趙忠豪
摘 要:本文對碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的性能、特點進(jìn)行了概述,并對應(yīng)用其制成各種成型工藝進(jìn)行闡述,對該材料的優(yōu)異性能進(jìn)行了充分的說明,該材料的應(yīng)用極為廣泛,在航空航天、交通運輸、醫(yī)療、風(fēng)力發(fā)電等高科領(lǐng)域也將會得到展望性的應(yīng)用,最后對該材料的應(yīng)用發(fā)展也進(jìn)行了闡述。
關(guān)鍵詞:碳纖維增強(qiáng)樹脂基;復(fù)合材料;應(yīng)用研究
前言
碳纖維是在1860 年發(fā)明的,當(dāng)時其主要應(yīng)用在燈泡燈絲工藝中,并成為一項專利,碳纖維的發(fā)展歷經(jīng)多個階段,最初以棉花和竹子等生物材料作為碳纖維的前體研發(fā)材料,后來,人造絲前體逐漸出現(xiàn),并被用于碳纖維規(guī)?;a(chǎn),但是其有一定的局限性,應(yīng)用范圍小,經(jīng)過進(jìn)一步的發(fā)展,日本某公司首度出現(xiàn)了聚丙烯腈為原料制備的碳纖維-T300,后經(jīng)過不斷發(fā)展,碳纖維性能進(jìn)一步被提升應(yīng)用,最后又研發(fā)迭代出了以聚丙烯為原料的碳纖維,名為M-系列纖維,其拉伸性能更高。碳纖維作為一種含碳量高達(dá) 95%以上的高性能纖維,密度低、可塑性強(qiáng)、耐高溫腐蝕,且抗摩擦,同時還可以導(dǎo)電、導(dǎo)熱,可以屏蔽電磁干擾,外形柔軟,其結(jié)構(gòu)呈纖維狀。
1 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的主要工藝
碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料成型工藝多種多樣,其發(fā)展歷經(jīng)數(shù)年,技術(shù)人員都著力于優(yōu)化和改善其性能,拓展新的成型工藝,以提高其更優(yōu)良的穩(wěn)定性,主要是調(diào)節(jié)碳纖維增強(qiáng)體與樹脂基體比例、結(jié)構(gòu)、排列方式以達(dá)到優(yōu)化其最佳性能的目的,也可以調(diào)整其成型溫度、壓力等。目前,碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的成型工藝以研發(fā)和探索數(shù)十種。
1.1 手糊成型工藝
手糊成型工藝就是通過手工操作來實現(xiàn)的,是將固化劑覆于樹脂混合物的表面,然后涂刷在模具上,依照工藝要求將準(zhǔn)備好的短纖維設(shè)置在其上,借助壓輥擠對其施加壓力,可以促使膠液完全的、均勻的浸潤纖維,也可以通過強(qiáng)壓排出膠液內(nèi)氣泡,為了促使成型工藝滿足產(chǎn)品設(shè)計需求,要重復(fù)此操作。當(dāng)完成上述工序后,要加溫模具,隨后再次加壓并將材料固定在模具上,并促其成型,可以促使樣板與模具貼合緊密,保證材料的工藝質(zhì)量符合性,最后經(jīng)過脫模完成材料制備。整個制備過程中,操作方便且成本低廉,模型成型簡單,不僅可以滿足產(chǎn)品設(shè)計的要求,也可以保證產(chǎn)品尺寸和形狀質(zhì)量過關(guān),適合應(yīng)用在小規(guī)模的生產(chǎn)中,但是也存在一定的缺點,如效率較為低下,生產(chǎn)耗時間,產(chǎn)品質(zhì)量不易把控且產(chǎn)品性能不高,可塑性強(qiáng)[1]。
1.2 噴射成型工藝
噴射成型工藝是手糊成型工藝經(jīng)過一系列改進(jìn)而形成的,這種工藝會依靠一定的機(jī)械,因此工藝精度稍高,噴射成型工藝是借助兩側(cè)噴槍完成制備的,噴槍一側(cè)噴出混有引發(fā)劑的不飽和聚酯,另一側(cè)則噴出混有促進(jìn)劑的不飽和聚酯,在噴射時,會從噴槍中心噴出切斷玻纖粗紗,從而促使粗砂與樹脂在模具上充分融合,形成沉積層,當(dāng)沉積層的厚度滿足工藝要求后,借助輥輪施加壓力,可以促使樹脂充分融進(jìn)纖維,通過強(qiáng)壓也可以排除成品中的氣泡,最終促使其成型。噴射成型工藝生產(chǎn)效率有所提升,同時耗材率也大大降低;成品質(zhì)量更有所保證,連接性好沒有搭接縫,裁剪效果好,可以設(shè)計不同尺寸和形狀,工藝成型效果較好,可以根據(jù)需求進(jìn)行針對性設(shè)計,優(yōu)化成品厚度、纖維體量等,在大型船體制造中可以廣泛應(yīng)用。但是仍然有一定的缺點,會造成環(huán)境污染,由于其操作過程中需要霧化和分散,會造成較大的能源耗損。此外還有:負(fù)壓真空袋壓成型工藝、層壓成型工藝、模壓成型工藝等,在此不做贅述。
2 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用
2.1 航空航天領(lǐng)域應(yīng)用
碳纖維復(fù)合材料由于其有低密度、耐高溫等特性可以將其應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域中,相比較傳統(tǒng)材料,如鋼鐵等。其強(qiáng)度指標(biāo)最為突出,是鋼鋁模量的5倍,強(qiáng)度的3倍,碳纖維比重僅為鋼的五分之一,鋁的二分之一,最早應(yīng)用在軍用飛機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)及導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星等領(lǐng)域。在20 世紀(jì),美國軍用 F-14 戰(zhàn)斗機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)就應(yīng)用了部分碳纖維復(fù)合材料;美國航空母艦上唯一的艦載戰(zhàn)斗機(jī)F-18 軍機(jī)研發(fā)成功并試飛,其中復(fù)合材料的用量已經(jīng)占到結(jié)構(gòu)材料總質(zhì)量的10%,其主翼、機(jī)身等部位多用的是復(fù)合纖維材料;在后期,碳纖維材料的應(yīng)用范圍更加廣泛,在F-22 戰(zhàn)斗機(jī)的研制中,碳纖維復(fù)合材料用量已經(jīng)高達(dá)25%以上。我國碳纖維材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用,用碳纖維復(fù)合材料研制殲擊機(jī)垂尾壁板,相比傳統(tǒng)材料,其重量減輕了約30%,是技術(shù)上的一大突破;在后期我國國防成就展會上,殲-10在垂尾、襟副翼等部位都應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料;后期,我國對碳纖維符合材料的應(yīng)用已經(jīng)突破了傳統(tǒng)限制,在機(jī)頭罩、方向舵等多個部位已有應(yīng)用,不僅實現(xiàn)了我國航空航天技術(shù)的突破,也進(jìn)一步拓展了碳纖維的應(yīng)用范圍,在后期碳纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用將會更加廣泛[2]。
2.3 風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用
近年來風(fēng)電能源迅速崛起,為了提升風(fēng)能利用率,對風(fēng)電葉片要加以深度設(shè)計,風(fēng)電葉片產(chǎn)生風(fēng)能的核心部件,正向著大型化、輕量化的方向而發(fā)展。風(fēng)電葉片由關(guān)鍵部位受力結(jié)構(gòu)組成,主梁需要承擔(dān)大部分彎曲壓力。碳纖維復(fù)合材料因為質(zhì)量輕,耐腐蝕性好,滿足葉片對材料的高設(shè)計要求,將其應(yīng)用在葉片主梁帽時,可大大降低葉片的重量,提升葉片剛度,且其可以承受較大的壓力,可以長時間處于運轉(zhuǎn)狀態(tài),將碳纖維材料應(yīng)用在葉片根部可以加大葉片荷載力,確保葉片震動方向。此外,碳纖維復(fù)合材料還可以應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域和交通運輸領(lǐng)域。
3 結(jié)語
綜上所述,作為新時代的工業(yè)材料,碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)勢,它主要由高分子樹脂基體與高性能碳纖維增強(qiáng)體構(gòu)成,采用高溫強(qiáng)壓、固化脫模等工藝制備,具有諸多性能,不僅耐摩擦耐腐蝕,而且還具有高強(qiáng)高模性能,減震性能良好,可塑性強(qiáng),可以屏蔽電磁干擾,其性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料,由于其復(fù)合性能、材料可塑性強(qiáng),且功能多樣,可以應(yīng)用在不同領(lǐng)域中。
參考文獻(xiàn):
[1]張登科,王光輝,方登科,崔佳偉,田永勝.碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用研究進(jìn)展[J],{3},{4}{5}:1-7[2021-07-19].
[2]張憲華,高艷秋,趙龍,黃峰,吳剛,馬金瑞,卓鵬.碳納米管/連續(xù)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料進(jìn)展及其應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2014,{4}(15):71-73.