大丝束碳纤维应用研究
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大丝束碳纤维的主要生产厂商是美国, 其次 为德国和日本。表 1 给出了世界大丝束碳纤维产 能的统计情况, 其产量8. 5 @ 106 kg/ a , 大约是小
表 1 大丝束碳纤维( LT , 24 K ) 产能统 计表
国别ຫໍສະໝຸດ Baidu
生产厂商
产能/ ( 1. 0@ 103 kg#a- 1)
美国
德国 日本
阿克苏( AK ZO - Fort af il) 卓尔泰克( Zolt ek) 阿尔迪拉( A ldiala) 爱斯奇爱尔( SGL) 东丽( Toray)
陈绍杰, 朱 珊: 大丝束碳纤维应用研究
( 2) 从表 2 中还可以看到, 大丝束碳纤维复 合材料的纵向 拉伸 模量、纵向 压缩 模量均 有下 降。纵向拉伸模量下降 13% 左右, 而纵向压缩模 量下降 15% ~ 20% 之间, 这是比较成问题的。分 析其原因, 主要在于树脂改性后, 虽然增加了韧 性, 但降低了模量。
基本性能测试结果详见表 2。
表 2 基本性能测试结果
注: ¹ A 材料体系 ) ) ) PAN EX - 48 K / 5222B。 º B 材料体系 ) ) ) T 300/ QY 8911。 » C 材料体系 ) ) ) T300/ 5222 。
结果分析: ( 1) 从表 2 中可以看到, 大丝束碳纤维复合 材料的纵向拉伸强度、纵向压缩强度稍有下降, 大约在 5% ; 横向压缩强度稍有提高, 应用问题 不大。
3结论
( 1) 比较系统地完成了各种性能的测试, 从 试验结果看, 在强度性能上, 大、小丝束碳纤维 复合材料大体相当, 在刚度( 模量) 性能上, 大丝 束碳纤维复合材料大多低于小丝束碳纤维复合材 料, 其中压缩模量低 15% ~ 20% , 这是比较严重 的。模量低与树脂基体改性增加其韧性有关。
1 关于大丝束碳纤维
碳纤维有大、小丝束之分, 以 K 表示: 1 K 即 1 个丝束含 1 000 根碳纤维, 3 K 为 3 000 根, 12 K 为 12 000 根, 依此类推。何为大丝束, 何 为小丝束, 量化上并无明确的定义, 一般讲, 24 K 以下的为小丝束( Small T ow ) , 24 K 以上的为 大丝束( L arge T ow ) , 如 36 K、48 K 等。小丝束 碳纤维价格较高, 大丝束碳纤维的价格则普遍比 较便宜, 其主要由生产成本决定。
2 性能测试结果及分析
配合协作单位我们首先进行了材料体系的选 择, 经论证选定美国卓尔泰克的 PANEX- 48 K 碳纤维为增强相, 机体树脂选定 5222B, 其为高 温( 180 e ) 固化的改性环氧树脂, 由 5222 环氧树 脂增韧 改性而得。接着, 进 行了工艺成形研究, 其中重要的环节是完成了大丝束碳纤维预浸料的 制造, 最终, 将大丝束碳纤维预浸料固化后的单 层厚度成功地铺到0. 125 m m 厚, 这和小丝束碳 纤维预浸料的 单层 厚度 一样, 方便 了设计 和应 用, 应该说, 这是一个技术上的突破。在此基础 上, 我们进行了各项有关性能的测试研究, 并取 得了良好的结果[ 4] 。
[ 4] 刘宝峰, 等. 大丝束碳纤维复合材料力学性能研究. 高科技 纤维与应用, 2003, 28( 6) : 8.
[ 5] 陈绍杰, 等. 复合材料设计手册. 北京: 北京航空工业出版 社, 1990.
作者简介 陈绍杰(1942 ) ) , 男, 研究员, 主要从事飞机结构设计和先进复 合材料的发展研究工作。 朱 珊(1949 ) ) , 男, 高工, 主要从事飞机结构设计和复合材料 结构设计。
显然成本较低。目前, 世界上极为重视低成本复 合材料技术, 材料成本是其重要方面之一, 而在 材料成本中碳纤维又占主要份额。所以, 开展大 丝束碳纤维的应用研究极有意义, 其意义主要就 在低成本上。其次, 大丝束碳纤维主要为民用开 发, 在世界上处于推广应用之列, 来源容易, 不 会受到封锁[ 1] 。
参考文献
[ 1] 陈绍杰. 先 进复 合材料 的近期 发展 趋势. 高 科技 纤维 与应 用, 2004, 29( 1) : 1.
[ 2] 孙凯英, 等. 聚丙烯基碳纤维市场分析与预测. 高科技纤维 与应用, 2003, 28( 6) : 19.
[ 3] The composit es industry - A n overview , H igh - perf orman ce Composites ourcebook 2003. 7- 19.
Chen Shaojie, Zhu Shan ( Sheny ang Aircraft Design & Research Inst itute, Shenyang 110035, China )
Abstract: Overiew of applicat ion study of large- tow carbon fiber and large- tow carbon fiber composit e mat erial is prov ided in t he paper.
飞机设计第 3 期 2004 年 9 月
其材料成本的优势非常明显。建议先从次承力构 件做起, 逐步推广应用。
( 4) 在先进复合材料的民用领域, 则可大力 推广大丝束碳纤维的应用, 如建筑、汽车、运动 器材、能源( 风机叶片) 等领域。本课题积累的经 验和大量的数据将会为其提供良好的试用、应用 基础。 / 军转民0 乃是当今世界普遍的趋势和潮 流。
陈绍杰, 朱 珊: 大丝束碳纤维应用研究
# 13 #
大丝束碳纤维应用研究
陈绍杰, 朱 珊
( 沈阳飞机设计研究所, 沈阳 110035 ) 摘 要: 给出了大丝束碳纤维及其复合材料应用研究概况。 关键词: 大丝束碳纤维; 复合材料; 应用
Application Study of Large- Tow Carbon Fiber
结果分析: ( 1) 从表 3 中纵向性能的对比情况可见, 大 丝束碳纤维复合材料在环境条件下的拉伸强度、 压缩强度均高于 T 300/ 5222 的, 模量稍低, 但低 的幅度很小。 ( 2) 从表 4 中可见, 环境条件下纵向拉伸强 度有较大提高, 可能是试件性能确有提高所致。 纵向压缩强度稍有下降, 但降幅不大。纵向拉伸 模量、压缩模量均几乎无变化, 情况正常。 213 层压板级性能测试结果及分析 层压板级性能测试结果详见表 5。
目前, 在世界上大丝束碳纤维已打开了应用 之门, 在一些重要的民用领域, 如基础设施、运 动器材、能源( 风机叶片) , 以及汽车等领域均已 开始应用, 预测近期内大丝束碳纤维用量会有所 增长[ 3] 。
大丝束碳纤维在航空航天领域的应用近年来 一直处于积极的评价中, 并已开始有所应用。早 期欧洲 认为大丝 束碳纤维 无法用 到宇航 工业上 来, 因其 / 不能 满足最低的性 能要求0。美国经 评定后准备将 T 700- 12 K 碳纤维( 过去也是民用 产品) 用于通用航空领域, 并接近获得 FAA 的批 准。近期则情况有了变化, 欧洲已开始正式采用 12 K 的碳纤维, A380 超大型客机甚至已采用了 24 K 的碳纤维, 这已是临界于大丝束碳纤维了, 须知过去航空领域只用 3 K 的产品。
表 5 层压板级性能测试结果
注: ¹ 材料体系 A ) ) ) 为 PA N EX- 48 K / 5222B。 º 材料体系 B ) ) ) 为 T300/ 5222, 数据取自5复合材料设 计手册6第五章。
环境条件下性能与常规条件下性能对比的变 化情况见表 4。
注: ¹ 材料体系 A ) ) ) PAN EX - 48 K / 5222B。 º 材料体系 B) ) ) T 300- 3 K / 5222。
飞机结构用 碳纤维, 过去一 直以 3 K 的为 主, 目前, 3 K 碳纤维的国际售价为 50 美元/ 千 克, 国内售价约为 800~ 900 元/ 千克。而美国卓 尔泰克( Zolt ek) 48 K 的 大 丝 束 碳 纤 维, 国 际 售 价仅 为 12~ 15 美元/ 千克, 国内售价约为 150 元 / 千克, 大约只是小丝束碳纤维产品价格的 1/ 5,
Key words: large- tow carbon fiber; composite; applicat ion
/ 十五0 期间, 我们配合北京航空材料研究 院开展了有关大丝束碳纤维及其复合材料在飞机 上的应用研究工作, 工作取得了良好的进展, 现 将获得的主要结果报告如下, 供国内有关应用部 门参考借鉴。
( 2) 目前, 大丝束碳纤维难于用到军机的主 承力构件及次 承力 构件 上, 因 其对 复合材 料强 度、刚度性能的要求较高, 而大丝束碳纤维复合 材料的强度和刚度, 特别是刚度性能无法满足军 机主承力构件及次承力构件的要求。
( 3) 虽然大丝束碳纤维难于用到军机上, 但 是在无人机和通用航空领域可以试用该材料, 因
试验研究中, 我们采用了对比的方法, 所有 的试验结果均和小丝束碳纤维复合材料的性能数
飞机设计第 3 期 2004 年 9 月
据进 行 对 比 分 析, 如 T 300 - 3 K/ QY8911 和 T 300- 3 K/ 5222 的性能数据, 对于后者, 我 们 已有现成的试验数据, 无需重做, 这样既可以节 省时间 和经 费, 又能 通过对 比, 很 好地 说明 问 题[ 5] 。试验过程中, 我们还发现随着成形工艺的 不断成熟, 性能数据越测越好, 后期的结果明显 优于前期的数据。 211 基本性能测试结果及分析
结果分析: ( 1) 所有测试数据均和小丝束碳纤维 复合材 料相当, 多数还稍有提高, 其中纵向压缩强度提高 将近 30% , 似有偶然性。
# 16 #
(2) 纵向压缩模量和剪切模量此次均有较大 提高, 反映了随着成形工艺的成熟, 性能会有稳定 的提高。
在完成材料基本性能数据测 试的基础上, 又 完成了层压板级的性能测 试, 基本遵照国际通行 的/ 积木式方法0 ( BBA) 的作法和理念, 在有限的 条件下完成了上述各项试验工作, 应该说是难能 可贵的。上述只是摘要结果和分析, 详情则请参 见有关试验任务书和分析报告。
3 500 1 800 1 000 1 900 300
收稿日期: 2004- 04- 15
# 14 #
丝束碳纤维总产量的 1/ 3[ 2] 。 国际上有一种流行的说法, / 反复无常的碳
纤维价格, 对你的应 用是一个威胁0。近期, 特 别是进 入 2003 年以 来, 碳纤维 价格 普遍 趋涨, 且供应紧张。在这种情况下, 研究推广大丝束碳 纤维的应用, 更有其特殊的现实意义。
( 3) 大丝 束碳纤 维复 合材 料的 面内剪 切强 度、层间剪切强度均有提高, 这很好; 面内剪切 模量与对比的小丝束碳纤维复合材料相比, 大体 相当, 应用无问题。 212 环境条件下性能测试结果及分析
环境条件下性能测试结果见表 3。
表 3 环境条件下性能测试结果
# 15 #
表 4 环境条件下的性能变化
大丝束碳纤维应用的主要技术问题是在制造 预浸料时, 因丝束较粗不宜展开, 导致单层厚度 增加, 不利于设计调整铺层。此外, 大丝束碳纤 维有粘连、断丝现象, 这样会使强度、刚度受影 响, 性能 有所降 低, 性 能的分 散性 也相应 会较 大。这些问题必须有所克服、解决, 应用上才会 取得较大的进展。
表 1 大丝束碳纤维( LT , 24 K ) 产能统 计表
国别ຫໍສະໝຸດ Baidu
生产厂商
产能/ ( 1. 0@ 103 kg#a- 1)
美国
德国 日本
阿克苏( AK ZO - Fort af il) 卓尔泰克( Zolt ek) 阿尔迪拉( A ldiala) 爱斯奇爱尔( SGL) 东丽( Toray)
陈绍杰, 朱 珊: 大丝束碳纤维应用研究
( 2) 从表 2 中还可以看到, 大丝束碳纤维复 合材料的纵向 拉伸 模量、纵向 压缩 模量均 有下 降。纵向拉伸模量下降 13% 左右, 而纵向压缩模 量下降 15% ~ 20% 之间, 这是比较成问题的。分 析其原因, 主要在于树脂改性后, 虽然增加了韧 性, 但降低了模量。
基本性能测试结果详见表 2。
表 2 基本性能测试结果
注: ¹ A 材料体系 ) ) ) PAN EX - 48 K / 5222B。 º B 材料体系 ) ) ) T 300/ QY 8911。 » C 材料体系 ) ) ) T300/ 5222 。
结果分析: ( 1) 从表 2 中可以看到, 大丝束碳纤维复合 材料的纵向拉伸强度、纵向压缩强度稍有下降, 大约在 5% ; 横向压缩强度稍有提高, 应用问题 不大。
3结论
( 1) 比较系统地完成了各种性能的测试, 从 试验结果看, 在强度性能上, 大、小丝束碳纤维 复合材料大体相当, 在刚度( 模量) 性能上, 大丝 束碳纤维复合材料大多低于小丝束碳纤维复合材 料, 其中压缩模量低 15% ~ 20% , 这是比较严重 的。模量低与树脂基体改性增加其韧性有关。
1 关于大丝束碳纤维
碳纤维有大、小丝束之分, 以 K 表示: 1 K 即 1 个丝束含 1 000 根碳纤维, 3 K 为 3 000 根, 12 K 为 12 000 根, 依此类推。何为大丝束, 何 为小丝束, 量化上并无明确的定义, 一般讲, 24 K 以下的为小丝束( Small T ow ) , 24 K 以上的为 大丝束( L arge T ow ) , 如 36 K、48 K 等。小丝束 碳纤维价格较高, 大丝束碳纤维的价格则普遍比 较便宜, 其主要由生产成本决定。
2 性能测试结果及分析
配合协作单位我们首先进行了材料体系的选 择, 经论证选定美国卓尔泰克的 PANEX- 48 K 碳纤维为增强相, 机体树脂选定 5222B, 其为高 温( 180 e ) 固化的改性环氧树脂, 由 5222 环氧树 脂增韧 改性而得。接着, 进 行了工艺成形研究, 其中重要的环节是完成了大丝束碳纤维预浸料的 制造, 最终, 将大丝束碳纤维预浸料固化后的单 层厚度成功地铺到0. 125 m m 厚, 这和小丝束碳 纤维预浸料的 单层 厚度 一样, 方便 了设计 和应 用, 应该说, 这是一个技术上的突破。在此基础 上, 我们进行了各项有关性能的测试研究, 并取 得了良好的结果[ 4] 。
[ 4] 刘宝峰, 等. 大丝束碳纤维复合材料力学性能研究. 高科技 纤维与应用, 2003, 28( 6) : 8.
[ 5] 陈绍杰, 等. 复合材料设计手册. 北京: 北京航空工业出版 社, 1990.
作者简介 陈绍杰(1942 ) ) , 男, 研究员, 主要从事飞机结构设计和先进复 合材料的发展研究工作。 朱 珊(1949 ) ) , 男, 高工, 主要从事飞机结构设计和复合材料 结构设计。
显然成本较低。目前, 世界上极为重视低成本复 合材料技术, 材料成本是其重要方面之一, 而在 材料成本中碳纤维又占主要份额。所以, 开展大 丝束碳纤维的应用研究极有意义, 其意义主要就 在低成本上。其次, 大丝束碳纤维主要为民用开 发, 在世界上处于推广应用之列, 来源容易, 不 会受到封锁[ 1] 。
参考文献
[ 1] 陈绍杰. 先 进复 合材料 的近期 发展 趋势. 高 科技 纤维 与应 用, 2004, 29( 1) : 1.
[ 2] 孙凯英, 等. 聚丙烯基碳纤维市场分析与预测. 高科技纤维 与应用, 2003, 28( 6) : 19.
[ 3] The composit es industry - A n overview , H igh - perf orman ce Composites ourcebook 2003. 7- 19.
Chen Shaojie, Zhu Shan ( Sheny ang Aircraft Design & Research Inst itute, Shenyang 110035, China )
Abstract: Overiew of applicat ion study of large- tow carbon fiber and large- tow carbon fiber composit e mat erial is prov ided in t he paper.
飞机设计第 3 期 2004 年 9 月
其材料成本的优势非常明显。建议先从次承力构 件做起, 逐步推广应用。
( 4) 在先进复合材料的民用领域, 则可大力 推广大丝束碳纤维的应用, 如建筑、汽车、运动 器材、能源( 风机叶片) 等领域。本课题积累的经 验和大量的数据将会为其提供良好的试用、应用 基础。 / 军转民0 乃是当今世界普遍的趋势和潮 流。
陈绍杰, 朱 珊: 大丝束碳纤维应用研究
# 13 #
大丝束碳纤维应用研究
陈绍杰, 朱 珊
( 沈阳飞机设计研究所, 沈阳 110035 ) 摘 要: 给出了大丝束碳纤维及其复合材料应用研究概况。 关键词: 大丝束碳纤维; 复合材料; 应用
Application Study of Large- Tow Carbon Fiber
结果分析: ( 1) 从表 3 中纵向性能的对比情况可见, 大 丝束碳纤维复合材料在环境条件下的拉伸强度、 压缩强度均高于 T 300/ 5222 的, 模量稍低, 但低 的幅度很小。 ( 2) 从表 4 中可见, 环境条件下纵向拉伸强 度有较大提高, 可能是试件性能确有提高所致。 纵向压缩强度稍有下降, 但降幅不大。纵向拉伸 模量、压缩模量均几乎无变化, 情况正常。 213 层压板级性能测试结果及分析 层压板级性能测试结果详见表 5。
目前, 在世界上大丝束碳纤维已打开了应用 之门, 在一些重要的民用领域, 如基础设施、运 动器材、能源( 风机叶片) , 以及汽车等领域均已 开始应用, 预测近期内大丝束碳纤维用量会有所 增长[ 3] 。
大丝束碳纤维在航空航天领域的应用近年来 一直处于积极的评价中, 并已开始有所应用。早 期欧洲 认为大丝 束碳纤维 无法用 到宇航 工业上 来, 因其 / 不能 满足最低的性 能要求0。美国经 评定后准备将 T 700- 12 K 碳纤维( 过去也是民用 产品) 用于通用航空领域, 并接近获得 FAA 的批 准。近期则情况有了变化, 欧洲已开始正式采用 12 K 的碳纤维, A380 超大型客机甚至已采用了 24 K 的碳纤维, 这已是临界于大丝束碳纤维了, 须知过去航空领域只用 3 K 的产品。
表 5 层压板级性能测试结果
注: ¹ 材料体系 A ) ) ) 为 PA N EX- 48 K / 5222B。 º 材料体系 B ) ) ) 为 T300/ 5222, 数据取自5复合材料设 计手册6第五章。
环境条件下性能与常规条件下性能对比的变 化情况见表 4。
注: ¹ 材料体系 A ) ) ) PAN EX - 48 K / 5222B。 º 材料体系 B) ) ) T 300- 3 K / 5222。
飞机结构用 碳纤维, 过去一 直以 3 K 的为 主, 目前, 3 K 碳纤维的国际售价为 50 美元/ 千 克, 国内售价约为 800~ 900 元/ 千克。而美国卓 尔泰克( Zolt ek) 48 K 的 大 丝 束 碳 纤 维, 国 际 售 价仅 为 12~ 15 美元/ 千克, 国内售价约为 150 元 / 千克, 大约只是小丝束碳纤维产品价格的 1/ 5,
Key words: large- tow carbon fiber; composite; applicat ion
/ 十五0 期间, 我们配合北京航空材料研究 院开展了有关大丝束碳纤维及其复合材料在飞机 上的应用研究工作, 工作取得了良好的进展, 现 将获得的主要结果报告如下, 供国内有关应用部 门参考借鉴。
( 2) 目前, 大丝束碳纤维难于用到军机的主 承力构件及次 承力 构件 上, 因 其对 复合材 料强 度、刚度性能的要求较高, 而大丝束碳纤维复合 材料的强度和刚度, 特别是刚度性能无法满足军 机主承力构件及次承力构件的要求。
( 3) 虽然大丝束碳纤维难于用到军机上, 但 是在无人机和通用航空领域可以试用该材料, 因
试验研究中, 我们采用了对比的方法, 所有 的试验结果均和小丝束碳纤维复合材料的性能数
飞机设计第 3 期 2004 年 9 月
据进 行 对 比 分 析, 如 T 300 - 3 K/ QY8911 和 T 300- 3 K/ 5222 的性能数据, 对于后者, 我 们 已有现成的试验数据, 无需重做, 这样既可以节 省时间 和经 费, 又能 通过对 比, 很 好地 说明 问 题[ 5] 。试验过程中, 我们还发现随着成形工艺的 不断成熟, 性能数据越测越好, 后期的结果明显 优于前期的数据。 211 基本性能测试结果及分析
结果分析: ( 1) 所有测试数据均和小丝束碳纤维 复合材 料相当, 多数还稍有提高, 其中纵向压缩强度提高 将近 30% , 似有偶然性。
# 16 #
(2) 纵向压缩模量和剪切模量此次均有较大 提高, 反映了随着成形工艺的成熟, 性能会有稳定 的提高。
在完成材料基本性能数据测 试的基础上, 又 完成了层压板级的性能测 试, 基本遵照国际通行 的/ 积木式方法0 ( BBA) 的作法和理念, 在有限的 条件下完成了上述各项试验工作, 应该说是难能 可贵的。上述只是摘要结果和分析, 详情则请参 见有关试验任务书和分析报告。
3 500 1 800 1 000 1 900 300
收稿日期: 2004- 04- 15
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丝束碳纤维总产量的 1/ 3[ 2] 。 国际上有一种流行的说法, / 反复无常的碳
纤维价格, 对你的应 用是一个威胁0。近期, 特 别是进 入 2003 年以 来, 碳纤维 价格 普遍 趋涨, 且供应紧张。在这种情况下, 研究推广大丝束碳 纤维的应用, 更有其特殊的现实意义。
( 3) 大丝 束碳纤 维复 合材 料的 面内剪 切强 度、层间剪切强度均有提高, 这很好; 面内剪切 模量与对比的小丝束碳纤维复合材料相比, 大体 相当, 应用无问题。 212 环境条件下性能测试结果及分析
环境条件下性能测试结果见表 3。
表 3 环境条件下性能测试结果
# 15 #
表 4 环境条件下的性能变化
大丝束碳纤维应用的主要技术问题是在制造 预浸料时, 因丝束较粗不宜展开, 导致单层厚度 增加, 不利于设计调整铺层。此外, 大丝束碳纤 维有粘连、断丝现象, 这样会使强度、刚度受影 响, 性能 有所降 低, 性 能的分 散性 也相应 会较 大。这些问题必须有所克服、解决, 应用上才会 取得较大的进展。