醛樹(shù)脂改性環(huán)氧樹(shù)脂（PF)可有效改進(jìn)其性能當(dāng)酚醛樹(shù)脂含量為20%時(shí)，層間剪切強(qiáng)度達(dá)到111.31mpa,t提高約7%，熱穩(wěn)定性較其他含量時(shí)為高，復(fù)合

8、材料體系的綜合性能最好。 眾所周知，影響復(fù)合材料性能的三要素是纖維、樹(shù)脂和界面，所以，樹(shù)脂起著極其重要的作用。那么，針對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基高性能碳纖維復(fù)合材料及固化成型技術(shù)，基體樹(shù)脂應(yīng)該向哪些方向發(fā)展？以下一些問(wèn)題是必須要考慮的：1 .無(wú)論對(duì)于中模還是高強(qiáng)碳纖維，樹(shù)脂均可以充分發(fā)揮應(yīng)力傳遞功能，從而最佳發(fā)揮纖維性能2.適用于自動(dòng)鋪帶和纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)3.高溫下仍有良好的濕熱性能4.可控的樹(shù)脂流動(dòng)，同時(shí)對(duì)纖維良好的浸漬能力5.低放熱峰性能使超厚的單板結(jié)構(gòu)一次成型6.優(yōu)異的韌性和較高的沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度7.良好的粘性壽命和外置壽命8.簡(jiǎn)單、通用和成熟的操作和固化工藝環(huán)氧樹(shù)脂膠接材料及膠接技術(shù)一、環(huán)氧樹(shù)脂膠

9、接材料的形式膠膜發(fā)泡膠糊狀膠等膠膜膠膜以樹(shù)脂膜樹(shù)脂膜的形式提供客戶，一般在膠膜的一面是離型紙離型紙，另外一面是保護(hù)薄膜保護(hù)薄膜。使用時(shí)將膠膜除去離型紙和保護(hù)薄膜后放在兩個(gè)膠接面之間，經(jīng)加溫、加壓而固化。發(fā)泡膠樹(shù)脂膜形狀的發(fā)泡膠制造方法和膠膜相似，主要用于蜂窩與蜂窩之間的膠接。當(dāng)然，也有部分產(chǎn)品以糊狀形式提供，其具有良好的觸變性能，以防止固化之前的流膠。糊狀膠糊狀膠分單組份膠單組份膠和雙組分膠雙組分膠兩種，大部分雙組分膠可以在常溫下固化，當(dāng)然也可以在中高溫下固化。二、環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠接材料的膠接技術(shù)膠接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要的一點(diǎn)是膠接需要設(shè)計(jì)的，這一點(diǎn)人們往往會(huì)忽視。，在膠接設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量將膠接節(jié)點(diǎn)形

10、式設(shè)計(jì)好，以利用膠接強(qiáng)度好的一面，減少使用膠接性能弱的一面。膠接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)另一個(gè)需要注意的是如何避免應(yīng)力集中所造成的膠接破壞膠接材料選材在膠接材料選擇時(shí)，首先要考慮的是固化后的使用溫度固化后的使用溫度。材料選擇時(shí)其它需要注意的還包括固化條件、膠粘材料中有無(wú)襯墊、單位面積重量、規(guī)范要求等。和預(yù)浸料共固化時(shí)，還需要考慮膠接材料和預(yù)浸料之間的相容性。表面處理膠接表面的狀況直接影響膠接的效果。通常的表面處理方式包括去油脂去油脂，或去油脂加物去油脂加物理處理理處理，或去油脂加化學(xué)處理去油脂加化學(xué)處理。膠接工藝溫度、壓力和時(shí)間溫度、壓力和時(shí)間是保證膠接質(zhì)量的三個(gè)主要要素。不同牌號(hào)膠接材料的固化溫度、壓力和時(shí)

11、間都能在產(chǎn)品的技術(shù)數(shù)據(jù)表中查到，下圖為典型的固化曲線。膠接材料的固化曲線目前，航空復(fù)合材料部件的主流工藝仍為熱壓釜工藝，冷藏、解凍、裁剪、鋪貼、打袋、固化、后加工等系列操作使得復(fù)合材料航空部件的制造成本居高不下，也為眾多企業(yè)進(jìn)入該行業(yè)設(shè)置了較高的門(mén)檻，這對(duì)航空復(fù)合材料的大量使用是不利的。所以，人們?cè)诓粩嘌芯咳绾问蛊涔に嚭?jiǎn)單化和通用化，非熱壓釜工藝（Out of Autoclave）、HexMC 等就是在這樣背景下的產(chǎn)物。復(fù)合材料的一些成型工藝預(yù)浸料熱壓罐成型工藝環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料有多種成型方式，包括預(yù)浸料熱壓釜、預(yù)浸料真空袋壓、RTM（樹(shù)脂傳遞模塑）、模壓、搓卷、手糊等，對(duì)于航空航天部件而言，

12、目前最常用的方法仍為預(yù)浸料熱壓罐工藝和 RTM 工藝，而熱壓罐成型工藝也最成熟。液體成型環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料技術(shù)盡管預(yù)浸料熱壓罐成型方式得到的復(fù)合材料產(chǎn)品的性能比較穩(wěn)定，但制造成本相對(duì)而言卻是比較高的，并且由于鋪貼工藝的局限性，在制造大型、復(fù)雜的復(fù)合材料部件時(shí)受到了一定的限制。而將預(yù)浸料鋪貼制得的部件組裝成一個(gè)復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)又需要大量的連接件，這種結(jié)構(gòu)沒(méi)有充分發(fā)揮復(fù)合材料的特點(diǎn)，造成不必要的重量增加，這樣，就催生了液體成型工藝，即 RTM 成型工藝。液體成型技術(shù)就是將樹(shù)脂注入到密封的模具中間，浸漬連續(xù)的、液體成型技術(shù)就是將樹(shù)脂注入到密封的模具中間，浸漬連續(xù)的、預(yù)先定型的增強(qiáng)材料，固化以后得到

13、復(fù)合材料部件的一種工藝預(yù)先定型的增強(qiáng)材料，固化以后得到復(fù)合材料部件的一種工藝。環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料作為功能材料的應(yīng)用實(shí)例 -可加工的環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維模具材料HexTool 就是這樣一種材料,實(shí)際上，它是一種短切碳纖維預(yù)浸料，有環(huán)氧基和雙馬基兩種，適用于不同固化溫度的復(fù)合材料部件HexMC 也是一種短切的碳纖維預(yù)浸料。這種材料放棄了連續(xù)纖維的抗拉性能，更多的是利用碳纖維復(fù)合材料的剛性以及良好的工藝性能，因此，適合制作飛機(jī)上的窗框、連接板、鉸鏈等。該材料最成功的應(yīng)用案例之一是用于制作B787 上的窗框。由于該產(chǎn)品的使用，使得B787的窗框比常用客機(jī)的窗框面積增加了30%以上。豐富的自然光線和寬闊的視

14、野使得B787 被譽(yù)為視覺(jué)最好的客機(jī)。碳纖維復(fù)合材料在航空工業(yè)中碳纖維復(fù)合材料在航空工業(yè)中的的 應(yīng)用和發(fā)展應(yīng)用和發(fā)展在直升機(jī)上的應(yīng)用在中國(guó)，直升機(jī)的傳統(tǒng)應(yīng)用是在軍事領(lǐng)域，數(shù)量非常少，以至于汶川地震時(shí)沒(méi)有足夠的直升機(jī)，特別是大型直升機(jī)用于救災(zāi)。根據(jù)發(fā)展的需要，未來(lái)10年，中國(guó)的民用直升機(jī)市場(chǎng)將會(huì)得到深度的開(kāi)拓，AC系列的民用直升機(jī)也將形成。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，特別以碳纖維預(yù)浸料為主要原料的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)必將成為直升機(jī)結(jié)構(gòu)的主流。在通用飛機(jī)上的應(yīng)用相對(duì)于大型商用飛機(jī)而言，通用小飛機(jī)的結(jié)構(gòu)則簡(jiǎn)單的多，其外翼的翼樑使用單向碳纖維復(fù)合材料制造。在商用飛機(jī)上的應(yīng)用 自上世紀(jì) 80 年代起，復(fù)合材料也開(kāi)始在商用飛機(jī)上得到逐步應(yīng)用。隨之而來(lái)的碳纖維革命，特別是中模量碳纖維性能的提高技術(shù)的穩(wěn)定，使得碳纖維復(fù)合材料最終被用于大型商用飛機(jī)的主結(jié)構(gòu)。在發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙上的應(yīng)用通過(guò)熱壓罐工藝成型獲得，環(huán)氧中模量碳纖維預(yù)浸料具有極高的韌性和損傷容限，可以滿足葉片苛刻的性能要求。&結(jié)束語(yǔ) 21 世紀(jì)碳纖維復(fù)合材料在航空工業(yè)的應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)期，也提供了一