碳纤维增强复合材料基础知识

发布时间 :2014-11-14

碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体 ,以树脂 、陶瓷 、金属 、水泥 、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料 ,简称碳纤维复合材料 。

它是一种高性能纤维 ,在建筑结构中的使用量最大 。在保护气氛中的有机纤维在施加张力牵引下 ,经过热处理碳化而成为含碳量90%以上的碳纤维 。

CFRP材料最初应用于航天工业 ,这项技术在20世纪70年代已渐趋成熟 。20世纪60年代 ,美国开始把CFRP材料应用在土木工程领域 。但当时实验结果不理想 ,而且试验费用很高 ,所以FRP材料在土木领域的研究与应用在其后二十多年里没有很大的进展 。直到80年代 ,欧美 、日本和澳大利亚等国才开始重视相关应用研究 。

一 、CFRP的种类和构造

0CFRP是如何制造出来的呢?首先碳纤维只是一种纤维 ,只用它是无法制造出部件的 。所以 ,碳纤维要和树脂一起制成复合材料使用 。根据所用树脂种类的不同 ,以及碳纤维品种 、状态(可制成织物及短纤维等多种形态)的不同 ,制成的CFRP的特性也大不相同 。单是主要的中间基材(成型材料)就有4种 。这些中间基材及成型材料对应的主要成型方法也不一样 。

二 、热硬化性和热可塑性

CFRP使用的树脂有两大类 ,一类是环氧树脂及非饱和聚酯树脂等热硬化性树脂 ,另一类是聚丙烯(PP)及聚酰胺(PA)等热可塑性树脂 。这两种树脂的特性有所不同 。

热硬化性树脂在碳纤维浸渍阶段为低粘度单体 ,之后 ,随着成型时的加热发生聚合 ,变成聚合物(树脂) 。由于聚合反应需要一定时间 ,因此成型周期通常较长 。利用制造飞机结构件时使用的热压罐法 ,加热时间达到2~4小时 。

而使用热可塑性树脂时 ,其成型与通常的树脂成型基本相同 ,小尺寸部件的射出成型可在10秒内完成 ,即便是非常大的大尺寸部件的冲压成型 ,也可在1分~数分内完成 。由于加工效率高 ,因此可轻松实现低成本化 。不过 ,与热硬化树脂相比 ,热可塑性树脂的熔融粘度较高 ,所以加工大尺寸部件时必须使用大型冲压机。