复合材料结构及其成型原理

碳纤维复合材料(西北工业大学机电学院, 陕西西安710072)摘要：碳纤维复合材料与金属材料相比，其密度小、比强度、比模量高，具有优越的成型性和其他特性，具有极大的发展潜力。

本文介绍了碳纤维复合材料的特点及其应用，总结了碳纤维复合材料的成型工艺及每种成型工艺的特点，并从材料和成型两个方面指出了它的发展方向。

关键词：复合材料；碳纤维；成型工艺；工艺流程Carbon Fiber Reinforce Plastic(School of Mechatronics, Northwes tern Polytechnical University, Xi’an710072, China)Abstract: Compared to metals, carbon fiber reinforce plastic has great potential for development with lower density, higher specific strength and modulus, and excellent moldability and other characteristics. This article describes the characteristics and applications of carbon fiber reinforce plastic and sum up the manufacturing process of carbon fiber reinforce plastic and their characteristics. Finally, this article points out the development of carbon fiber reinforce plastic from two aspects: material and manufacturing process.Key words: composites; carbon fiber; manufacturing process; process1引言纤维增强塑料是工程塑料应用的一种重要形式，而碳纤维复合材料就是其中的佼佼者，它以其所具有的低密度、高比强度、高比模量和优越的成型性和其他物理、化学特性在军事、航天、航空、电子等领域被广泛地应用，具有极大的发展潜力。

尤其是在航空领域，碳纤维复合材料构件是航空航天结构中重要的组成部分，常用于飞机的内部骨架以及发动机等零件的固定支架。

所以，进一步研究碳纤维复合材料对发展我国制造业尤其是航空制造业具有重要的意义。

本文从碳纤维复合材料的特点及其应用出发，总结了它的成型工艺及每种成型工艺的特点，并从材料和成型两个方面指出了它的发展方向。

2碳纤维复合材料及其应用2.1碳纤维的结构碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。

碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。

碳纤维比重小，因此有很高的比强度。

碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa 以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。

因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。

与此同时，其力学性能又是其它纤维无法比拟的。

表l给出了碳纤维的力学性能与其它种类纤维的比较。

表1 碳纤维与其它纤维力学性能的比较纤维种类 密度3/cm g 拉伸强度GPa 拉伸弹性模量GPa 性能高强碳纤维 1.50 5.70 280 质轻、高强，大丝束成本低聚乙烯纤维 0.97 2.59 120 超高分子量玄武岩纤维 2.80 3.00~4.80 79~93 耐酸碱，耐高温，密度大E-玻璃纤维 2.55 3.40 72.40 主流增强材料，密度大，模量偏低，耐湿热性能较差 S-玻璃纤维 2.50 4.50 86.92.2 碳纤维复合材料尽管碳纤维可单独使用发挥，但它毕竟属于脆性材料，只有将它与基体材料牢固地结合在一起时，才能有效地发挥其优异的力学性能。

因此，碳纤维可用作复合材料中的增强相[2] ，以提高产品得强度、减轻结构的质量、延长使用寿命和增加安全可靠性。

因此，从国防军工到民用工业，包括航空航天、土木建筑、交通运输等领域，碳纤维复合材料都获得了进一步的应用。

碳纤维在复合材料中用作增强材料时，根据使用目的不同可选用不同的基体材料和复合方式达到要求的复合效果。

碳纤维可用来增强树脂、水泥、橡胶、碳、金属等，而目前使用最多、最广泛的就是树脂基复合材料。

在碳纤维增强树脂基复合材料中，碳纤维起到增强作用，而树脂基体则使复合材料成型为承载外力的整体，并通过界面传递载荷于碳纤维。

所用基体树脂主要分为两大类，一类是热固性树脂(Thermo settings ，TS)，另一类是热塑性树脂(Thermo plastics，TP)。

热固性树脂由反应性、低分子量预聚体或带有活性基团高分子量聚合物组成。

成型过程中，在固化剂或热作用下进行交联、缩聚，形成不熔不溶的交联体型结构。

常用的有环氧树脂、酚醛树脂、双马来亚酰胺树脂等。

热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成，在一定条件下溶解和熔融，只发生物理变化。

常用的有聚乙烯、尼龙、聚醚醚酮等。

2.3碳纤维复合材料的应用碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。

碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。

在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。

碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。

随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。

80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。

由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。

因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。

所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。

有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。

据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。

现在的F1（世界一级方程锦标赛）赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。

顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和结构强度碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。

传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。

碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。

表2为碳纤维的重点开发应用领域；图2为最近几年世界碳纤维的需求量；图3为世界碳纤维按应用领域需求的统计和预测。

表2 碳纤维的重点开发应用领域图2 世界碳纤维的需求量图3 世界碳纤维按应用领域需求的统计3碳纤维复合材料成型工艺成型工艺是将原材料转化为结构件的关键工艺步骤。

碳纤维复合材料的加工成型工艺很多，不同的成型加工技术对制品的性能会带来较大的影响。

目前常用的碳纤维复合材料加工成型工艺主要有：手糊成型(Hand Laying-up)、喷射成型(Spray Moulding)、真空袋成型法、团状模塑料(Dough Molding Compound，DMC)成型、片状模塑料(Sheet Molding Compound，SMC)成型、层压成型(Lamination Process)、热膨胀成型、树脂传递模塑成型(Resin Transfer Molding，RTM)、缠绕成型(Winding Process)、反应注射成型(Reaction Injection Molding，RIM)和拉挤成型(Puhrusion Process)等。

本文重点介绍手糊成型工艺、真空袋成型工艺、热膨胀成型工艺、拉挤成型工艺、RTM成型工艺模压成型工艺。

3.1手糊成型手糊成型[3]是指在模具型腔表面涂布或铺迭脱模剂、胶衣、粘度适中的树脂(胶衣凝胶后涂覆)和碳纤维，手持辊子或刷子使环氧树脂浸渍碳纤维，并驱除气泡，压实基层。

铺层操作反复多次，直到达到制品的设计厚度。

具体工艺流程如图4所示。

图4 手糊成型流程图该工艺的主要优点是：可室温成型；设备投资少，模具折旧费低；上马快，技术较易掌握；无论构件尺度大小，造型如何复杂，都可以制作出来。

主要缺点是：属于劳动密集型生产，制品质量由工人技术熟练程度决定；手糊用树脂分子量低，通常可能较分子量高的树脂对人的健康和安全有害。

3.2真空袋成型真空袋成型法是指在环氧树脂固化时，通过抽真空的方式使袋内复合材料坯件受到均匀压力来制备复合材料制品的成型方法。

其过程为：将手糊或喷射好的积层在环氧树脂的A阶段与模具在一起，在积层上覆以真空袋，周边密封，然后抽真空形成负压，大气通过真空袋对毛坯加压，使积层受到不大于101 kPa的压力而被压实、成型。

真空袋用延展性好、强度高的尼龙膜等材料制成，用粘性的密封胶条与模具粘结在一起，真空袋内通常要放有导气毡以使真空通路畅通。

固化完全后卸模取出制件。

真空袋法封装示意图如图5所示。

图5真空袋法封装示意图其工艺流程如图6所示。

图6 真空袋成型工艺流程图真空袋成型工艺简单，不需要专用设备，常用来制造室温固化的制件，也可在固化炉内成型高、中温的制件。

由于真空袋法产生的压力小，较适用于环氧和聚酯树脂，通常可获得高碳纤维含量的复合材料，碳纤维可较好地浸渍环氧树脂，制出的制品表面光滑，精度较高。

主要缺点是额外的工艺过程增加了劳动力和成本，并且要求操作人员有较高的技术水平；生产效率不高[56] 。

3.3热膨胀成型热膨胀工艺是指复合材料预浸料在闭合刚性阴模中通过硅橡胶芯模的热膨胀来实现对复合材料加压固化的成型工艺方法。

它以热膨胀系数较大的材料为芯模，刚体材料为阴模，复合材料置于芯模与阴模之间。