碳纤维复合材料在轻量化的应用和前景

碳纤维复合材料在轻量化的应用和前景

摘要：碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量特种纤维，但几乎所有的碳纤维都将进一步加工成复合材料以供终端使用。碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料，以树脂、金属、陶瓷等作为基体材料，经过复合成型制成的结构材料，与传统的金属材料相比，其具有密度小、比强度／比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、便于设计、易于大面积整体成型加工等优点。目前，碳纤维复合材料在我国的各个领域得到了广泛应用，基于此，文章对碳纤维复合材料在轻量化的应用于发展前景进行了研究，以供参考。

关键词：碳纤维复合材料；轻量化；应用研究

1不同型号碳纤维对比

碳纤维作为具有优越性质的复合材料之一，其具备高强度、高模量、耐腐蚀等性能，在军用及民用等方面均具有广阔的发展前景。但由于国外碳纤维的研究起步较早，同时又受到来自美国、日本等国家的技术垄断，导致我国的碳纤维生产技术相对落后。近年来，我国在碳纤维生产方面投入了大量资金，生产技术与研发等方面已取得阶段性成果。本文分别选取了T700级碳纤维、T800级碳纤维和东丽T700级碳纤维对其性能进行对比研究。

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T700级碳纤维

国产T700级碳纤维表面相对粗糙，有颗粒依附，沟槽结构多，粗糙度较高，虽然有利于树脂基体之间浸润性的提高，但可能会降低产品性能的稳定性;表面氧碳含量较高有利于与树脂基体的结合;界面剪切强度与层间剪切强度相对较高，与进口碳纤维的力学特性不相上下;产品价格低于进口碳纤维，较高的性价比有利于提升其在碳纤维市场的竞争力。

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T800级碳纤维

国产T800级碳纤维表面较为光滑，沟槽结构浅而细，凸起结构较少，产品性能较稳定;表面含氧量较高，能够有效提高表面的化学活性;可以表明:国产T800级碳纤维界面剪切强度、拉伸强度相对较高，其具有良好的力学性能。另一方面国产T800级碳纤维质量控制较稳定，与环氧树脂融合性较好。

1.3东丽T700级碳纤维

东丽T700碳纤维分为T700S和T700G两种型号。T700S型号表面光滑，无明显沟槽结构，凸起结构少，拉伸模量高;表面石墨化程度高，碳纤维排布有序度高，提高了碳纤维的拉伸模量;碳纤维界面剪切强度高，力学性能优越。而T700G 在T700S的基础上提升了碳纤维的模量和性能，应用更加广泛，市场竞争的优势会更大。

2碳纤维复合材料成型工艺

2.1模压成型工艺

模压成型是复合材料生产中一种传统常用的成型方法，由普通的塑料制品模压成型演变而来。工艺流程为：将碳纤维预浸料置于上下模之间，合模将模具置于液压成型台上，经过一定时间的高温高压使树脂固化后，取下CFRP制品。这种成型技术具有高效、制件质量好、尺寸精度高、受环境影响小等优点，适用于批量化、强度高的复合材料制件的成型，其缺点是前期模具制造复杂，投入高，且制件大小受压机尺寸的限制。

2.2热压罐成型工艺

热压罐成型是最早开发用于航空结构复合材料制造并仍普遍使用的一种技术，特别是针对于一些大尺寸、形状复杂的制件。热压罐成型工艺流程为：将单层预浸料按预定方向铺叠成的复合材料坯料放在热压罐内，在一定温度和压力下完成固化过程。这种成型工艺采用的原料也是碳纤维预浸料中间体，其具有可固化不同厚度的层合板、可制造复杂曲面零件、使用范围广泛、工艺稳定可靠等优点，

但也存在设备投资成本高、工艺生产成本高、制品大小受热压罐尺寸限制等缺点，适用于制造飞机舱门、整流罩、机载雷达罩，支架、机翼、尾翼等产品。

2.3树脂转移模塑成型工艺

树脂转移模塑成型(RTM)技术是一种低成本复合材料的制造方法，最初主要用于飞机次承力结构件，如舱门和检查口盖，现已经成为近几年航空航天材料加工、汽车组件装配领域研究最为活跃的方向之一。RTM技术具有高效、低成本、制件质量好、尺寸精度高等优点，可应用于体积大、结构复杂、强度高的复合材料制件的成型。RTM工艺的主要原理是在模腔(模腔需要预先制作成特定尺寸)中铺放按性能和结构要求设计的增强材料预成形体，在一定压力范围内，采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔，通过树脂与增强体的浸润固化成型。它是一种不采用预浸料，也不采用热压罐的成形方法。RTM主要的派生技术有真空导入模塑工艺、柔性辅助RTM、共注射RTM及高压RTM(HP—RTM)等。其中，HP—RTM 采用预成型件、钢模、真空辅助排气，高压注射和高压下完成高性能热固性复合材料的浸渍和固化工艺，实现低成本、短周期(大批量)、高质量生产，宝马在德国兰茨胡特工厂的碳纤维车身生产便是采用该工艺，康得复材年产150万件碳纤维复合材料部件项目也将采用该工艺。HP—RTM可以生产高质量、高精度、低孔隙率、高纤维含量的复杂复合材料构件，具有生产效率高、数分钟内即可固化、模具产品采用CAD设计、制造容易并可多次使用等优点。

3碳纤维复合材料在轻量化的应用

轻量化研究是现代材料设计制造的一大主流，随着节能减排要求的提高，轻量化材料在各领域的应用将会更为广泛。轻量化材料是未来的重要发展趋势，这正是这个领域目前所面临的巨大变化的一个重要方面。因为随着化石燃料储量不断减少，传统的机动化及金属材料使用即将达到极限。日益增加的二氧化碳排放对气候和环境造成了威胁，那么轻量化的需求将会越来越大，碳纤维复合材料面对全世界不断增长的轻量化市场将会是全新的一次挑战。另一方面碳纤维具有优异的力学性能、环境稳定性和轻质性，是材料领域的轻质、高强高模的典型代表。就材料性能而言，碳纤维复合材料是目前最理想的、可应用最广泛的轻量化材料。

3.1在航空航天领域中的应用

碳纤维复合材料已成为21世纪不可缺少的新型制造材料，高性能碳纤维复合材料以轻质、高强等特性能够满足高性能航空、航天飞行器的使用要求，在航空航天领域广泛应用，且目前仍然是其研发应用的重点。近年来，在航空航天等领域受到越来越多的关注。由于碳纤维复合材料有着很好的耐烧蚀，耐高温等优越性能，能有效地解决飞行器因启动加热带来的高温冲刷，在飞行器的热防护方面有着其他材料不可比拟的作用。碳纤维复合材料制成的火箭可以将噪声降低到最低水平。与相同体积的复合材料相比，可以减少大量的动能损失。据报道航天飞行器质量每减轻1kg，可减少运载火箭质量500kg，其能耗也将会降到最低水平。将碳纤维应用于火箭发动机喷管可以减轻20%～30%的质量，能够有效提高复合材料的应用效率。在航空领域，我国碳纤维复合材料的生产和应用主要是歼击机的机身、机翼等部件。由于碳纤维复合材料密度小，大大减轻了战斗机的质量，减少了能耗，使战斗机的作战时间得到了有效延长。采用碳纤维复合材料将大大减轻战机质量，实现轻量化，增加飞行时间。这在大型飞机上更为明显。在大型飞机的研制过程中，克服重力是最重要的因素。

3.2在汽车领域中的应用

汽车轻量化技术主要包括轻量化材料应用、结构优化设计和改进制造工艺三方面。轻量化材料应用是汽车轻量化最直接有效的方法。常见的轻量化材料包括高强钢、铝镁合金等金属材料，以及工程塑料和复合材料为代表的非金属材料。在具体车型的工程开发过程中，可根据车型定位、成本目标、开发周期、生产效率等要求，选择合适的材料，应用于合适的部件。碳纤维增强复合材料的密度远低于钢、铝等车身常用金属材料，比强度和比刚度远高于铝镁合金和高强钢，可以广泛应用于车身覆盖件、内饰件、动力系统、底盘系统、车身结构件等部件，替代传统金属材料，达到轻量化的目的。此外，碳纤维复合材料还具有耐腐蚀、吸音、降噪、隔热、可导电等特性，在汽车工业中具有广泛的潜在应用价值。如使用缠绕工艺可生产碳纤维复合材料传动轴，在轻量化同时，还具有抗阻尼性好、临界转速提高、不锈蚀等优点。利用碳纤维可导电特性，有厂家已研发出可以储存电能的碳纤维复合材料，用储电材料替代电动汽车的金属车门、顶盖、发动机