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嘉峪檢測網 2020-03-02 16:17
碳纖維復合材料具有優(yōu)異的機械性能，這也是其他材料無法匹及的。碳纖維復合材料堅固、堅硬且輕巧，尤其是其引人注目的輕量化和優(yōu)異性能，使其成為航天器、戰(zhàn)斗機和賽車等結構部件的首選材料。
復合材料是通過將增強材料（碳纖維）與基體（樹脂）結合在一起制成的，這種纖維和基體的結合可提供優(yōu)于任何一種材料的特性。在復合材料中，纖維承擔了大部分負載，并且是材料性能的主要貢獻者；而樹脂有助于在纖維之間轉移載荷，防止纖維彎曲，并將材料粘合在一起。
從歷史發(fā)展上看，碳纖維復合材料非常昂貴，因此使其應用范圍局限在特殊應用。然而，在過去的二三十年間，隨著碳纖維消耗量的增加和制造工藝的改進，碳纖維復合材料的價格穩(wěn)步下降。如今，碳纖維復合材料應用領域越來越廣泛，例如體育用品、高性能游艇、高性能車輛和高性能工業(yè)機械。
碳纖維復合材料主要優(yōu)點在于：
1、高比剛度；
2、高比強度；
3、極低的熱膨脹系數（CTE）；
4、導熱、導電。
碳纖維（HT高強型、IM中模型、HM高模型）力學性能優(yōu)異，但與金屬等材料相比，體密度更低，因此成為航空、汽車等輕量化首選。
有關碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料、鋁和鋼的成本和機械性能的比較如下表所示。
碳纖維復合材料非常適合高剛度、低重量需求應用。主要應用包括：航天器結構、飛機結構、卡車和高性能車輛的傳動軸、機械輥、帆船桅桿和吊桿、自行車車架、具有高加速度并要求剛度和精度的機械部件。
具有高剛度特性的CFRP針桿
高比強度應用
碳纖維復合材料廣泛用于須承受極高載荷的輕質結構，主要應用包括摩托車部件（防滑板，防撞板）、釣魚竿、高爾夫球桿、飛機結構、衛(wèi)星天線結構、賽車底盤等。
低CTE應用
碳纖維的熱膨脹系數為負，這意味著碳纖維在加熱時會收縮。當將碳纖維加入樹脂基體（正CTE）中時，復合材料可以定制為具有幾乎為零的CTE。利用低CTE特性主要可用于高精度天線、掃描成像機、精密光學設備、計量設備等。
應用實例：高精度測量儀器（如下圖所示），其目的是實現(xiàn)無縱向熱膨脹，設計時采用高模碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，通過合適的層壓板結構，最后實現(xiàn)熱膨脹系數a <0.08 x 10-6 / K。
高導熱應用
在航天器應用中，部分結構件在面對熱源時需要高導熱系數來實現(xiàn)熱平衡，典型應用為導熱承重結構，如下圖為帶有CFRP面板和CFRP蜂窩的三明治結構，具有優(yōu)異的導熱性能。
導電性應用
碳纖維主要是由碳元素組成，具有一定導電性，因此利用該特性可以實現(xiàn)特性應用。應用實例：加工復合材料零件的模具本身由CFRP制成，CFRP層用作加熱元件，模具溫度高達150°C，可以在很小加熱功率下，實現(xiàn)簡單而精確的溫度調節(jié)；此外，模具本身的低熱容量導致快速冷卻，利于模具的高效制造。
此外，高強高模碳纖維（如M50J、M55J等）與中模碳纖維（如T300、T700、T800等）相比，電阻率更小、導電性能更加優(yōu)異。
特定形狀應用
應用實例1：Sentinel-1 A和B 合成孔徑雷達天線的CFRP結構； 由3000多個零件組成，采用了RTM / SLI工藝制造，用于波導、傳熱板和橫向加強筋，公差+/- 0.03 mm。
應用實例2：用于瑞典陸軍NH90型直升機的滑雪結構套件，尺寸約 2 m x 1.5 m，形狀復雜、自由曲面。
功能層結構應用
2018年10月，歐洲—日本聯(lián)合實施的水星探測飛船BepiColombo搭乘阿麗亞娜5號火箭從法屬圭亞那庫魯航天中心發(fā)射升空。在BepiColombo探測器支架結構中，為了滿足強度、剛度、輕量化和高導熱率需求，采用高性能碳纖維，而在碳纖維表面采用了鍍金處理來具有一定反射性。
而同樣是在2018年，歐洲宇航局發(fā)射的ExoMars火星探測器上，其雷達天線材料也是采用復合材料加工，但其表面鍍層采用鍍銅處理，有助于提高天線性能。
來源：中科院寧波材料所錢鑫
