碳纤维复合材料十篇

碳纤维复合材料篇1

关键词：碳纤维；航天；航空；应用

一、引言

碳纤维是近几十年发展起来的一种新型材料，它是碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成的结构材料。其直径6～8μm之内，它是一种直径极细的连续细丝材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维两大类，分别用聚丙烯腈原丝、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、氧等元素得以排出，成为一种接近纯碳的材料，含碳量一般都在90%以上，而本身质量却大为减轻；碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。它是一种轻质、高强度、高模量、化学性能稳定的高性能纤维材料。

二、碳纤维复合材料的性能

碳纤维复合材料与金属材料或其他工程材料相比，具有以下许多优良的性能：

（1）比强度和比模量高

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为23000-43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/（g/cm3）以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/（g/cm3）左右，其比模量也比钢高。

（2）良好的耐疲劳性能

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，因此层压的CFRP对疲劳裂纹扩张有“抑制”作用，这种特性使得CFRP的疲劳强度大大提高。研究表明CFRP的疲劳强度是静力强度的90%。

（3）良好的抗腐蚀性

CFRP具有良好的耐酸、耐碱及耐其他化学腐蚀性介质的性能，这是因为其表面具有一层高性能的环氧树脂或其他树脂塑料。该优点使得其更具有竞争力，特别是在未来的电动汽车或其他有抗腐蚀要求的领域上。

三、碳纤维复合材料的应用

碳纤维复合材料主要是以满足航空航天对高性能材料的要求而发展起来的。随着碳纤维复合材料的优异性能越来越多地被认识和接受，其在能源、交通、汽车、海洋、建筑及其他工业部门的应用近年来在快速地发展。

（1）在航空领域的应用

为了提高和改善飞机性能，早在20世纪50年代，美国空军材料实验室就开始寻求一种新型的结构材料，碳纤维复合材料正是在这种背景下被列入发展计划。近40年来，在航空航天领域应用得到长足的发展，主要用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，此外还有C/C刹车片等。

（2）在航天领域的应用

用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层；卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件；航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件；哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无线电天线。

（3）在能源、汽车及其他工业部门的应用

随着全球石油资源紧缺局面的加剧，新能源的开发和利用已成为当今十分重要的研究课题，其中风能的开发和利用已形成全球的共识。MW级的风机叶片长度在40m以上，10MW级的风机叶片长度达60m，采用碳纤维复合材料能满足叶片轻质、高强度和高模量的要求。因此风电市场的快速增长将极大地推动碳纤维复合材料产业的发展。

对于未来的汽车工业，碳纤维复合材料将成为汽车制造的主流材料。2001年宝马公司率先开发和试验高强轻质的碳纤维复合材料（CFRP）车体板和其他部件，所用碳纤维系Zoltek公司生产的大丝束产品。英国Cranfield大学的研究成果也表明，每年生产2万辆的CFRP汽车是可行的。这种轻质化材料的汽车将改进其燃料效率，轻质化材料部件的刚性比钢制部件高，在高风阻力下具有良好稳定性，这一点对赛车和运动型车而言更为重要。目前已研制出的CFRP汽车长4.3m、宽1.7m、高1.4m，重量只有570kg。CFRP材料由德国Tenax公司生产提供。

聚合物树脂基体以及高性能的玻璃纤维、碳纤维和芳纶增强体的复合材料在一些新的应用领域取得进展，如具有防爆功能的装甲复合材料，以天然气作动力的汽车发动机汽缸，机械驱动轴，高速路高架桥承载梁等，在基建、兵器、医疗器械、体育休闲用品等领域都存在巨大的市场潜力。

参考文献：

[1]李威，郭权锋.碳纤维复合材料在航天领域的应用.中国光学，2011，4（3）：202-209.

[2]贺福，孙微.碳纤维复合材料在大飞机上的应用.高科技纤维与应用2007，32（6）：5-8.

[3]孙浩伟，李涛.碳纤维及其复合材料在国外军民领域的应用.纤维复合材料，2005（3）：65-67.

碳纤维复合材料篇2

关键词：碳纤维增强 尼龙66复合材料 力学性能

尼龙66本身虽是性能优异的工程塑料，但吸湿性大，制品尺寸稳定性差，强度与硬度也远远不如金属，为了克服这些缺点，早在七十年代以前，人们就采用碳纤维或其它品种的纤维进行增强以改善其性能。用碳纤维增强尼龙材料近年来发展很快，因为尼龙和碳纤维都是工程塑料领域性能优异的材料，二者复合综合体现了各自的优点，强度与刚性比未增强的尼龙高很多，蠕变小，尺寸精度好，热稳定性显著提高，耐磨，阻尼性优良，与玻纤增强相比有更好的性能[1，2]。

碳纤维增强尼龙66复合材料制备的传统工艺一般都是将经过处理的碳纤维与尼龙66原生粒经螺杆进行挤出造粒，然后再通过二次加工型（注塑成型、层压成型等）制得所需产品[3]。传统工艺中的造粒过程都是采用分批进料（尼龙66粒子和碳纤维），批次差异无法克服，直接导致产品质量不均匀，物性指标低；又因传统工程塑料改性加工技术的原料为颗粒状，改性生产必须经过将固态转化为熔融态的再熔融过程，能耗及生产成本相对较高，同时再熔融过程为高温降解过程，产品理化性能必然会受到影响，降低产品质量。而本生产工艺是在尼龙66聚合的过程中加入碳纤维，有效降低尼龙66在二次熔融的过程高温氧化的风险，生产工序简洁，能耗少，成本低。

一、实验部分

1.实验仪器与试剂

尼龙66盐溶液，为工业级，自制；抗氧化剂，分析纯，科莱恩化工；光稳定剂，分析纯，科莱恩化工；碳纤维，工业级，上海英嘉特种纤维材料有限公司。

真空干燥箱，DZX-3型（6020B）， 上海福玛试验设备有限公司；万能试验机，CMT4204型，美特斯工业系统（中国）有限公司；万能制样机，WZY—240，承德科承试验机公司；塑料摆锤冲击试验机，ZBC1251-B型，美特斯工业系统（中国）有限公司。

2.工艺流程

在尼龙66连续聚合生产过程中，将经过真空干燥除水后的碳纤维经上料装置，连续送入螺杆挤出机喂料口，然后经造粒系统造粒，得到碳纤维增强尼龙66粒子，最后再经干燥除水，通过注塑机制备出所需样条。

3.力学性能测试

拉伸性能的测试标准按GB/T1040.2-2006进行，环境温度为23±2℃、相对湿度为50±5%，样品为哑铃状，采用电子式万能试验机检测拉伸强度，拉伸速率为5mm/min，采样5次进行测试，结果取平均值。

冲击强度的测试标准按ISO179进行，环境温度为23±2℃、相对湿度为50±5%，采用塑料摆锤冲击试验机进行缺口悬臂梁抗冲击测试，采样5次进行测试，结果取平均值。

弯曲性能的测试标准按GB/T9341-2000进行，测试环境温度为23±2℃、相对湿度为50±5%，采用万能试验机检测弯曲强度，采样5次进行测试，结果取平均值。

二、结果与讨论

三、结论

本文通过新工艺制得碳纤维增强尼龙66复合材料的力学性能达到传统工艺制得复合材料的力学性能，并且与传统工艺相比，此工艺简单，能耗低、生产效率高，成本低，装置运行稳定可靠，一次造粒最大限度的保持了尼龙66树脂的新鲜度。

参考文献

[1] 张淑芳. 增强增韧尼龙材料[J]. 工程塑料应用， 1991， 2：51.

[2] 王有槐. 聚酰胺工程塑料的发展[J]. 工程塑料应用， 1993， 2：52.

碳纤维复合材料篇3

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，被誉为黑色黄金。它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。碳纤维不仅自重轻、强度高、性能稳定，同时它易于产品设计，通过对纤维排列不同取向可以满足不同的需求，是结构类应用首选材料。环氧树脂形式多样，应用方便，固化后尺寸稳定，收缩性低，具有优良的力学性能，耐酸碱。两者结合后称为碳纤维-环氧树脂基复合材料，也就是碳素复合材料，成为当今新一代的材料之王，是各类运动器材的首选材料。

减重

自行车的功能从交通工具进入到骑行运动、休闲健身后，碳素复合材料作为首选材料完全能满足骑行运动、休闲健身所需求的自重更轻，强度更高，骑行感觉更佳的诉求。实践证明，以碳纤维复合材料替代钢或铝金属材料，减重效率可达20%～30%，应用在自行车上，自重减轻30%，相当于增加有效骑行力45%以上。据专业测算，对一辆结构相同的自行车，若重量相差四磅（约合1.8公斤），同一运动员在两公里的行程中，重的那辆要慢193英尺（约58.82米）。难怪业界人士常有自行车重量降低一克，卖价可提高一美元的说法。

高强

除了为自行车减重，碳纤维复合材料也大大提高了车身的整体刚度，增加安全性。碳纤维复合材料中基体是以连续相形式包围着大量独立存在的纤维，这种由多相组成的材料在受到冲撞时，即使有少量的纤维断裂，其载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使结构还能承载原有的重量，大大提高了骑乘的安全性。而一般金属材料的疲劳破坏是没有明显征兆的突发性破坏。研究表明，碳纤维复合材料车架耐冲撞试验可达百万次以上，远远超过了日本工业标准规定的十万次标准。

减震

碳素材料的优势还不止于此。碳素复合材料的应用还显著改进了自行车的抗震性。刚度好的车架有利于驱动力的转换，操纵性能的提高。碳纤维复合材料自行车结构坚固，不易变形，而且减震效果突出。据报道，对形状与尺寸相同的车架进行试验表明，铝合金车架需要9秒才能停止振动，而碳纤维复合材料车架只需2.5秒就可停止，复合材料良好的阻尼性减轻了自行车的颠簸。不仅如此，和金属相比，碳纤维制成的自行车还具有良好的耐锈蚀性。高分子材料的耐酸碱、工业大气下性能良好，因此使用碳纤维树脂基复合材料制成的自行车零部件有无可置疑的耐环境性能。

碳素纤维复合材料在自行车中的应用

碳素复合材料主要应用在车架及结构性部件上。车架是自行车的灵魂，一辆综合性能卓越的自行车，必然有一个高性能的车架。碳素复合材料车架具有材料本身减重效应明显，重量超轻，应用后将碳素复合材料的高模量、高强度发挥得淋漓尽致，能吸收地面的冲击力，踩踏的反拨力快，几乎没有疲劳性等特点，是理想的自行车车架素材，成为运动竞技自行车的最佳材料选项。虽然具有优异的性能，但是复合材料自行车的设计和制造也远比一般金属材料自行车要更为复杂。

碳纤车架，主要技术点在于应力方面的结构设计。结构工程师综合模拟并测试车架各方向的受力情况后，科学地进行碳素复合材料的叠层的排列与设计，并结合车架管形的设计，传动模拟，试验验证后最终能获取科学数据，制造出高性能的车架。

在制作工艺上，需要首先将碳纤维与环氧树脂结合后形成碳素复合材料的预浸材料。材料经裁剪、卷制、热固化成型等工艺制成毛胚，再经打磨、抛光工艺才能最后制成成品车架。碳纤车架需求的多样化与市场化，使得车架成型技术也经历着不断的优化创新，部件分体成型法、一体成型法、气袋内压成型法、硅胶内蕊成型法、真空外压成型法、混合工艺成型法等都是较有代表性的制造工艺。

1974年，美国Apex Proto公司制造了一只薄壁不锈钢接头粘合的碳纤维复合材料自行车车架，1976年Exxon公司制造了石墨纤维和铝复合的Graftek G-1车架。但由于研究、开发和销售这些复合材料的车架费用巨大，无利可图，最终只能停产。1980年，法国TVT工厂第一次出售了复合材料自行车车架。1986年CCI公司设计的复合材料车架Kestre14000由于设计独特、造型新颖在业内产生了轰动。1987年，美国Treak公司推出Trek2500型复合材料车架获得了市场成功。此后，Peugeot、Vi、R-aleigh等美国公司也积极开始了复合材料自行车的设计制造。日本、台湾也都建立起了复合材料自行车生产线，达到年产五万辆以上的规模。

近年来，日本、美国、西欧及中国台湾利用对飞机部件的设计制造方法，分析了车架的应力承受情况，对受力较大的部位予以增强，更符合空气动力学要求。用内部加压注塑的方法制成的整体式碳纤维车架，整个自行车的重量可控制在7.5公斤左右，较管状粘接的车架轻20%，而刚性与铬钼车架相当，可以避免粘接问题，摆脱了传统的菱形车架模式，制造更趋于流线型、多样化。通过在树脂中添加适量染料，还可使产品表面更加艳丽。

除了车架，车轮是复合材料在自行车产品应用中的又一项成功。日本新日铁公司开发的自行车后轮，设计为采用乙烯树脂片材中加入芳酰胺纤维结构的碟轮。还有杜邦公司的三辐轮复合材料车轮，辐条也是用复合材料制作。辐条的外形采用前缘钝，后缘薄，使车轮在运动时产生最大的空气动力效果。轮缘部位设计为翼型，使轮缘作为前缘和后缘时都具有空气动力的效果。这样设计制造的复合材料空气动力车轮不仅重量更轻，在速度、强度、刚性等测试中均较钢丝车轮有更佳的表现。设计人员在设计中队骑行者遇到的空气阻力进行分析比较，在保持载荷的同时可以将比赛速度提高1-2km/h。

随着自行车竞技运动的发展以及绿色骑游文化的普及，碳素复合材料在竞技自行车领域、高档通行自行车领域应用呈现普及化，也带动了技术、工艺、质量等方面的全面提升。碳素复合纤维轮胎、碳素复合纤维车把、碳素复合纤维轮毂、碳素复合纤维前叉、碳素复合纤维避震器，复合材料等组件可谓比比皆是。根据不同部件使用要求和特点开发的新型复合材料也呈爆炸式发展。相应的，复合材料的蓬勃发展也加快了自行车产品的技术革新，新材料制作的新产品如雨后春笋应运而生。德国Karbon Kinetic-sLtd.公司推出的复合材料自行车就是基于全球著名的工程热塑性材料供应商沙伯基础创新公司出品的LNP VertonRV00CE特种复合材料设计制造。该材料不仅被应用于自行车领域，在雪鞋等要求坚固耐用、质轻减震的运动用品中均有上佳表现。

市场前景

碳纤维材料在发明之初主要应用在以航空航天为首的国防军工领域中，作为重要的国防战略物资属于技术密集型和政治敏感的关键材料。碳纤维不仅价格昂贵且技术保密，成为民用普及的瓶颈。目前世界碳纤维产量达到4万吨／年以上，全世界主要是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司，美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德国SGL西格里集团、韩国泰光产业和台湾省的台塑集团等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术，并且有规模化大生产。各大碳纤维生产公司在冷战后除了扩大产能、研发新产品外，也都致力于降低碳纤维价格。据美国岩石山研究所对碳纤维作出的研究分析，只有当碳纤维价格降至每千克16.5美元以下才与钢材相比具有竞争力。而目前日本东丽公司的T700价格较钢材贵一倍还多。

竞技体育更关注性能，是高新技术民用化的前哨战和试验场。目前所有的比赛用车，无论是山地车或是室内自行车都几乎是碳素材料的天下，今年亮相的环法自行车赛比赛用车也都是清一色的碳素材料产品。但国外生产研制厂家在普及碳纤维自行车应用的同时，为增强企业的高科技形象，大多都是以发展碳纤维自行车的高档化与新颖性方面为重点，很少考虑成本。以美国德耳塔运动公司2010年最新推出的碳纤维网格结构自行车为例。该车架充分利用了网格结构重量效率高、抗压及抗弯曲性能好、耐损伤程度高大、易检测与修补等优点。采用该结构制造出的轻便自行车只有2.5公斤，即使是180公斤的重量级男子坐在上面，自行车也可以轻松自如地前进。如果将车架用于折叠自行车，人们就可以轻松地拎着它上公交、挤地铁了。产品结构新颖，应该很受消费者青睐。但该车的车架成本高达6995美元，整车则要11995美元，可以说自行车卖出了汽车价，根本不能进行批量生产。

尽管如此，碳纤维自行车市场随着其影响力的不断扩大仍有显著增长。2000年以前，碳纤维自行车的年产量只有几万台，基本上都是供专业或半专业人士使用。而到2010年，仅台湾与中国大陆地区就生产了约三十万台。可以说在这十年里，碳纤维自行车市场经历了爆炸性的增长。而碳纤维自行车的价格也从神话般高价位走到一般大众生活中。早期一辆碳纤维自行车售价数十万元，现在随着工艺成熟，材料市场进一步扩大，生产制造商不断创新，降低成本，目前市场也已经出现了不足万元的碳纤维自行车，让大众群体也可以享受到实惠。只有让更多的消费者接受体会碳纤维自行车的好处，才能更快地推动碳纤维等新型材料在自行车上的应用。

全世界每年生产的自行车总量超过一亿辆，而碳纤维自行车只有七十万辆左右。性能如此优越的材料在自行车的生产总量中只占很低的比例。业内人士指出，随着工艺和成本的优化，碳纤维自行车已经能够逐步走进寻常百姓家，让更多人享受绿色健康的骑行乐趣。

碳素复合材料的优势

质轻坚固

可定向优化性能

可塑性强

为产品创新设计留有更大空间

碳素复合材料的弊端

价格较钢铁昂贵

制造工艺较复杂

接合、维护难度大

碳纤维复合材料篇4

【关键词】 碳纤维 复合材料低温力学性能

1 碳纤维复合材料超低温环境力学性能研究背景

如何降低空间飞行器在发射时的成本，使空间飞行器的发射效率提高，一直以来都是各国进行研究的关键领域之一。20世纪90年代中期，美国国家航空航天局（NASA）开始了对亚轨道可重复使用飞行器（RLV）的研发试验。

针对这一新形势，我国在“十五”计划初期，即开展了可重复使用飞行器技术的跟踪、探索和研究。为了避免在全球竞争中出现装备跨代落后的不利局面，而加大了对可重复使用飞行器的研发力度。

由液氢（-253℃）、液氧（-183℃）、液氮（-196℃）、液氦（-269℃）及其蒸发气体共同组成了主要的超低温流体介质。其中，液态氢和液态氧是液体火箭发动机发射过程中，一种具备比推力大的燃料，并且不产生污染物质；液He是作为空间装置、超导装置中广泛应用的低温密封介质；液态氮具有惰性特质、价格低廉并且介于液氢和液氧之间的热力学特点，常应用于低温试验和作为预冷介质[2]。

在以液态燃料作为飞行器动力系统燃料供应的设计中，液氧（LO2）燃贮箱及工作系统使用温度为-183℃，液氢燃料贮箱及工作系统使用温度为-253℃，液氢燃料贮箱及供给管系统和液氧燃贮箱及供给管系统工作于低温环境。当飞行器返回时，可重复使用运载器贮箱及供给管要承受170℃的高温考验，燃料贮箱工作温度范围很大，因此在设计时必须综合考虑在此温度范围内应用复合材料贮箱的可靠性[3]。

上世纪80至90年代，研发复合材料液氢贮箱的课题在美国国家航天飞机（NASP）计划以及DCX计划都涉及，并取得了一些成就。X-33计划则直接计划使用复合材料液氢贮箱，但由于在实验中，热应力引起微裂纹导致液氢渗漏以及其他技术方面问题，最终决定用铝制贮箱将出问题的复合材料贮箱代替下来。相比其国外研究机构对飞行器贮箱材料方面的尝试，国内对超低温用树脂基增强复合材料的研究还处于起步阶段，出于保险考虑，贮箱一直采用金属材料，在超低温复合材料方面技术性的突破成为国内研究的重点课题。

2 国内外对碳纤维复合材料超低温力学性能的研究现状

目前，在工程中有着非常广泛应用的树脂基复合材料主要包括：连续纤维增强环氧、双马和聚酰亚胺复合材料。他们具有较高的比强度和比模量，能够有效的抗疲劳、耐腐蚀，并且可设计性较强，便于大面积整体成型，并且，他们还具有特殊电磁性能等特点。先进树脂基复合材料已经成为继铝合金、钛合金和钢之后的最重要航空结构材料之一。

先进树脂基复合材料在飞行器材料应用上表现出色，目前已经在部分机型上实现减重效益，这是使用其它材料所不能比拟的。因此，先进树脂基复合材料的用量比例已经成为航空结构先进性的重要标志之一。

2.1 超低温复合材料用基体

据了解，应用在超低温环境下的树脂基体主要有：

（1）热固性树脂包括：环氧树脂，氰酸酯树脂，聚酰亚胺等；

（2）热塑性树脂包括：聚醚酰亚胺，聚醚醚酮，聚四氟乙烯，聚醚砜，聚苯硫醚，聚砜，液晶聚合物等。

配方的设计对于树脂基体制备非常重要。对于环氧树脂材料，经常会碰到脆性过高、容易开裂的问题。解决这一问题行之有效的方法是使环氧树脂柔性化，或是使整个配方体系柔性化。而这也是我们在该试验中在选取材料方面提前做好的准备。经过柔化的环氧树脂脆性降低，不易开裂，在工程应用中表现更加出色。

可重复加工的特点是高性能热塑性树脂具备的特点之一，在低温复合材料中的具有很大的潜在应用价值。比如说，碳纤维增强聚醚醚酮复合材料力学性能，虽然在超低温破坏强度方面表现良好，但由于成型困难以及巨大的加工成本，限制了热塑性基体在低温领域下的应用。

在本次试验中所应用到的便是改性后的环氧树脂，改性后使其在常温和低温下均具备稳定的力学性能。

2.2 超低温复合材料用增强材料

纤维增强复合材料是由增强纤维，如玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维等材料与基体经过模压、缠绕或拉挤等工艺而形成的复合材料。

在一些低温工程中，由于纤维增强复合材料具有如下特点：

（1）比模量大，比强度高；（2）材料具有可设计性；（3）抗腐蚀性和耐久性能良好；（4）热膨胀系数与混凝土材料形似。根据他们特性及制备加工工艺方面的综合考虑，应用最广泛的增强纤维是碳纤维和玻璃纤维。

对于玻璃纤维，研究表明，低温下纤维的拉伸强度和拉伸模量均有不同程度的增加，玻璃纤维Weibull分布尺度参数有很大的提升。玻璃纤维，E-glass从室温到4K，它的杨氏模量提高15%，S-g lass从295K到4K其杨氏模量提高10%。

碳纤维增强树脂基复合材料，由于它在航空航天军事等领域应用较多，因而也成为科研工作者研究的热点。试验发现，将模高强碳纤维作为超低温复合材料的增强材料，强度和模量与室温时相比变化很小，是比较理想的超低温增强材料。

2.3 树脂基复合材料制造工艺

依据不同类型的复合材料、不同形状的构件以及对构件质量和性能的不同要求，先进树脂基复合材料可采用不同的成型工艺。目前航空航天领域先进树脂基复合材料主要成型工艺包括：热压罐成型工艺、RTM成形工艺、缠绕成型工艺、拉挤成型工艺、热压成型工艺、自动铺放工艺等。

通过对上世纪六十年代至九十年代不同组织及个人对各类常用纤维复合材料常、低温力学性能测试的结果做出总结与比较。R.P.Reed、M.Golda、J.B.Schutz等人发现：低温状态下，芳族聚酰胺纤维复合材料的低温拉伸强度与常温时比较变化较小，而其他各类纤维复合材料的低温拉伸强度均比常温状态时有所提高。

参考文献：

[1]王嵘，郝春功，杨娇萍，张雄军，付绍云，王继辉.超低温复合材料的研究进展.化工新型材料，2007.

碳纤维复合材料篇5

关键词：接头 力学性能 金属连接 碳纤维复合材料

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（a）-0080-01

碳纤维复合材料，是指将石墨纤维或碳纤维作为增强相，将化学沉积碳或石墨化、碳化硅的树脂作为基体的一种复合性材料。此类材料具有温度升高慢、散热快、线膨胀系数低、抗烧蚀、尺寸稳定、抗腐蚀、质量轻、耐高温等优点，所以在机械制造、航空工业、核工业等领域中得到了广泛应用。碳纤维复合材料是一种非金属材料，要对其进行钎焊，难度较大，通常会采用沉积、烧结、镀敷等方法，将金属粉末处理在碳纤维复合材料的表面，再行常规钎焊。另外，也可以采用活性金属法进行钎焊。由于碳纤维复合材料的工艺复杂、制备周期长，应用范围局限性较大，其与金属连接工艺也基本上只在一些科研单位中有应用，所以关于碳纤维复合材料与金属连接的文献报道较少。该文将对碳纤维复合材料与几种常见金属的连接方法及接头力学性能测试进行研究。

1 碳纤维复合材料与金属的连接

1.1 与铜的连接

碳纤维复合材料（CFRP）在与铜连接后，其结构的导热性能良好，同时结构质量比铜更轻，另外，由于铜与CFRP的导热系数较为接近，所以在使用及钎焊时不易产生较大热应力。铜与CFRP的连接主要采用钎焊方式，最早的钎料选用Cu-Pb（质量分数为50%），在钎焊冷却后即可使铜、复合材料、钎料形成连接界面，但该连接界面的强度较低。随着工业技术的不断发展，发现过渡元素Zr、Ti等的化学活性较强，在液态条件下可与C发生反应，所以在传统钎料中添加一定量的活性元素，就可使复合材料表面变湿润，从而降低与金属连接的难度。该方法通常在高纯度惰性气体或真空炉环境下实施，一般钎焊连接可一次性完成。

Ag-Cu-Ti是常用的活性钎料，钎焊通常在真空条件下进行，T值取820 ℃，通过钎焊所获得的接头强度较高，但其在核辐射环境中，Ag可发生化学反应，变为Cd，降低接头强度，所以此类接头无法在核聚变装置中使用。钎料选用Ti，进行复合材料与铜的连接，在真空下进行共晶扩散，焊接参数t为300 s，T为1000 ℃，并对试样施加一定压力，所获得的接头则可有效避免上述问题。同时，若能使用Cu-Ti膏对复合材料表面进行预涂，所获得的接头强度最高。

1.2 与铝合金的连接

与铝合金相比，铜基、银基等活性钎料的熔点更高，所以高温钎焊法不适用于铝合金与CFRP的连接。据国外文献报道，对7075-T62铝合金和CFRP分别使用螺栓连接、胶结、螺栓+胶结3种方法进行连接，结果显示：选用FM73粘结剂时，粘结剂强度会在很大程度上决定接头强度；选用EA9394S粘结剂时，起决定性作用的是螺栓接头强度。一般情况下，在胶结强度低于螺栓连接强度时，混合连接的强度将比螺栓连接强度更大；若胶结强度高于螺栓连接强度，则混合连接强度将比螺栓连接强度更小。

在将2024-T3铝合金与CFRP做双缺口对接时，在高温条件下使用环氧树脂进行粘结，然后固化24 h（室温），分别在250 ℃、室温条件下对此接头做双面剪切试验，发现室温条件下，接头的抗剪切强度为20 MPa，断裂发生在复合材料上；250 ℃条件下，抗剪切强度仅为3.5 MPa，断裂发生在接头部位。热循环试验显示，热应力使接口抗剪切强度大为降低，在试验中甚至会出现接头自然断开。

2 接头力学性能测试

一般来说金属与CFRP的接头所处的工作条件都较为恶劣，人们出于安全性、可靠性考虑，会在应用前，对接头做必要的力学性能测试。

2.1 冲击热应力

在工作环境中，金属与CFRP的连接结构可能发生急剧冷却或加热，此时结构内部的温差较大，产生极强的冲击热应力。通过衡量接头的热冲击断裂强度（）和抗热冲击性（Δ），可模型化加热区域。断裂强度及抗热冲击性计算遵循热传导公式：

Δ=

=

上式中，KIC：断裂韧性值；α：热膨胀系数；E：杨氏模量；k：热导率；σt：抗拉强度；S*：无量纲热应力；β：电弧放电热有效应因子；FIe：试样顶部裂缝释放应力的影响因子（无量纲数）；c：试样边缘裂缝长度；a：试样加热区域半径；h：试样厚度；R：试样半径。电弧放电时间设定为0.7 s。

2.2 抗拉强度

结构力学性能的一个重要参数就是抗拉强度，其是指拉断材料前的最大应力值。若母片都为薄片，可将CFRP两面与金属基板搭接，载荷与接头截面相垂直。复合材料基本与金属管连接时，将1根钢板贯穿金属管，钢棒与金属管紧密抵触，与荷载传感器相连接，施加荷载的十字滑块速度为1 mm/min。

2.3 热循环

对接头进行热循环试验的目的，是为了评价其抗热疲劳性能。比如对2021-T3铝合金与CFRP胶结接头进行热循环试验后，结果显示温度范围在50～250 ℃，热循环共包括以下几个阶段：50 ℃维持30 s；在120 s后升温至250 ℃；250 ℃维持60 s；在120 s后降温至50 ℃；50 ℃维持30 s。

试验标准中对试样尺寸、形状的规定，知识针对某类试验的要求，关于接头的力学性能测试方法，应根据材料使用要求来选择。比如套管对接结构中，为使接头满足工程需要，还应对其做液压强度、气密强度等性能测试。

参考文献

[1] 章莹.连接形状对碳纤维传动轴扭转性能的影响[D].武汉理工大学，2013.

[2] 洪宝剑.碳纤维复合材料传动轴的设计研究[D].武汉理工大学，2012.

[3] 田英超，曲文卿，张智勇，等.碳纤维复合材料与金属的钎焊试验研究[J].航空制造技术，2011（9）：82-84.

碳纤维复合材料篇6

2011年4月21日03：30，国王杯决赛在圣马梅斯球场如期举行，皇家马德里队VS马德里竞技队。这既是球艺的竞赛，也是一场利益的角逐，5000万欧元的奖金，让所有教练和球员疯狂。就在皇马队球星C罗射门之时，对方队员的黑脚踢中了C罗的右腿肚。C罗当即倒地，裁判哨响，马竞犯规。

很多人担心C罗的腿，不断也是粉碎性骨折，因为足球运动员一踢少说也得上千牛顿的力!正在看球赛的保险公司总裁也大吃一惊：1亿欧元的双腿赔偿金没了!双方领队也惊呆了，他们正要交涉，没有想到C罗却奇迹般地站了起来，又生龙活虎地驰骋在绿茵场上。

比赛继续进行，C罗又以一脚漂亮的必杀定乾坤，皇马以完胜夺得了国王杯。

难道世界级球星的腿是铁打的?赛后的新闻会上，皇马教练道出了其中的秘密。原来C罗的双腿戴有碳纤维护腿，每一只质量只有80克，有两层泡沫层。这种最新的T1000碳纤维做的护具，1平方厘米能抗几百牛顿的压力，可以确保球星两腿的安全。

碳是自然界最稳定的化学元素，将碳和合成纤维科学配比，经碳化或石墨化处理后，得到既有碳的硬度又有纤维的柔韧的材料，就是碳纤维。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷等复合，可以制成新型的复合材料，使制造业产品的质量和性能大提高。碳纤维有出色的耐热性，能经受2 000。C以上的高温而不变形和熔化，成为火箭、航天器的理想材料。化学反应釜用不锈钢，寿命不过几年，用碳纤维复合材料做，十年也不用更换。

碳纤维制造业大显身手

1970年我国开始的“两弹一星”工程，碳纤维是决定成功的重要材料。随着技术的进步，碳纤维材料不断升级换代，从开始的T300到现在的T700，现在日本的厂商已开发出T1000新产品。T字后面的数字越大，材料的拉伸强度和抗压强度越大，性能也越优异。

除航天外，飞机制造厂是碳纤维材料的大用户。空中客车380，每一架要用占总重25％的碳纤维复合材料。如果机体重以280吨计，就要用碳纤维复合材料70吨。我国的大飞机项目，每一架飞机要用3吨高性能的碳纤维复合材料，如果生产1000架飞机，需要的碳纤维复合材料是一个很大的数目。

风电是我国新能源发展的重头戏，在“十二五”期间，我国的风力发电将有大的发展。风电机的叶片和机壳都得用碳纤维复合材料制造。它可以大大减轻风机的自重，提高运转的性能。一部2兆瓦的风电机，3只叶片要用的碳纤维复合材料近5吨。

在消防领域，灭火器的外壳早已不用钢材，改用T700碳纤维，因为它又耐压又不怕火，就连消防战士穿的防护服，也离不开碳纤维。高压输电线路要增强抗风和抗冰雪能力，确保电路安全，缆芯最好还是使用碳纤维。在2008年春我国南方的冻雨灾害中，输电线路在积冰的重压下，塔倒杆断，电缆绷解，城市村庄在寒夜中一片漆黑。但无锡宜兴远东电缆厂生产的电缆，却挺住了冰雪。原来，远东电缆是用日本进口的T700碳纤维制成的碳芯，它比钢还硬，比蛛丝还韧。

航天员穿的宇航服、降落伞、防弹背心、绳索，到你用的拉杆书包，哪一样也离不开碳纤维复合材料。运动器材用碳纤维复合材料，不但安全，还能提高运动成绩。撑杆跳高用木杆时奥运会成绩是3米，用玻璃钢杆时跳过5米，在2008年北京奥运会上，澳大利亚选手史蒂夫·胡克用碳纤维杆跳过5.96米，打破了奥运会纪录。

碳纤维节能低碳又环保

节能环保是碳纤维材料的又一大优点。碳纤维复合材料抗疲劳性，是其他材料无法相比的。不容易损坏，使用的周期长，大大节省了资源和资金。如果一只不锈钢发酵罐的使用年限是5年，改用碳纤维复合材料，可达10年以上，就等于节省了一半的物资和资金，减少了50％的二氧化碳排放。

碳纤维复合材料篇7

关键词：碳纤维 加固技术 工程建筑

1 碳纤维加固结构构件技术原理

在对混凝土构件进行加固的过程中，主要应用的碳素纤维加固技术，在运用该技术进行结构加固的过程中，主要就是将能够增加强度的纤维复合材料粘贴在混凝土的结构的表层，并且还要使得这两者紧密结合起来，这样才能够使得工程结构构件的强度得到有效的提高。碳纤维材料由于自身的特性，拥有着高强度、高弹性、抗腐蚀等特点，这些优势都促使了碳素纤维的强度超过了普通钢材性能的10倍，并且其弹性的数值是普通钢材的2倍左右，再加上碳素纤维能够较长时间的保持其施工的性能，使得其成为了对建筑工程加固修复的优良替代品。与碳素纤维共同应用在加固工作中的树脂通常都是由底层树脂、粘接树脂以及找平树脂这三种树脂相结合所组成的粘合物。

找平树脂与底层树脂自身都有着极强的粘结功能，能够很好的把碳素纤维与需要加固的结构粘合起来，而粘结数值的主要功能就是将碳素纤维以及需要粘结在一起的建筑结构组合成为一个整体，在受力的过程中一起承受荷载，在一定限度上有限的提高建筑物的抗弯、抗剪以及抗承载力量，最终达到加固建筑构件的目的。因此，碳素千万材料是建筑工程在进行加固的过程中是最为重要的建筑材料。

2 碳纤维材料的基本特性

为了实现碳纤维加固可以选择碳纤维片材加固的复合材料，这是连续碳纤维材料强度的主要材料是更好的，弹性是比较高的，碳纤维材料是一种单向排列成束，碳纤维板，然后用环氧树脂浸渍固化加固

2.1碳纤维片材。根据材料力学性能的一片碳纤维材料的弹性模量是不一样的，根据碳纤维片材的机械性能主要是由高模量，高强度和中等模量。高模量碳纤维布的特点是，虽然其断裂伸长率低，但弹性模量高。

通过比较，碳纤维布单位重量和不可比的钢，碳纤维片很薄，因为。碳纤维的化学结构，使纤维可用于任何酸盐及各种化学介质环境，不怕腐蚀，并能抵御低温或高温无热胀冷缩。

2.2树脂粘结材料。钢筋混凝土结构的修复材料的使用：底漆，腻子，浸渍树脂或粘结树脂。这些功能都是不相同的：该涂料主要应用于混凝土表面，是促进粘附和最后一个长时间保持界面稳定性的关键因素；腻子主要用于填充表面的每个部分，表面填充整个表面上的差距，使表面更光滑的表面，所以它可以更好地发挥碳纤维布；浸渍树脂用于粘贴碳纤维布；粘结树脂的作用是粘贴碳纤维板。后者主要是粘贴碳纤维布在混凝土结构的不同部位，分散的组件组合成一个更完整的一个，这是对树脂结合剂材料形成的整体工作的关键。

公路混凝土桥梁加固技术的环氧树脂，起着关键的作用，在不同的环境下，随着对固化性能的温度变化也受到影响，所以说，粘贴的工作质量，最大限度缩短许多传统的交通中断时间密切相关。环氧树脂材料的特殊选择，如果混凝土结构表面的温度（10 ～ 40）摄氏度，环氧树脂粘贴以上约15小时的固化时间，但浆料可在45分钟以上的时间后，与特殊的环氧树脂材料的性能是混凝土桥梁的加固。

3 使用碳纤维的优点

碳纤维布应耐腐蚀，灵活，耐用等优点，广泛应用于建筑加固。碳纤维布可以抵抗酸，碱，盐对结构的腐蚀，具有良好的耐腐蚀性。与碳纤维材料本身的灵活性，可适用于各种形状和类型的结构，不改变结构和形状，即使增强结构不光滑的碳纤维材料也可以完全覆盖粘贴（验收标准为普通钢板只要70%），确保有效的粘附率，因此具有适用性广，加固修复适用于各种结构类型，各种结构，如梁，板，柱，屋顶，桥墩，桥，壳，壳结构，可以要求不低于C15混凝土强度等级；此外，碳纤维还可以增强砖砌体的某些力学性能。除了碳纤维材料的上述优点，又轻又薄，加强和修理不增加原有构件的质量和尺寸。

4 碳纤维材料在结构加固方面的运用

4.1 碳纤维材料加固适用范围。适用于各种形状、任何部位的结构、砖砌体的加固修补。

4.2 碳纤维片材加固修复混凝土结构规范。采用碳纤维片材加固混凝土时，将构件与碳纤维片材无缝粘贴，这是碳纤维片材与混凝土融合整一个整体，共同承受应力。

4.3 碳纤维片材可采用下列方式对混凝土结构构件进行加固。当采用碳纤维片材对梁、板构件的受拉区进行受弯加固时，纤维方向应与加固处的受拉方向一致；当对梁、柱构件进行受剪加固时，可采用封闭式U形粘贴或侧面粘贴，这时纤维方向宜与构件轴向垂直；对建筑物柱体的的抗震加固可采用全封闭式粘贴，此时纤维方向宜与柱轴向垂直；当有充足证据时，碳纤维片材也可根据受力状况对混凝土结构进行加固；当碳纤维片材对混凝土结构进行粘贴加固时，应根据国家标准，运用以概率论为理论基础的极限状态设计法，分别计算出混凝土结构的极限承载能力和正常承载能力。同时一方面钢筋混凝土结构应根据国家标准，确定其相应材料的设计指标，然后再通过检测其实际强度能否达到相关要求。

5 碳纤维材料的加固施工工艺流程

施工工艺流程：卸荷基底处理涂底胶找平粘贴保护。

5.1 卸荷。所谓卸荷就是卸掉与加固无管的构件，以保证其他构件尽可能不受影响。

5.2 基底处理。

①混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除，对较大面积的劣质层在凿除后还应用环氧砂浆进行修复。

②对裂缝部位进行全封闭处理。

③用混凝土角磨机、砂纸除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构件基本面要平整对表面凸起的部位要磨平，转角处要进行倒角处理打磨成圆弧状（R≥20mm）。

④混凝土表面应干净干燥，对不满足要求的部位可用吹风机吹扫。

5.3 涂底胶（FP胶）。

①将主剂与固化剂先后置于容器中，按主剂∶固化剂=2∶1的比例，用弹簧秤精确计量，电动搅拌器均匀搅拌，根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间。一般情况下1h内用完。

②用滚筒刷将底胶均匀涂刷于混凝土表面，待胶固化后（固化时间视现场气温而定，以指触干燥为准）再进行下一工序施工。一般固化时间为2～3d。

6 结语：

由于碳纤维加工技术，碳纤维广泛的工程应用前景。目前，中国碳纤维的需求不断上升，各种应用率账户，广泛应用在不久的将来将迎来的碳纤维材料的时代。项目中的碳纤维的应用也将进一步代替钢，造福人类。

参考文献

[1]王永刚.碳纤维加固桥梁新技术[J].交通世界（建养.机械）. 2010（11）.

碳纤维复合材料篇8

关键词：碳纤维；碳纤维导电混凝土；表面处理

1 引言

碳纤维在混凝土中的分散状态是碳纤维混凝土制备和应用过程中的关键问题，对其导电性能、电一力和力一电等效应具有重要的影响。国内外学者对碳纤维的分散开展了大量研究工作，美国纽约州立大学布法罗分校的D.D.L.Chung最早采用甲基纤维素（MC）作为分散剂对纤维分散进行改善。此外，她还提出对碳纤维进行表面改性的两种方法：一种是将碳纤维浸泡在强氧化剂溶液中或在臭氧中处理[1]，在其表面形成具有亲水性的含氧官能团；另一种方法是将碳纤维浸泡在硅烷偶联剂溶液中，在纤维表面形成硅烷涂层而提高亲水性。孙辉、孙明清等发现在水泥浆体中掺加羧甲基纤维素钠（CMC）和硅灰能显著改善碳纤维的分散性。王闯等[2]使用甲基纤维素（MC）、羧甲基纤维素钠（CMC）、羟乙基纤维素（HEC）3种常用分散剂后发现分散剂对短碳纤维的分散效果为HEC>CMC>MC。

2 常用表面处理方法

2.1 阳极氧化法

阳极氧化法，又称为电化学氧化表面处理，是以碳纤维作为电解池的阳极，石墨作为阴极，在电解水的过程中利用阳极生产的“氧”，氧化碳纤维表面的碳及其含氧官能团，将其先氧化成羟基，之后逐步氧化成酮基、羧基和二氧化碳的过程。

阳极氧化法对碳纤维的处理效果不仅与电解质的种类密切相关，并且增加电流密度与延长氧化时间是等效的。该表面处理方法可以通过改变反应温度、电解质浓度、处理时间和电流密度等条件进行控制。

通过此方法处理后，使碳纤维表面引入各种功能基团而改善纤维的浸润和黏接等特性，显著增加碳纤维增强复合材料的力学性能。庄毅等[3]采用碳酸氢铵为电解质，对PAN基碳纤维进行阳极氧化处理后，测试发现复合材料的层间剪切断裂转变为张力断裂，使其ILSS提高了49%。

阳极氧化法的特点是氧化反应缓和，易于控制，处理效果显著，可对氧化程度进行精确

控制，目前已得到广泛应用，是目前最具有实用价值的方法之一。 但是处理后残留电解质的洗净和干燥十分繁琐，需要连续的电化学处理设备，对处理后的碳纤维进行充分的水洗、烘干，会增加处理成本。

2.2 液相氧化法

液相氧化法是采用液相介质对碳纤维表面进行氧化的方法。常用的液相介质有浓硝酸、混合酸和强氧化剂等，其中硝酸是液相氧化中研究较多的。杜慧玲等[4]用65%的浓硝酸在煮沸8h情况下，处理PAN基碳纤维，制得的C/PAL复合材料的弯曲强度提高12.9%，横向剪切强度提高63.4%，平面剪切强度提高15.6%，并通过X-射线电子能谱分析，发现复合材料界面黏结性能得到改善的根本原因是在界面区域发生了酯化反应。

液相氧化法相对较为温和，一般不使纤维产生过多的起坑和裂解。但是其处理时间较长，与碳纤维生产线匹配难，多用于间歇表面处理。

2.3 气相氧化法

气相氧化法是将碳纤维暴露在氧化性气体（如空气、氧气和臭氧等）中，在一定温度和催化剂等特殊条件下使其表面氧化成如羟基和羧基等一些活性基团。氧化处理后，碳纤维表面积增大，官能团增多，可以提高复合材料界面的黏接强度和材料的力学性能。

冀克俭等[5]采用臭氧氧化法对碳纤维进行了表面处理，发现碳纤维表面羟基或醚基官能团的含量提高，其与环氧树脂制成复合材料后的ILSS提高35%。王玉果等[6]对碳纤维在400℃空气氧化处理1 h和450℃处理1 h后制成三维编织碳纤维/环氧复合材料，研究发现其力学性能（冲击强度除外）随处理温度的升高而增加。近年来，利用惰性气体氧化法进行表面处理，也得到了研究人员的关注。

此方法的优点是可以方便在线配套使用。但是氧化的均匀性有待商榷，氧化条件稍有改变就会造成氧化过度，从而对碳纤维的强度造成极大的损伤。

2.4 等离子体氧化法

等离子体是具有足够数量，而且电荷数近似相等的正负带电粒子的物质聚集态。用等离子体氧化法对纤维表面进行改性处理，通常指利用非聚合性气体（可以是活性气体，也可是惰性气体）对材料表面进行物理和化学作用的过程。

等离子体表面处理时，电场中产生的大量等离子体及其高能的自由电子撞击碳纤维表面晶角、晶边等缺陷处，促使纤维表层产生活性基团，在空气中氧化后生产羰基、羧基等基团。

华东理工大学贾玲等[7]将碳纤维预浸芳基乙炔进行空气等离子处理，使芳基乙炔接枝在碳纤维上，结果表明：经过等离子处理后的碳纤维/芳基乙炔复合材料的ILSS最大可提高12.4MPa，而碳布接枝了丙烯酸单体以后，ILSS最大提高到51.27MPa。

此表面处理方法可在低温下进行，避免高温对纤维的损伤；处理时间短，经改性的表面厚度薄，可做到使材料表面性质发生较大的变化，而本体的性质基本保持不变。且经等离子体处理的纤维干燥、干净，免去了后续处理工艺。但是等离子体的生产需要一定的真空环境，设备复杂，因此，给连续、稳定和长时间处理带来一定的困难。

2.5 表面涂层改性法

将某种聚合物涂覆在碳纤维表面，改变复合材料界面层的结构与性能，使界面极性等相适应以提高界面黏结强度，并提供一个可塑界面层，以消除界面内应力。用热塑性PPQ作为涂覆剂，涂层处理碳纤维表面增强环氧树脂，使CFRP的层间剪切强度由64.4MPa提高到78.9MPa。

2.6 气液双效氧化法

气液双效氧化法是指先用液相涂层，后用气相氧化，使碳纤维的自身抗拉强度及其复合材料的层间剪切强度均得到提高。贺福等[8]用此方法对碳纤维表面进行了处理，羰基的质量分数由13.6%提高到16.0%，层间剪切强度由70.0MPa提高到96.6MPa，拉伸强度的提高幅度为6%～19%。

该方法兼具液相补强和气相氧化的作用，是新一代的碳纤维表面处理方法。但存在于气相氧化法相同的缺点，即反应激烈，反应条件难以控制。

3 结语

碳纤维的各种表面处理方法各有特点，有一部分方法还只停留在实验室阶段，如气相沉积法和等离子法等。但是复合表面处理法可适当调和几种表面处理方法的优缺点，必将成为今后碳纤维表面处理的主要研究方向。随着社会的发展，未来对碳纤维导电混凝土的需求必然增加，同时对混凝土的整体性能提出更高的要求。通过改善增强纤维的表面性能，提高纤维在水泥基体内的分散程度，以降低混凝土的导电性能，必然会得到更高的重视。

参考文献

[1]Fu X L，Lu w M，Chung D D L.[J].Cement and ConcreteResearch，1996，26（10）：1485―1488.

[2]王闯，李克智，李贺军.[J].精细化工，2007，1：1-4.

[3]庄毅，梁节英，刘杰.PAN基碳纤维阳极电解氧化表面处理的研究[J].合成纤维工业，2003，26（3）：5-8.

[4]杜慧玲，齐锦刚，庞洪涛，等.表面处理对碳纤维增强聚乳酸材料界面性能的影响[J].材料保护，2003，36（2）：16 - 18.

碳纤维复合材料篇9

关键词：碳纤维；LED灯具；应用

【分类号】：TU855

在自然散热中，热源功率越高，则需要的散热表面积就越大。1W的热源需要75cm2表面散热面积才可以达到快速散热的效果。例如在大功率LED灯具中，单个模块的功耗大约是40W，那么单个模组则需要3 000cm2的散热表面积。以质量约为1.9kg的铝制鳍片散热器为例，忽略其体积以及耗费的材料，只考虑其安装的安全性，灯具越重，其抗震、抗风阻的能力越差，安装的危险性就越高。而碳纤维材料的质量比铝合金轻25%，热阻比铝要低40%，并且其耐温能达到4000C，将碳纤维技术应用在LED灯具上是大功率灯具在散热技术上的一个新起点。

一、碳纤维技术的简介

（一）碳纤维材料的简介

碳纤维是由有机纤维在惰性气体中经高温碳化以及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。其微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维，其中含碳量高于99%的被称作石墨纤维。碳纤维的模量和轴向强度高，耐疲劳性能好，热膨胀系数较小，耐腐蚀性能好，并且它的密度很低，X射线透过性很好，并且其力学性能优异。但是它的耐冲击性较差，很容易损伤，并且在强酸的作用下容易发生氧化，与金属（比如铝）复合会发生渗碳、电化学腐蚀以及金属碳化等现象。所以，在使用碳纤维材料之前必须对其进行表面做一定的处理。

碳纤维一般不会单独的使用，而常被作为增强材料加入到陶瓷、金属、树脂等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料通常可以被用作人工韧带等身体代用材料、电磁屏蔽除电材料、飞机结构材料以及被用于制造机动船、火箭外壳、汽车驱动轴和板簧、工业机器人等。它与环氧树脂结合生成的复合材料强度高、刚性好而且比重很小，被广泛地应用于航空航天领域以及各种要求化学稳定性高、耐高温的场合。

（二）碳纤维的热量传递规律

依据热传学，热量的传递方式有三种，即热对流、热传导和热辐射。

1.热对流

（2）测试仪器：多通道温度测试仪。

由表一可知，在相同的体积下，碳纤维材料的散热器比铝合金材料的散热器的重量更轻，而且温升更低。

（二）碳纤维材料散热器与铝合金散热器的体积对比

目前，使用最普遍的是铝合金散热器的LED灯泡。为了确保散热器能够拥有足够大的散热面积，一般会把LED光源焊接到灯泡顶端的位置，其发光角度的局限性非常大。而碳纤维多孔镂空的结构和优异的导热性，使得碳纤维材料散热器的散热性很明显的优于铝合金散热性能。所以，在相同的散热效果下，选择碳纤维材料散热器能够有效地缩小其自身的体积（如图三所示），并且不会限制LED灯的发光角度。除此之外，还可以把LED光源焊接到散热器侧面的圆周位置处，使LED灯泡可以像节能灯或者白炽灯一样向四周3600发光，使用户倍感和谐、舒适。

三、碳纤维技术在大功率LED灯具中的应用前景

随着半导体固态的光源技术的不断进步，LED发光效率也在稳步提升，LED照明产品的应用也越来越广。但是，怎样在封装、芯片、金属基板以及系统模组的各个环节中更好地设计好散热传热的途径，仍然是阻碍LED技术发展的瓶颈。要想把LED光源的结点温度控制在比较低的水平，就要优化结构、改进材质和工艺。在LED芯片的各个环节都可以充分的利用碳纤维材料的不变形、不收缩以及高热的传导率等良好特性，以更有效的控制LED产品的温升。

厦门的格绿能光电有限公司对于碳纤维材料在LED灯具，尤其是大功率以及超大功率的LED灯具中的应用进行了大量的研究和探索。研究表明，具有高导热率性能的碳纤维材料，不仅非常适合制成散热器和基板，而且还可以用作承载LED芯片基板与散热器、热沉与基板的导热垫片，这样可以大大的改善传统导热硅脂的易干裂以及导热性能偏低等缺点。除此之外，因为碳纤维的碳簇材料（黑体）的辐射冷却效果极佳，所以碳纤维材料还可以用来作涂料，将其涂覆在散热器的表层，可以有效地进行辐射散热，。

结语：

具有抗疲劳断裂性好、结构稳定性好、设计性好、比强度高以及可大面积的整体成型等优良性能的碳纤维材料，随着其成本价格的不断降低，应用的范围也将从军事领域和航空航天领域逐步地向民用和工业领域逐渐拓宽。碳纤维技术在大功率LED灯具中的推广和应用将进一步促进LED照明产业的发展。

参考文献：

[1] 邹国华，余运江，马孝松.环氧树脂/碳纤维复合封装材料的研究[J].现代表面贴装资讯，2009（04）

碳纤维复合材料篇10

关键词：汽车轻量化；CFRP；多材料结构；低成本；绿色复合材料；回收再利用

中图分类号：TB33 文献标志码：A

Lightweight of Automobile： Opportunities and Challenges of Composites

Abstract： In recent years， the Corporate Average Fuel Economy （CAFE） standards and EmissionCompliance have put forward higher requirements on the automobile industry，and lightweighting has become imperative forvehicle design. Composites， which are one of the most important lightweight materials， have exciting developing prospects in automobile industry. This paper mainly discussed the opportunities and challenges of composites in automotive lightweighting under astrong demand. On this basis， the “intelligent lightweighting” based on multi-material structure， low-cost composite manufacturing technology， green fiber reinforced composites and reusable/recyclable technology were investigated to discuss the developing directions of composites and problems confronting automobile industry.

Key words： lightweight of automobile； CFRP； multi-material structure； low-cost； green composites； reusable/recyclable technology

2020 ― 2025年，燃油经济和排放标准将会对全球汽车制造业提出更高的要求。美国国家高速公路管理局（National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA）已经在着手对乘用车及轻型载货汽车公司平均燃料经济性（Corporate Average Fuel Economy，CAFE）标准进行改革，2015年CAFE标准要求汽车制造商燃效值达到35.5英里/加仑，这一指标到2025年将逐步飙升至54.5英里/加仑，几乎是当前的 2 倍。欧盟的汽车二氧化碳排放量限制标准则要求乘用车二氧化碳排放量从目前的130 g/km减少到2020年的95 g/km。

面临燃油经济和排放量的两拳重击，汽车行业轻量化技术的开发与应用势在必行。研究显示，汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6% ～ 8%；而汽车整车重量每减少100 kg，百公里油耗量可降低0.3 ～ 0.6 L。目前轻量化技术主要有两个方向，一是汽车结构和材料加工工艺的优化设计，二是使用能够满足要求的更轻质的替代材料。其中，轻量化的替代性材料是业内普遍认同的前景最为可观的轻量化技术，复合材料作为其中的主要替代材料之一，将面临前所未有的机遇和挑战。

汽车市场需求强劲，复合材料面临原料、产业链整合等方面的压力

碳纤维复合材料（CFRP）是汽车工业轻量化道路上的主要材料之一。据欧洲知名咨询公司SAM Research预测，全球碳纤维需求量到2020年将超过16万t，其中汽车轻量化领域将成为增长最快和需求最大的领域之一。日本金g工业大学预测，未来10年全球汽车市场将大幅增长，2025年全球汽车产量将达到1.5亿辆，这将是复合材料迈进汽车轻量化市场的大好机会。

以宝马为例，仅7系列每年碳纤维零部件的需求量就高达约100万个。目前宝马已经拥有年产约7.5万个碳纤维零部件的生产线，但还远无法满足其自身需求。如果全球销售的9 000万辆汽车（2015年全球汽车销量预测值）中有10%采用碳纤维零部件，则每年其需求量将高达1.35亿件。以碳纤维使用量计，如果每辆车使用20 kg碳纤维，则车用碳纤维的年需求量将高达18万t。而目前全球碳纤维所有应用领域的用量约为 8 万t/a。如此算来，以目前 3 倍的碳纤维生产能力才能满足全球汽车市场需求，这对于碳纤维材料的生产是一个巨大的挑战。

除了碳纤维的供需压力，车用复合材料还面临整合产业链的压力。复合材料汽车零部件的开发涉及结构设计、铺层设计、强度设计等多个方面，而整个车体结构开发则涉及原料、中间产业、零件生产商及整车制造多个领域，产业链上下游协调难度较大，而金属零部件则相对简单的多。解决这一矛盾的方法：一是把将生产技术内部化，二是与原料供应商、生产商建立紧密合作。

目前，不少车企不仅与汽车零部件供应商合作，还与碳纤维材料制造商建立合作关系以为其开发专用的新型碳纤维产品。如日产汽车、本田汽车与东丽公司联手开发汽车车体用新型碳纤维材料，赢创同江森自控、雅各布塑料、东邦特纳克斯公司共同研发碳纤维增强塑料轻质材料，东丽与戴姆勒达成共同研发协议为梅赛德斯-奔驰研发碳纤维复合材料部件等。

其中，宝马汽车早在2009年就与德国的西格里碳素公司（SGL）合作，成立了专门生产碳纤维汽车配件的合资公司，并在2014年宣布扩产计划，追加投资 2 亿美元将碳纤维产量提升 3 倍。2015年初，该项目在摩西湖工厂完成扩建，碳纤维的年产能由原来的 2 条生产线3 000 t，提升到 6 条生产线9 000 t，摩西湖工厂也因此成为世界上最大的碳纤维生产基地。

从碳纤维原丝到汽车零部件，宝马已经通过外部合作构筑了车用复合材料零部件的完整产业链：SGL和日本三菱在大竹的合资公司负责为其生产聚丙烯腈（PAN）原丝；位于美国华盛顿州摩西湖的SGL汽车碳纤维公司将PAN原丝转化为碳纤维；位于德国瓦克斯多夫的第二个合资工厂将碳纤维加工成不同类型的编织材料；这些碳纤维织物被运往兰茨胡特和莱比锡的宝马工厂，用于生产汽车零部件。除宝马之外，SGL公司称其正在与其他多个世界著名车企讨论碳纤维的供应，包括奥迪、兰博基尼、通用汽车、特斯拉等。

近年来，我国汽车市场销量持续增长，2015年增速达到4.7%，新能源汽车领域表现抢眼，2015年产销量超过美国而一跃成为全球最大的新能源汽车市场。虽然如此，受到碳纤维生产能力、价格及高档汽车自主研发能力限制，我国CFRP在汽车轻量化方面的应用非常有限。2015年由奥新新能源汽车公司研制的我国首辆碳纤维新能源汽车的成功下线，使得我国正式步入了CFRP汽车市场。另外，康得新、海源机械、博云新材等几家公司也宣布开展汽车轻量化复合材料的研制。其中，康得新在河北廊坊建设的年产5 100 t高性能碳纤维的生产基地目前已完成百吨中试，预计将于今年年中投产，为我国汽车用T700碳纤维的生产打下基础。

多材料结构的“智慧轻量化”成为主要趋势

CFRP具有高比模、高比强、耐疲劳、耐腐蚀、整体成型以及性能可设计等诸多优良特性，是汽车轻量化高强结构材料的首选，但是由于其价格居高不下，也促使传统铝、钢生产商重新研究和开发更轻的合金。根据汽车咨询机构Duckers的调研，北美、欧盟、日本单车用铝量分别高出中国47%、24%、15%，且仍在持续增长。早在1994年，奥迪就开始研制轻量化的铝质结构，奥迪A8L和奥迪A2铝制车身都采用了其新一代全铝车身框架（ASF）。2015年福特推出的F-150皮卡也采用新型铝合金，福特声称通过在主体和部分结构使用铝合金，汽车重量减轻超过318 kg。通用汽车紧随福特之后，也与轻型铝合金供应商签订订单，预计到2018年将其皮卡生产线由钢材转换到铝材。

另外，随着近年来工程塑料硬度、强度、拉伸性能等性能的不断提升，安全性得到进一步保证，工程塑料也成为汽车轻量化关注的重点材料之一。据报道，截至2020年，全球汽车塑料市场复合增长率预期可达13%。目前已有不少轿车的塑料用量超过120 kg，德国奔驰高级轿车的塑料用量甚至高达150 kg，国内一些轿车的塑料用量也已经达到90 kg。其中，聚酰胺（PA）材料主要应用于动力、底盘零部件及结构件，约占整车塑料用量的20%；聚碳酸酯、聚甲醛、改性聚苯醚和热塑性聚酯等材料主要应用于电子电器零部件及结构件，约占整车塑料用量的15%；改性聚苯醚和ABS工程塑料及其合金材料主要应用于汽车内饰和零部件，随着车型档次的提高，用量比例也在逐渐增加。

轻型合金、工程塑料等轻量化替代材料的不断更新和优化在一定程度上削弱了CFRP的成本/效益优势，使CFRP在汽车领域的应用面临挑战，但CFRP在安全性和轻量化方面仍保有绝对优势。不可否认的是，无论是铝合金、工程塑料还是复合材料，在未来的发展中都不可能孤军奋战。早在2012年就有专家预测，材料的混合使用将成为全球汽车业发展的重要趋势，判断任一材料能否成为汽车轻量化主流材料的标准成为“能否以可承受的成本进行大规模的生产”。在这样的判断标准下，通过多种材料搭配使用，以更低成本达到最大限度轻量化要求的“智慧轻量化”将成为汽车轻量化的主要趋势。这也将使目前仅限于超级跑车、高端汽车应用的CFRP有可能进入普通汽车消费市场。

奔驰C级和奥迪A6系列均已推出采用钢、铝混合结构的产品。宝马i3电动商务车以全碳纤维的车身框架带领行业进入了CFRP汽车领域，i8也沿用了这一结构；近来，该公司积极推行“多材料”结构，2016年推出的最新 7 系列车型将碳纤维材料与钢、铝合金有效结合制造出更轻、更坚固的车身框架。车身中仍大量采用CFRP，包括车门槛梁和护栏、后行李架，以及车顶纵梁/前横梁结构、车身B柱和C柱、底部侧围、中央通道和后部支撑的加固，但是车门饰板、行李箱盖、发动机罩等部件恢复使用铝合金。混合材料结构使得最新 7 系列的重量比上一代车型减轻了130 kg，甚至比全铝车身的奥迪A8还要轻90 kg。

在“智慧轻量化”背景下采用CFRP的多材料结构汽车不仅有宝马，2015年奔驰SKL 200碳纤维限量版汽车，其内饰也采用了大面积碳纤维零部件。澳大利亚福特也宣布将在近期的新型高性能轿车FalconXR6 Sprint车型上应用100%CFRP的进气管，重量仅为235 g，是塑料进气管重量（438 g）的将近一半。宝马还计划将碳纤维的应用于更多车型，例如未来X5及 6 系等车型都有望大量使用碳纤维，以便全面减轻车身重量。

降低车用CFRP的制造成本，仍是行业面临的主要挑战

CFRP是材料轻量化进程中最成功的代表，但是由于碳纤维及其复合材料的高成本限制了其在汽车轻量化领域的大规模应用。目前，商业级的碳纤维主要为PAN基碳纤维，其高成本问题主要集中在较高的PAN 原丝生产成本（占总成本的51%）和较长的生产流程。因此，降低车用CFRP成本的主要路径是降低碳纤维原丝成本，寻求低成本纤维生产工艺以及低成本的CFRP制备工艺。

目前，国外碳纤维生产商已经致力于开发低成本碳纤维制造技术，并寻求PAN以外更低成本的原料来制备碳纤维。日本三菱和东丽公司开发的大丝束碳纤维是低成本制造技术的典型代表，美国也已开发出先进的碳纤维制备技术。在低成本原料方面，美国、日本等碳纤维主要制造国家已经开发出包括聚烯烃类聚合物、木质素纤维素、电纺酚醛纤维、辐射丙烯酸等在内的低成本代替材料。2015年瑞典研究机构Innventia和Swerea SICOMP也声称开发出了世界首创技术，可以基于100%软木木质素前体制造出重约1.8 g的编织CFRP层压板。并表示，这种材料可用于生产重量轻、燃油效率高的汽车零件，但是其制造方法与其他使用木质素替代前体的研究相同，还处在实验室阶段，进入生产线还需时日。

除纤维成本外，车用复合材料最大的挑战是汽车行业高效率的生产预期，其中成型树脂是决定复合材料生产效率的最主要影响素之一。由于优异的粘合强度和模量、耐蠕变性、高韧性和良好的抗疲劳性能，环氧树脂通常是汽车复合材料生产商的首选。通过研究和开发“瞬间固化”（能够流动和彻底浸润纤维预制件，并在5 min之内固化）的环氧树脂及其配套的预成型和成型设备，从而开发高效、低成本的复合材料生产技术，已经成为降低车用复合材料成本的主要手段之一。

2015年，美国Hexion（瀚森）和Dow Automotive Systems（陶氏汽车系统）先后推出了 2 种可60 s“瞬间固化”的环氧树脂。其中，瀚森针对树脂传递模塑成型（RTM）和液体压缩成型（LCM）工艺推出EPIKOTE TRAC06170环氧树脂与EPIKURE TRAC06170固化剂，仅需20 s树脂注入时间（RTM或LCM）和40 s固化时间就可完成复合材料成型；而陶氏推出的用于LCM工艺的VORAFORCE树脂，可以直接将树脂均匀地涂敷在干的纤维预制件上，并通过压强使树脂织物在厚度方向上均匀浸润。陶氏还宣称已经与德国KraussMaffei公司和意大利Cannon SpA公司合作开发出仅需要15 ～ 20 s涂敷树脂及30 s固化，总制造时间小于60 s的复合材料制备工艺。但是该工艺由于很难提供复杂零件的成型模具，对于LCM成型的部件则仅适合相对平坦或轻微轮廓部件的制造，相比之下，RTM是该树脂最好的选择。

2015年底，Gurit UK（英国固瑞特）也推出了“瞬间固化”环氧树脂，但不同于其他针对RTM或湿压缩成型工艺开发的树脂，其树脂配方主要用于成套预浸料和热进/热出冲压成型（hot-in/hot out press molding）工艺。虽然该工艺固化周期需要 5 min，但报道称其制造的部件表面可达A级，无需模具后处理。

今年3月，Huntsman Advanced Materials （亨斯迈先进材料）公司也宣布推出了一款快速固化的环氧树脂。在此之前，亨斯迈商业化的，固化时间为 2.5 min的环氧树脂的解决方案已经用于生产宝马i系列高纤维含量的复合材料零部件，而此次推出的快速固化环氧树脂不仅具有更快的固化速度，而且具有更高的玻璃化温度（Tg），可承受高达150℃的工艺条件。据亨斯迈介绍，该树脂在140℃下仅30 s就可固化，这使得1min内的复合材料成型工艺成为可能。为此，亨斯迈还开发了与该树脂配套的动态流体压缩成型（Dynamic Fluid Compression Molding，DFCM），该工艺可以省去高压注塑工艺，而且在很多情况下也可省略纤维预浸料工艺。与常规湿发压缩成型（Wet-Compression Molding，WCM）相比，该工艺的主要优点之一是可以减少层压板层间缝隙，复合材料孔隙率低于1%，性能可媲美高压的RTM工艺，且高达66%纤维体积含量（FVC）的复合材料可以在没有特殊处理的条件下实现。

绿色纤维复合材料面临发展契机

相比碳纤维，天然纤维由于绿色可持续、成本低廉、重量较小以及原材料供应充足等优点，其复合材料将在汽车轻量化领域迎来发展契机。江森自控早在50多年前就开始对天然纤维复合材料进行研发，目前已经成为欧洲最大的天然纤维车门板制造商之一。其与福特汽车和世界最大的林业产品公司惠好合作开发的以植物纤维为基础，可再生、能替代现在玻璃纤维复合材料汽车配件的复合材料已经获得成功。这种被称为纤维素增强聚丙烯（Cellulose Reinforced Polypropylene，CRP）的新型材料，已经在2014款林肯MKX上应用。惠好还表示，植物纤维与很多不同种类的聚合物的兼容性都非常好，下一步计划将合成物从聚丙烯扩展到一系列的碳氢或非碳氢化合物的聚合物上。

虽然目前天然纤维复合材料较多用于汽车内饰，但是可以预见，其在汽车零部件中的用途将会不断拓宽。发动机罩下蓄电池保护外壳和支架、散热风扇外罩、车轮罩、密封条载体等都可采用天然纤维复合材料，而且在越大的组件上使用天然纤维复合材料，带来的轻量化效果越明显。日前，BASF（巴斯夫）就与汽车零部件制造商IAC合作开发了据称是世界上第一个完全采用天然纤维制成的复合材料车顶结构件。该复合材料采用了巴斯夫水基低排放的粘合剂来替代酚醛树脂，具有良好的耐热性和环境友好性。该材料将用于梅赛德斯奔驰最新的E级车系列，并于今年4月在欧洲发售。

车用复合材料回收再利用迫在眉睫

随着近年来CFRP在汽车领域应用的迅速扩大，一些CFRP汽车产品逐渐进入报废期，CFRP废弃物的回收再利用技术的开发和产业化迫在眉睫。加之欧盟报废车辆指令（ELV）自2015年起回收指标再加码，要求每年每辆报废汽车的平均重量中至少有85%可重复使用或可再利用，并且已经建立了金属材料、纯塑料、非晶材料的回收跟踪记录。如何由废CFRP回收碳纤维，开发大规模回收碳纤维的连续化、低成本和低能耗的回收生产线，已经成为各大应用CFRP的汽车厂商不得不解决的难题。

日本、美国、欧洲等发达国家和对CFRP的回收利用技术早有研究。日本通产省2006年就基于课题“碳纤维再生技术的实证研究开发”建立了中试厂，并将其作为日本碳纤维制造商协会（Japan Carbon Fiber Manufacturers Assn.，JCMA）的活动内容，积极从事基础技术开发，成功开发出可控制回收碳纤维（RCF）长度，并可除去金属杂质和树脂残渣量低的再生碳纤维技术。日本碳纤维再生工业公司也创立了热解法由废CFRP回收碳纤维的独有技术，并成功运用于汽车部件。德国CFK Valley e.V. 与Karl Meyer AG合作，于2007年就建立了名为CFK Valley Recycling的产业化RCF生产线，目前已经具有1 000 t/a的回收碳纤维生产能力。2011年，德国金属回收生产商ELG Haniel也通过收购英国Recycled Carbon Fibre及其商业化的回收工厂，进军RCF市场。另外，美国MIT LLC公司也于2009年就建立了商业化的RFC生产线并成功用于汽车零部件生产。

虽然目前RCF的市场应用还相对滞后，但是随着研究的深入和技术水平进步，一些可产业化回收技术声称RCF的机械性能已经可达到原生碳纤维水平，且长纤维的再生也可能实现。日本日立化成公司2014年的一份报告指出， JCMA回收厂联合东丽株式会社、日本帝人集团和日本三菱丽阳株式会社，已扩充了不需要预粉碎就可进行热解过程的RCF生产技术。在此之前，JCMA已经拥有1 000 t/a的RCF生产能力，该新增的新工艺具有60 t/a的回收能力，甚至可以回收连续纤维以及排列不连续RCF（例如取向排列与随机排列）。RCF可节省20% ～ 40%的成本，随着这些新技术的发展和成熟，在不久的将来就可能开发出能够满足航天用纤维性能的RCF产品。

对于宝马i3和i8，人们更多关注的是其垂直整合供应链的发展战略，但在高调的宣传背后，宝马也开始在i3和i8的车顶以及i3的后排座椅结构中重新使用废弃循环利用的材料。SGL汽车碳纤维公司已经通过收集i系列汽车CFRP机织和针织预成型件废料获得RCF。回收的RCF制成绗缝非织造材料后用于生产i3和i8车顶和后座的CFRP。可以明确的是，目前CFRP的回收再利用已经可以解决技术问题，面临的主要问题还是产业化和市场应用。如何将RCF与汽车制造供应链无缝衔接以满足汽车制造企业的需求仍然是最主要的问题。