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復(fù)合材料的應(yīng)用及發(fā)展前景
鋁在制作復(fù)合材料上有許多特點(diǎn)，如質(zhì)量輕、密度小、可塑性好，鋁基的符合技術(shù)容以掌握，易于加工等。此外，鋁基復(fù)合材料比強(qiáng)度和比剛度高，高溫性能好，耐疲勞和耐磨，以及工程可靠性。同其他復(fù)合材料一樣，它能組合特定的力學(xué)和物理性能，以滿足產(chǎn)品的需要。因此，鋁基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料中最常用的，最重要的材料之一。
復(fù)合材料的制造包括將復(fù)合材料的組分組裝并壓合成始于復(fù)合材料零件的形狀。常用的工藝有兩種，第一種是纖維與基體 組裝壓合和零件成型同時(shí)進(jìn)行；第二種是先加工成復(fù)合材料的預(yù)制品，然后再將預(yù)制品制成最終形態(tài)的零件。前一種工藝類似于鑄件，后一件則類似于先鑄錠然后再鍛成零件的形狀。
制造過程可分為三個(gè)階段：纖維排列、復(fù)合材料組分的組裝壓合和零件層壓。大多數(shù)硼-鋁復(fù)合材料是用預(yù)制品或中間復(fù)合材料制造的。前述的兩種工藝具有十分相似的制造工藝，這就是把樹脂粘合 或者是等離子噴涂 條帶預(yù)制品再經(jīng)過熱壓擴(kuò)散結(jié)合。
1.揮發(fā)性粘合劑工藝
這種工藝是一種直接的方法，幾乎不需要什么重要設(shè)備或?qū)ｉT技術(shù)。制造預(yù)制品的材料包括成卷的硼纖維、鋁合金箔、氣化后不殘留的易揮發(fā)樹脂以及樹脂的溶劑。鋁箔的厚度應(yīng)結(jié)合適當(dāng)?shù)睦w維間距來(lái)選擇，通常為50～75μm。
所用的纖維排列方法有兩種，單絲滾筒纏繞和從纖維盤的線架用多絲排列成連續(xù)條帶。前一種工藝因?yàn)楹?jiǎn)單而較常使用。利用滾筒纏繞可能做成幅片，其尺寸等于滾筒的寬度和圍長(zhǎng)。由于簡(jiǎn)單的螺桿機(jī)構(gòu)便能保證纖維盤的移動(dòng)與滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)相配合，故能使間距非常精確和滿足張力控制。
鋁基復(fù)合材料的性能
鋁基復(fù)合材料的性能取決于基體合金和增強(qiáng)物的特性、含量、分布等。與集體和金相比，鋁基復(fù)合材料具有許多優(yōu)良的性能。
低密度
良好的尺寸穩(wěn)定性
強(qiáng)度、模量與塑性
耐磨性
疲勞與斷裂韌性
在硼-鋁的壓合中有下述一些重要的限制：
（1）纖維損傷問題限制了時(shí)間-溫度參數(shù)。
（2）為保證鋁的結(jié)合和消除孔隙度，時(shí)間-溫度-壓力參數(shù)必須高于門限值，因?yàn)檫@是一個(gè)受蠕變和擴(kuò)散限制的過程。
（3）高壓力會(huì)增加纖維的斷裂。
（4）為防止硼氧化要求仔細(xì)控制氣氛。
若硼纖維用碳化硅涂覆，這些限制大多可以放寬或不予考慮，因?yàn)樵谥圃爝^程中可以使用高得多的溫度而不會(huì)使纖維損傷。
第二種纖維排列法是制造連續(xù)多條絲帶，它要求更完善的設(shè)備條件。目前目前的設(shè)備可同時(shí)輸出600根脆性絲。
碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用及其發(fā)展前景2017-04-07 08:53 | #2樓
一、碳纖維復(fù)合材料簡(jiǎn)介
碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是以碳纖維(織物)或碳化硅等陶瓷纖維(織物)為增強(qiáng)體，以碳為基體的復(fù)合材料的總稱。碳纖維是由有機(jī)纖維如粘膠纖維、聚丙烯晴纖維或?yàn)r青基纖維在保護(hù)氣氛下熱處理碳化成為含碳量90%~100%的纖維。
碳纖維復(fù)合材料主要包括以下幾類：碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、C/C復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料（CFRM）、碳纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料等。碳纖維復(fù)合材料（CFRP）作為一種先進(jìn)的復(fù)合材料，具有重量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車等領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用。
二、碳纖維復(fù)合材料的性能及優(yōu)點(diǎn)
2.1、力學(xué)性能
碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度高，模量大，密度小，具有較高的比強(qiáng)度和很高的比模量。與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，韌度高，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。與同為新型材料的硅基纖維復(fù)合材料相比，碳基纖維的拉伸強(qiáng)度約為其3-7倍。碳基纖維的彈性模量高于硅基纖維，所以碳纖維復(fù)合材料在相同外載荷下，應(yīng)變較小，其制件的剛度比硅基纖維復(fù)合材料制件高。高模量碳纖維的斷裂伸長(zhǎng)率約為0.5%，高強(qiáng)度碳纖維的約為1%，硅基纖維約為2.6%，而環(huán)氧樹脂的約為1.7%，所以碳纖維復(fù)合材料中纖維的強(qiáng)度能得到充分的發(fā)揮。
由于碳纖維的脆性很大，沖擊性能差，所以碳纖維復(fù)合材料的拉伸破壞方式屬于脆性破壞，即在拉斷前沒有明顯的塑性變形，應(yīng)力應(yīng)變曲線為直線，這一點(diǎn)與玻璃纖維相似，只是模量高于、斷裂伸長(zhǎng)率低于玻璃纖維。
2.2、熱性能
碳纖維復(fù)合材料的耐高低溫性能好。在隔絕空氣（惰性氣體保護(hù)下），2000°C仍有強(qiáng)度，液氮下也不脆斷。
碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能好。導(dǎo)熱系數(shù)較高，但隨溫度升高有減小的趨勢(shì)。碳纖維復(fù)合材料沿纖維軸向的導(dǎo)熱系數(shù)為http://m.emrowgh.com（s*cm* °C）；垂直纖維方向的導(dǎo)熱系數(shù)為0.002 cal/（s*cm* °C）。
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碳纖維復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)沿纖維軸向具有負(fù)的溫度效應(yīng)，即隨溫度的升高，碳纖維復(fù)合材料有收縮的趨勢(shì)，尺寸穩(wěn)定好，耐疲勞性好。 2.3、 耐腐蝕性
碳纖維復(fù)合材料除了能被強(qiáng)氧化劑如濃硝酸、次氯酸及重鉻酸鹽氧化外，一般的酸堿對(duì)它的作用很小，比硅基纖維復(fù)合材料具有更好的耐腐蝕性。
碳纖維復(fù)合材料不像硅基纖維復(fù)合材料那樣在濕空氣中會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，具有好的耐水性及耐濕熱老化特性。此外還具有耐油、抗輻射以及減速中字運(yùn)動(dòng)等特性。
2.4、優(yōu)點(diǎn)
綜上所述，碳纖維復(fù)合材料具有重量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸震性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，這些性能都是傳統(tǒng)金屬材料所不具備的特征，相比于其他類型的新型復(fù)合材料也具有較強(qiáng)的性能。這使得碳纖維復(fù)合材料可以在很多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，同時(shí)促進(jìn)碳纖維復(fù)合材料的進(jìn)一步研究，以繼續(xù)提高其使用性能。
三、碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用
碳纖維復(fù)合材料憑借其優(yōu)良的性能，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，主要有航空航天、汽車、結(jié)構(gòu)加固工程、新能源開發(fā)、休閑用品等。
3.1、航空航天
碳纖維復(fù)合材料最初主要應(yīng)用于航天業(yè)，因?yàn)榘l(fā)射航天器的成本與重量成正比關(guān)系，所以如何在保證航天器性能的同時(shí)減輕其重量成為最重要的問題。碳纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、使用溫度范圍高這些優(yōu)點(diǎn)而在航天產(chǎn)業(yè)得到深入的應(yīng)用，從航天器的外殼、內(nèi)設(shè)、結(jié)構(gòu)以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎都是采用碳纖維復(fù)合材料制作而成。近年來(lái)，隨著碳纖維復(fù)合材料制造成本的下降，軍用航空飛機(jī)和民用航空飛機(jī)方面也開始大規(guī)模使用該材料以大幅度減輕機(jī)體機(jī)構(gòu)質(zhì)量、改善氣動(dòng)彈性提高飛機(jī)的綜合性能。根據(jù)美國(guó)復(fù)合材料制造商協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2001年世界上飛機(jī)生產(chǎn)對(duì)碳纖維的需求量約為900-1000t。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前，碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)上的使用量已占70％~80％，在軍用飛機(jī)上占30％~40％，在大型客機(jī)上占15％~50％。以美國(guó)波音公司的B777為例，碳纖維復(fù)合材料在該型號(hào)飛機(jī)上的使用比例達(dá)到9%，這些先進(jìn)復(fù)合材料主要應(yīng)用在飛機(jī)尾翼、襟翼、副翼、天線罩、整流罩、短艙和地板梁等構(gòu)件，具體包括：垂直安定面翼盒、平尾翼盒、方向舵、升降舵、前后緣壁板、地板梁、外側(cè)副翼、外側(cè)襟翼、襟翼、襟副翼、整流包皮、內(nèi)外側(cè)擾流板、后緣壁板、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、發(fā)動(dòng)機(jī)支架整流罩、前起落架艙門、固定前緣、雷達(dá)天線罩等。 3.2、汽車
目前，世界每年生產(chǎn)乘用車5千萬(wàn)輛，若包括卡車和公共汽車為7千萬(wàn)輛，隨著中、印等國(guó)汽
車工業(yè)的快速發(fā)展，不久世界汽車的年產(chǎn)量確可能超過1億輛。另外，目前世界PAN-CF的年產(chǎn)量只有數(shù)萬(wàn)噸，由于CFRP成本高、難加工、成型速度慢及還受再生問題的限制，只能用于航空航天、體育用品和工業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，要想用于汽車上，最重要的是盡快開發(fā)適用于熱塑性樹脂（如聚丙烯等）的具有表面活性的CF以及其CFRTP超高速成型技術(shù)和二次加工技術(shù)，其次當(dāng)CF需求量超過百萬(wàn)噸時(shí)，就要求開發(fā)以生物質(zhì)為原料的CF，盡管目前還有一定難度。再次，當(dāng)達(dá)到這么大規(guī)模時(shí)，需要開發(fā)CFRP的再生和CF高度再利用技術(shù)，還要解決這些材料和有關(guān)成型加工的評(píng)價(jià)和標(biāo)準(zhǔn)化問題。
3.2、汽車
目前，世界每年生產(chǎn)乘用車5千萬(wàn)輛，若包括卡車和公共汽車為7千萬(wàn)輛，隨著中、印等國(guó)汽
車工業(yè)的快速發(fā)展，不久世界汽車的年產(chǎn)量確可能超過1億輛。另外，目前世界PAN-CF的年產(chǎn)量只有數(shù)萬(wàn)噸，由于CFRP成本高、難加工、成型速度慢及還受再生問題的限制，只能用于航空航天、體育用品和工業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，要想用于汽車上，最重要的是盡快開發(fā)適用于熱塑性樹脂（如聚丙烯等）的具有表面活性的CF以及其CFRTP超高速成型技術(shù)和二次加工技術(shù)，其次當(dāng)CF需求量超過百萬(wàn)噸時(shí)，就要求開發(fā)以生物質(zhì)為原料的CF，盡管目前還有一定難度。再次，當(dāng)達(dá)到這么大規(guī)模時(shí)，需要開發(fā)CFRP的再生和CF高度再利用技術(shù)，
還要解決這些材料和有關(guān)成型加工的評(píng)價(jià)和標(biāo)準(zhǔn)化問題。
目前德國(guó)寶馬公司率先在開發(fā)和試驗(yàn)高強(qiáng)度輕量化的CFRP車體板和其它部件，所用CF與Zoltek公司生產(chǎn)的大絲束產(chǎn)品。美國(guó)自90年代后期因?qū)Νh(huán)保問題越來(lái)越重視CF在未來(lái)車輛中的應(yīng)用。1994年美國(guó)政府和工業(yè)部門開始出臺(tái)聯(lián)合開發(fā)先進(jìn)車輛技術(shù)的計(jì)劃（PNGV）。目標(biāo)是改進(jìn)車輛的效能，降低污染物的排放并滿足用戶的各種需求。專家預(yù)測(cè)，未來(lái)環(huán)保型汽車每年所消耗的CF量將以萬(wàn)噸計(jì)。2017年中國(guó)汽車產(chǎn)量將突破年產(chǎn)1千萬(wàn)輛大關(guān)。新型節(jié)能型環(huán)保型汽車是未來(lái)汽車發(fā)展方向。為了和國(guó)際接軌，中國(guó)將來(lái)也必定要大量制造這類汽車，屆時(shí)汽車工業(yè)將成為中國(guó)CFRP的巨大市場(chǎng)。
3.3休閑用品
由于碳纖維復(fù)合材料的超輕質(zhì)量和超高強(qiáng)度，其在休閑用品領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，比如體育運(yùn)動(dòng)器材釣魚桿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、自行車等；電子消費(fèi)產(chǎn)品筆記本外殼、手機(jī)外殼、音箱等。當(dāng)然，隨著碳纖維復(fù)合材料的進(jìn)一步發(fā)展，必然會(huì)有更多的產(chǎn)品采用性能優(yōu)良的碳纖維復(fù)合材料，給人們的生活帶來(lái)更多的便利。
四、碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)
根據(jù)JEC“復(fù)合材料工業(yè)的結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)”一文的預(yù)測(cè)，2017年全球復(fù)合材料的市場(chǎng)為530億歐元，到2017年預(yù)期將增長(zhǎng)至880億歐元，而不同國(guó)家和地區(qū)的市場(chǎng)情況有所不同其中中國(guó)的市場(chǎng)增長(zhǎng)最快，其次是亞太地區(qū)，歐美的增長(zhǎng)點(diǎn)主要在航空、風(fēng)能、船艇及建筑業(yè)方面，目前越來(lái)越多的國(guó)外復(fù)合材料廠家登陸我國(guó)，一批國(guó)外汽車廠商在中國(guó)設(shè)立了研發(fā)中心，以達(dá)到本土化、降低生產(chǎn)成本和占領(lǐng)一席市場(chǎng)的目的。另?yè)?jù)CFRP知名專家Tony Roberts在其著作“2017～2017年全球戰(zhàn)略市場(chǎng)評(píng)估”中預(yù)測(cè)，全球CFRP的產(chǎn)值將從2017年的99億美元增至2017年的136億美元，到2025年可望超過250 億美元，其中波音和空客到2017年的小絲束PAN-CF的用量，將占全球的15%～20 %，其次的大型用戶是風(fēng)能葉片，因此這兩大應(yīng)用領(lǐng)域仍是未來(lái)CF的主導(dǎo)市場(chǎng)。表1示出全球2017～2012年一般工業(yè)領(lǐng)域?qū)F的需求情況。我國(guó)目前正大規(guī)模發(fā)展風(fēng)能，但迄今為止仍采用玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP），今后隨著葉片的大型化，勢(shì)必要發(fā)展混雜的復(fù)合材料制品，即葉片的加強(qiáng)筋及其圓柱形翼根采用CFRP，而其它部位采用GFRP，只有特大型葉片會(huì)考慮采用全CFRP。此外，我國(guó)現(xiàn)正研制大型飛機(jī)，這對(duì)國(guó)內(nèi)CF市場(chǎng)將是巨大的推動(dòng)力。另外，電纜的CFRP加強(qiáng)芯材也將是我國(guó)的大市場(chǎng)，因?yàn)楦邏狠旊婋娎|將不斷延伸至邊遠(yuǎn)地區(qū)�？傊�，到2020年我國(guó)勢(shì)必將成為CF及其CFRP制品的生產(chǎn)大國(guó)。
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