張二勇 孫 艷

（連云港神鷹復(fù)合材料科技有限公司，江蘇 連云港222000）

復(fù)合材料不僅具有高強(qiáng)度，高模量，高剛度、優(yōu)良的減振性、耐疲勞和耐蝕性等優(yōu)異特點(diǎn)。碳纖維（Carbon fiber,簡稱CF）是含碳量高于90%的無機(jī)高分子纖維，它是用一些含碳的有機(jī)纖維，如腈綸絲、瀝青及黏膠纖維等作為原絲，跟有機(jī)樹脂相結(jié)合，放在惰性氣體中，經(jīng)碳化而成的新型纖維材料。

1 碳纖維的分類

碳纖維與鉆石一樣,是主要由碳元素組成的物質(zhì),具有以下特性：輕質(zhì)高強(qiáng)，其比重為鐵的四分之一，而強(qiáng)度是鐵的10 倍，尤其是高彈模量碳纖維，其抗拉強(qiáng)度比鋼材大68 倍，彈性模量比鋼材大1.8～2.6 倍?？梢苑Q之為新材料之王。因此廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造等軍工領(lǐng)域、風(fēng)力發(fā)電葉片等工業(yè)領(lǐng)域、體育休閑領(lǐng)域。

1.1 按力學(xué)性能可分4 類

1.1.1 超高模量（UFM）碳纖維；

1.1.2 高模量（HM）碳纖維；

1.1.3 超高強(qiáng)度（UHS）碳纖維；

1.1.4 高強(qiáng)度（HS）碳纖維。

1.2 按原料分3 類

PAN 碳纖維、瀝青碳纖維和人造絲碳纖維。均由原料纖維高溫碳化成，成分基本都是碳元素，其主要性能見下表，目前復(fù)合材料中大多數(shù)使用PAN 碳纖維。

表1 各種材料碳纖維的主要性能

1.3 按用途可分2 類

24K 以下為宇航級(jí)小絲束碳纖維（1K 為1000 根單絲）；48K以上為工業(yè)級(jí)大束絲碳纖維。

2 碳纖維主要性能

2.1 密度小、質(zhì)量輕,碳纖維的密度為1.5～2g/cm3,相當(dāng)于鋼密度的1/4、鋁合金密度1/2。

2.2 強(qiáng)度高、彈性模量高,其強(qiáng)度比鋼大4～5 倍,彈性回復(fù)為100%。

2.3 熱膨脹系數(shù)小,導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降,耐驟冷、急熱,即使從幾千攝氏度的高溫突然降到常溫也不會(huì)炸裂。

2.4 摩擦系數(shù)小,并具有潤滑性。

2.5 導(dǎo)電性好,25 時(shí)高模量碳纖維的比電阻為775cm, 高強(qiáng)度碳纖維則為1500cm。

2.6 耐高溫和低溫性好,在3000 非氧化氣氛下不熔化、不軟化,在液氮溫度下依舊很柔軟,也不脆化。

2.7 耐酸性好,對(duì)酸呈惰性,能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕。除此之外,碳纖維還具有耐油、抗輻射的特性。

盡管碳纖維可單獨(dú)使用發(fā)揮某些功能，然而，它屬于脆性材料，只有將它與其它基體材料有效牢固的結(jié)合在一起時(shí)，才能發(fā)揮其優(yōu)異的力學(xué)性能。

3 碳纖維碳絲鋪層方式對(duì)力學(xué)性能的影響

3.1 實(shí)驗(yàn)機(jī)器：萬能壓力機(jī)，型號(hào)：AG-X plus

3.2 實(shí)驗(yàn)材質(zhì)：SYM40

表2 材料及工藝數(shù)據(jù)

測試結(jié)果：

表3 彎曲強(qiáng)度測試對(duì)比數(shù)據(jù)

4 碳纖制品成型方式

4.1 鋪層設(shè)計(jì)

鋪層設(shè)計(jì)是碳纖維復(fù)合材料成型的關(guān)鍵，鋪層時(shí)纖維的角度，層數(shù)，直接決定產(chǎn)品的力學(xué)性能，角度的不同，層數(shù)的多少是設(shè)計(jì)產(chǎn)品的重要考量依據(jù)。對(duì)于一般的板材，需要考量纖維成型時(shí)熱膨脹系數(shù)，軸向纖維與徑向纖維合理的搭接比例，從而達(dá)到合格產(chǎn)品要求。碳纖維軸向與徑向的線膨脹系數(shù)分別為：-0.3X10K 和12X10K,所以通過不同鋪層比例設(shè)計(jì)一般軸向與徑向比例3:2 關(guān)系得出的軸向膨脹系數(shù)最小，所以在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)絕大部分采用該種鋪層設(shè)計(jì)。鋪層的對(duì)稱性也是一個(gè)衡量指標(biāo)。通過實(shí)驗(yàn)得出采用C0/C90/C0/C90/C0.鋪層得出的產(chǎn)品平面度最好，采用C0/C0/C0/C90/C90 次之。而根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的性能要求來調(diào)整鋪層的層間方式，從而可以得到合格的產(chǎn)品。

4.2 成型方式

4.2.1 模壓成型方式，是一種采用高溫高壓將纖維擠壓成型的方式，顯著特點(diǎn)為產(chǎn)品內(nèi)部為實(shí)心狀態(tài)。這類產(chǎn)品多為板類，成型后

4.2.2 袋壓成型方式，是一種采用耐高溫氣袋對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)部加壓，外部利用模具型腔成型的方式。顯著特點(diǎn)為產(chǎn)品內(nèi)部空心，產(chǎn)品橫截面異形等產(chǎn)品。

結(jié)束語

近些年來，碳纖維復(fù)合材料在民用和軍用領(lǐng)域已經(jīng)得到了十分廣泛的應(yīng)用，其成型制備工藝技術(shù)也經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展。目前有大型高溫烤箱，與高溫高壓爐臺(tái)等成型設(shè)備。建立和優(yōu)化大型高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型工藝已經(jīng)是該行業(yè)發(fā)展的方向，這也是制約我國高性能碳纖維復(fù)合材料成型的重要原因。