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碳纖維復(fù)合材料范文第1篇

在現(xiàn)階段發(fā)電部門重點(diǎn)研究的技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電是其中的重要組成，在環(huán)保和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)揮了至關(guān)重要作用，其未來的發(fā)展也將不可限量。在運(yùn)用風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電時，離不開風(fēng)能和風(fēng)電葉片的運(yùn)用，在風(fēng)電機(jī)的組成部分中，葉片是非常重要的部分，其與眾多領(lǐng)域都有著密切聯(lián)系，葉片的優(yōu)化能夠提升電能的轉(zhuǎn)化效率。通常情況下，葉片長度與風(fēng)機(jī)功率為正比例關(guān)系，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)功率的提高，設(shè)計(jì)人員在對葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)時，會增加其長度，同時，也加大了葉片重量。為了促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的良好發(fā)展，在加大葉片長度時，還應(yīng)當(dāng)對葉片制作成本進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)制作成本的降低。 

2 風(fēng)電葉片碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用 

2.1 主梁帽 

現(xiàn)階段，對于風(fēng)機(jī)葉片來說，主梁帽是碳纖維最主要的應(yīng)用部位，通過運(yùn)用GFRP主梁帽，能夠有效提升葉片鋼度，與此同時，能夠?qū)崿F(xiàn)葉片重量的明顯降低。根據(jù)國外有關(guān)專利及研究的相關(guān)報道，在葉片主梁帽的局部位置中，部分企業(yè)能夠?qū)μ祭w維進(jìn)行運(yùn)用。2004年，在GEC設(shè)計(jì)的50m的風(fēng)電葉片中，50%總長度的葉片主梁帽是由CFRP組成的，與全GFRP的風(fēng)電葉片相比較，關(guān)于葉片主梁帽的厚度方面，減少了將近一半，關(guān)于葉片的重量方面，由9790kg下降到8236kg，減少了16%的重量，在葉根部位處，重力誘導(dǎo)彎矩縮減了26%。在這樣的結(jié)構(gòu)內(nèi)，從全玻璃纖維過渡到全碳纖維復(fù)合材料的過程中則需要注意做好應(yīng)變和剛度的優(yōu)化，過渡區(qū)材料匹配問題。 

2.2 蒙皮表面 

在整個蒙皮表面都可以運(yùn)用的碳纖維，能夠?qū)?nèi)支撐梁上的受力與扭矩作用進(jìn)行減少，利用相關(guān)的設(shè)計(jì)工作，“材料誘導(dǎo)式”的葉片受災(zāi)扭曲耦合就能夠完成。根據(jù)NEG麥康公司的有關(guān)專利報道，在對葉片蒙皮橫截面外部圓周的薄層進(jìn)行加固時，60%～85%的葉片總長度都是用CFRP條來進(jìn)行加固的，利用這個薄層，能夠?qū)⒚善さ挚估蛪毫π阅苓M(jìn)行顯著提升。此外，根據(jù)其他相關(guān)專利報道，在對葉片迎風(fēng)面錳鐵進(jìn)行制作時，全部采用GFRP來完成，在對主要承受壓縮荷載的背風(fēng)面蒙皮進(jìn)行制作時，則是通過運(yùn)用碳纖維或玻璃纖維復(fù)合材料來完成。 

2.3 葉片根部 

在對葉片根部位置進(jìn)行制作時，通過運(yùn)用碳纖維材料能夠起到兩方面作用，一方面關(guān)于根部材料的鍛煉強(qiáng)度和承載強(qiáng)度方面，能夠明顯提升根部材料的鍛煉強(qiáng)度和承載強(qiáng)度，明顯降低施加在螺栓上的動態(tài)載荷性能，另一方面能夠使葉跟法蘭處的螺栓數(shù)量增多，有利于鞏固葉片與輪轂連接處的性能，能夠?qū)⒃撨B接處靜態(tài)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行提升。 

2.4 葉片前后緣防雷系統(tǒng) 

根據(jù)國外有關(guān)專利的相關(guān)報道，在葉片前緣及后緣位置處，利用碳纖維來進(jìn)行制作，通過碳纖維會對葉片剛度和葉片質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，能夠?qū)⑷~片高度進(jìn)行明顯提升，與此同時，也能夠?qū)⑷~片質(zhì)量進(jìn)行降低，除此之外，經(jīng)過特殊的設(shè)計(jì)工作，還具備一些特殊性能，能夠?qū)θ~片起到很好保護(hù)作用，通過特殊設(shè)計(jì)工作的開展，能夠使葉片高效避免雷擊損傷，避免雷擊對葉片性能進(jìn)行破壞，能夠使葉片的相關(guān)性能得到很好保障。 

2.5 靠近葉尖部分 

根據(jù)LM公司有關(guān)專利的相關(guān)報道，在25%至50%的整體葉片長度，也就是靠近葉尖的部分中，在對這個部分進(jìn)行制作時，通過利用CFRP來完成，在葉根部位的臨近處，則是通過利用GFRP來制作完成，在中間過渡區(qū)域中，通過GFRP來逐步取代CFRP。利用CFRP來對臨近葉尖位置處進(jìn)行制作，其具有較少重量，可以利用比較少的材料，對葉根臨近部位進(jìn)行制作，這樣能夠?qū)⑤嗇炆系呢?fù)載性能進(jìn)行降低。除此之外，在具有較大高度的葉尖位置處，可以對其采取相關(guān)減小方法與措施，這樣可以使葉片振動方向和強(qiáng)度得到保證，當(dāng)葉片出現(xiàn)偏振狀況時，特別是偏振情況比較強(qiáng)烈時，在很大程度上，能夠?qū)е氯~片尖部對桿塔位置進(jìn)行擊打，一旦出現(xiàn)這種情況，就會對機(jī)械設(shè)備和人員安全問題產(chǎn)生威脅。在相對較低剛度的葉根位置上以及相對比較硬的葉尖部位處，就會促進(jìn)偏斜形狀形成，這樣就能夠提升氣動阻尼，通過氣動阻尼的不斷增加，能夠?qū)鈩虞d荷性能進(jìn)行降低。此外，利用中間過渡區(qū)域，能夠使CFRP與GFRP中間剛度突發(fā)變化，而造成的應(yīng)力集中情況得到很好避免。 

3 結(jié)語 

風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)日漸成為電力行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)研究項(xiàng)目，通過風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電則可以對能源予以利用，并到達(dá)更好的電能發(fā)電效果。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)之中，不僅能夠增加風(fēng)機(jī)的功率，而且能夠增加減小葉片碰撞塔架的概率，對于發(fā)電效果的優(yōu)化和提升具有重要影響。相關(guān)人員還要就此方面予以深入研究，讓碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用成為風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)常態(tài)，讓我國的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)得以長足發(fā)展。 

參考文獻(xiàn)： 

碳纖維復(fù)合材料范文第2篇

【關(guān)鍵詞】 碳纖維 表面處理 界面性能 抗彎強(qiáng)度

1 前言

與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、汽車、體育等領(lǐng)域。

碳纖維是有機(jī)纖維在惰性氣氛中經(jīng)高溫碳化和石墨化制成的纖維狀碳，它具有亂層石墨結(jié)構(gòu)，其密度僅為鋼密度的1/4，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，熱穩(wěn)定性，是一種高性能的先進(jìn)非金屬增強(qiáng)材料。

盡管碳纖維性能優(yōu)異，但，由于其屬脆性材料，單獨(dú)使用，許多性能無法得到充分的發(fā)揮。只有與其它基體材料結(jié)合成復(fù)合材料，材料性能形成互補(bǔ)，才能有效發(fā)揮其優(yōu)異的力學(xué)性能，因此，碳纖維在復(fù)合材料中被用作增強(qiáng)相。

用作復(fù)合材料的樹脂基可分為兩大類，一類是熱固性樹脂，另一類是熱塑性樹脂。熱固性樹脂由反應(yīng)性低分子量預(yù)聚體或帶有活性基團(tuán)的高分子量聚合物組成；成型時，在固化劑或熱作用下進(jìn)行交聯(lián)、縮聚，形成具有網(wǎng)狀交聯(lián)體結(jié)構(gòu)。常見的有環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂以及酚醛樹脂等。熱塑性樹脂由線型高分子量聚合物組成，在溫度超過熔點(diǎn)時熔融，具有流變性，屬物理變化。常見的有聚乙烯、尼龍、聚四氟乙烯等。

復(fù)合材料的界面由增強(qiáng)材料表面與基體材料表面相互作用形成的，它包含兩相之間的過渡區(qū)域，界面相內(nèi)的化學(xué)組成、分子排列、熱性能、力學(xué)性能呈連續(xù)梯度性變化。界面相的結(jié)構(gòu)由增強(qiáng)材料與基體材料表面的組成及二者之間的反應(yīng)性能決定的，因此纖維表現(xiàn)處理的結(jié)果將影響復(fù)合材料的性能。

通過纖維表面處理可以增強(qiáng)纖維表面的化學(xué)活性與物理活性，從而增加其與基體間的結(jié)合或粘結(jié)。目前，對纖維表面處理主要有空氣氧化法、液相氧化法、等離子體氧化法和電化學(xué)氧化法等方法。本文采用濃酸氧化處理、電化學(xué)處理方法對碳纖維表面進(jìn)行處理，并利用SEM對比觀察了處理前后纖維表面的形貌，研究碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方法及條件

2.1 碳纖維表面處理過程

2.1.1 濃硝酸氧化處理

將一定長長的碳纖維置于濃硝酸溶液中，在室溫條件下分別處理30、60、90分鐘，然后經(jīng)自來水、純凈水清洗數(shù)遍，干燥，既得到表面處理后的碳纖維。

2.1.2 電化學(xué)表面處理

配制一定濃度的稀酸溶液作為電解液，將清洗過的碳纖維作為陽極，在電解槽內(nèi)進(jìn)行陽極氧化表面處理，通電電壓分別取1.2V、4.8V、10V和15V，處理時間為5min和10min，之后再經(jīng)清洗、干燥，得到表面處理后的碳纖維。

2.2 抗彎強(qiáng)度測試

將表面處理的碳纖維與樹脂粘結(jié)，熱處理后，固定在沉積爐的兩個電極上，通電加熱至800～1100℃，沉積時間4～6h。

將試樣加工成5mm×5mm×30mm，每組5個，采用三點(diǎn)彎曲法測試試樣的抗彎強(qiáng)度，取5個數(shù)值的平均值作為每組試樣的測試結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 濃硝酸表面處理時間長短對復(fù)合材料單向抗彎強(qiáng)度的影響

從表1中可以看出，碳纖維處理60分鐘后，所制備的復(fù)合材料強(qiáng)度增幅最大，30分鐘下，強(qiáng)度基本沒變，90分鐘強(qiáng)度有所增加。液相氧化的作用主要在于除去纖維表面的漿層，對纖維的強(qiáng)度沒有明顯的影響。復(fù)合材料強(qiáng)度的提高是因?yàn)楸砻鏉{層除去后，纖維表面的粗糙度增加，增加了快速升溫過程中熱解碳與纖維的親和力和粘結(jié)強(qiáng)度。

3.2 電化學(xué)處理對復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度的影響

碳纖維電化學(xué)處理過程易操作，（表2）為纖維表面電化學(xué)處理不同條件下單向復(fù)合材料的強(qiáng)度值，從處理結(jié)果可見，處理電壓和時間變化對制備的復(fù)合材料的抗彎性能影響較大。在電壓4.8V、10min處理?xiàng)l件時，由處理纖維制備的復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度比未處理的低3.6MPa，且電壓升高至10V時，復(fù)合材料抗彎性能進(jìn)一步惡化。

（圖1）為不同處理碳纖維所制備的復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度變化曲線，從中可以得出，采取5分鐘處理，復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度變化均勻，基本呈線性降低，而10分鐘處理后，材料強(qiáng)度隨電壓增大降低幅度增大，這說明短時間電化學(xué)處理對纖維表面作用較溫和，且處理效果隨電壓的增大，10分鐘處理較5分鐘處理強(qiáng)度降低幅度較大。這是由于高壓長時間處理?xiàng)l件下，纖維表面破壞較嚴(yán)重，從而使得復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。

4 結(jié)論

（1）碳纖維表面經(jīng)濃硝酸處理后，表面漿層去除，溝槽進(jìn)一步加深加寬，表面粗糙度和比表面積增加，有利于復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度的提高。但處理時間過長，纖維表面出現(xiàn)不同程度的損傷，這對提高材料強(qiáng)度是不利的。

（2）通過對纖維表面電化學(xué)處理的研究得知，采用低電壓，短時間的處理?xiàng)l件，對碳纖維表面較溫和，有效地提高了Cf/C復(fù)合材料的抗彎性能；高電壓或長時間處理時，纖維表面出現(xiàn)“松樹皮”狀凸起，此時纖維本體受損嚴(yán)重，降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

（3）對比濃硝酸氧化處理，電化學(xué)處理時間短，增強(qiáng)效果較明顯，電化學(xué)對纖維表面作用包含至少除去薄弱外層和表面氧化刻蝕兩種機(jī)理，甚至過程更為復(fù)雜。

參考文獻(xiàn)

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碳纖維復(fù)合材料范文第3篇

碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，被譽(yù)為黑色黃金。它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。碳纖維不僅自重輕、強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定，同時它易于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過對纖維排列不同取向可以滿足不同的需求，是結(jié)構(gòu)類應(yīng)用首選材料。環(huán)氧樹脂形式多樣，應(yīng)用方便，固化后尺寸穩(wěn)定，收縮性低，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，耐酸堿。兩者結(jié)合后稱為碳纖維-環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，也就是碳素復(fù)合材料，成為當(dāng)今新一代的材料之王，是各類運(yùn)動器材的首選材料。

減重

自行車的功能從交通工具進(jìn)入到騎行運(yùn)動、休閑健身后，碳素復(fù)合材料作為首選材料完全能滿足騎行運(yùn)動、休閑健身所需求的自重更輕，強(qiáng)度更高，騎行感覺更佳的訴求。實(shí)踐證明，以碳纖維復(fù)合材料替代鋼或鋁金屬材料，減重效率可達(dá)20%～30%，應(yīng)用在自行車上，自重減輕30%，相當(dāng)于增加有效騎行力45%以上。據(jù)專業(yè)測算，對一輛結(jié)構(gòu)相同的自行車，若重量相差四磅（約合1.8公斤），同一運(yùn)動員在兩公里的行程中，重的那輛要慢193英尺（約58.82米）。難怪業(yè)界人士常有自行車重量降低一克，賣價可提高一美元的說法。

高強(qiáng)

除了為自行車減重，碳纖維復(fù)合材料也大大提高了車身的整體剛度，增加安全性。碳纖維復(fù)合材料中基體是以連續(xù)相形式包圍著大量獨(dú)立存在的纖維，這種由多相組成的材料在受到?jīng)_撞時，即使有少量的纖維斷裂，其載荷會迅速重新分配到未破壞的纖維上，使結(jié)構(gòu)還能承載原有的重量，大大提高了騎乘的安全性。而一般金屬材料的疲勞破壞是沒有明顯征兆的突發(fā)性破壞。研究表明，碳纖維復(fù)合材料車架耐沖撞試驗(yàn)可達(dá)百萬次以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的十萬次標(biāo)準(zhǔn)。

減震

碳素材料的優(yōu)勢還不止于此。碳素復(fù)合材料的應(yīng)用還顯著改進(jìn)了自行車的抗震性。剛度好的車架有利于驅(qū)動力的轉(zhuǎn)換，操縱性能的提高。碳纖維復(fù)合材料自行車結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，不易變形，而且減震效果突出。據(jù)報道，對形狀與尺寸相同的車架進(jìn)行試驗(yàn)表明，鋁合金車架需要9秒才能停止振動，而碳纖維復(fù)合材料車架只需2.5秒就可停止，復(fù)合材料良好的阻尼性減輕了自行車的顛簸。不僅如此，和金屬相比，碳纖維制成的自行車還具有良好的耐銹蝕性。高分子材料的耐酸堿、工業(yè)大氣下性能良好，因此使用碳纖維樹脂基復(fù)合材料制成的自行車零部件有無可置疑的耐環(huán)境性能。

碳素纖維復(fù)合材料在自行車中的應(yīng)用

碳素復(fù)合材料主要應(yīng)用在車架及結(jié)構(gòu)性部件上。車架是自行車的靈魂，一輛綜合性能卓越的自行車，必然有一個高性能的車架。碳素復(fù)合材料車架具有材料本身減重效應(yīng)明顯，重量超輕，應(yīng)用后將碳素復(fù)合材料的高模量、高強(qiáng)度發(fā)揮得淋漓盡致，能吸收地面的沖擊力，踩踏的反撥力快，幾乎沒有疲勞性等特點(diǎn)，是理想的自行車車架素材，成為運(yùn)動競技自行車的最佳材料選項(xiàng)。雖然具有優(yōu)異的性能，但是復(fù)合材料自行車的設(shè)計(jì)和制造也遠(yuǎn)比一般金屬材料自行車要更為復(fù)雜。

碳纖車架，主要技術(shù)點(diǎn)在于應(yīng)力方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)工程師綜合模擬并測試車架各方向的受力情況后，科學(xué)地進(jìn)行碳素復(fù)合材料的疊層的排列與設(shè)計(jì)，并結(jié)合車架管形的設(shè)計(jì)，傳動模擬，試驗(yàn)驗(yàn)證后最終能獲取科學(xué)數(shù)據(jù)，制造出高性能的車架。

在制作工藝上，需要首先將碳纖維與環(huán)氧樹脂結(jié)合后形成碳素復(fù)合材料的預(yù)浸材料。材料經(jīng)裁剪、卷制、熱固化成型等工藝制成毛胚，再經(jīng)打磨、拋光工藝才能最后制成成品車架。碳纖車架需求的多樣化與市場化，使得車架成型技術(shù)也經(jīng)歷著不斷的優(yōu)化創(chuàng)新，部件分體成型法、一體成型法、氣袋內(nèi)壓成型法、硅膠內(nèi)蕊成型法、真空外壓成型法、混合工藝成型法等都是較有代表性的制造工藝。

1974年，美國Apex Proto公司制造了一只薄壁不銹鋼接頭粘合的碳纖維復(fù)合材料自行車車架，1976年Exxon公司制造了石墨纖維和鋁復(fù)合的Graftek G-1車架。但由于研究、開發(fā)和銷售這些復(fù)合材料的車架費(fèi)用巨大，無利可圖，最終只能停產(chǎn)。1980年，法國TVT工廠第一次出售了復(fù)合材料自行車車架。1986年CCI公司設(shè)計(jì)的復(fù)合材料車架Kestre14000由于設(shè)計(jì)獨(dú)特、造型新穎在業(yè)內(nèi)產(chǎn)生了轟動。1987年，美國Treak公司推出Trek2500型復(fù)合材料車架獲得了市場成功。此后，Peugeot、Vi、R-aleigh等美國公司也積極開始了復(fù)合材料自行車的設(shè)計(jì)制造。日本、臺灣也都建立起了復(fù)合材料自行車生產(chǎn)線，達(dá)到年產(chǎn)五萬輛以上的規(guī)模。

近年來，日本、美國、西歐及中國臺灣利用對飛機(jī)部件的設(shè)計(jì)制造方法，分析了車架的應(yīng)力承受情況，對受力較大的部位予以增強(qiáng)，更符合空氣動力學(xué)要求。用內(nèi)部加壓注塑的方法制成的整體式碳纖維車架，整個自行車的重量可控制在7.5公斤左右，較管狀粘接的車架輕20%，而剛性與鉻鉬車架相當(dāng)，可以避免粘接問題，擺脫了傳統(tǒng)的菱形車架模式，制造更趨于流線型、多樣化。通過在樹脂中添加適量染料，還可使產(chǎn)品表面更加艷麗。

除了車架，車輪是復(fù)合材料在自行車產(chǎn)品應(yīng)用中的又一項(xiàng)成功。日本新日鐵公司開發(fā)的自行車后輪，設(shè)計(jì)為采用乙烯樹脂片材中加入芳酰胺纖維結(jié)構(gòu)的碟輪。還有杜邦公司的三輻輪復(fù)合材料車輪，輻條也是用復(fù)合材料制作。輻條的外形采用前緣鈍，后緣薄，使車輪在運(yùn)動時產(chǎn)生最大的空氣動力效果。輪緣部位設(shè)計(jì)為翼型，使輪緣作為前緣和后緣時都具有空氣動力的效果。這樣設(shè)計(jì)制造的復(fù)合材料空氣動力車輪不僅重量更輕，在速度、強(qiáng)度、剛性等測試中均較鋼絲車輪有更佳的表現(xiàn)。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中隊(duì)騎行者遇到的空氣阻力進(jìn)行分析比較，在保持載荷的同時可以將比賽速度提高1-2km/h。

隨著自行車競技運(yùn)動的發(fā)展以及綠色騎游文化的普及，碳素復(fù)合材料在競技自行車領(lǐng)域、高檔通行自行車領(lǐng)域應(yīng)用呈現(xiàn)普及化，也帶動了技術(shù)、工藝、質(zhì)量等方面的全面提升。碳素復(fù)合纖維輪胎、碳素復(fù)合纖維車把、碳素復(fù)合纖維輪轂、碳素復(fù)合纖維前叉、碳素復(fù)合纖維避震器，復(fù)合材料等組件可謂比比皆是。根據(jù)不同部件使用要求和特點(diǎn)開發(fā)的新型復(fù)合材料也呈爆炸式發(fā)展。相應(yīng)的，復(fù)合材料的蓬勃發(fā)展也加快了自行車產(chǎn)品的技術(shù)革新，新材料制作的新產(chǎn)品如雨后春筍應(yīng)運(yùn)而生。德國Karbon Kinetic-sLtd.公司推出的復(fù)合材料自行車就是基于全球著名的工程熱塑性材料供應(yīng)商沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新公司出品的LNP VertonRV00CE特種復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造。該材料不僅被應(yīng)用于自行車領(lǐng)域，在雪鞋等要求堅(jiān)固耐用、質(zhì)輕減震的運(yùn)動用品中均有上佳表現(xiàn)。

市場前景

碳纖維材料在發(fā)明之初主要應(yīng)用在以航空航天為首的國防軍工領(lǐng)域中，作為重要的國防戰(zhàn)略物資屬于技術(shù)密集型和政治敏感的關(guān)鍵材料。碳纖維不僅價格昂貴且技術(shù)保密，成為民用普及的瓶頸。目前世界碳纖維產(chǎn)量達(dá)到4萬噸／年以上，全世界主要是日本東麗、東邦人造絲和三菱人造絲三家公司，美國的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德國SGL西格里集團(tuán)、韓國泰光產(chǎn)業(yè)和臺灣省的臺塑集團(tuán)等少數(shù)單位掌握了碳纖維生產(chǎn)的核心技術(shù)，并且有規(guī)?；笊a(chǎn)。各大碳纖維生產(chǎn)公司在冷戰(zhàn)后除了擴(kuò)大產(chǎn)能、研發(fā)新產(chǎn)品外，也都致力于降低碳纖維價格。據(jù)美國巖石山研究所對碳纖維作出的研究分析，只有當(dāng)碳纖維價格降至每千克16.5美元以下才與鋼材相比具有競爭力。而目前日本東麗公司的T700價格較鋼材貴一倍還多。

競技體育更關(guān)注性能，是高新技術(shù)民用化的前哨戰(zhàn)和試驗(yàn)場。目前所有的比賽用車，無論是山地車或是室內(nèi)自行車都幾乎是碳素材料的天下，今年亮相的環(huán)法自行車賽比賽用車也都是清一色的碳素材料產(chǎn)品。但國外生產(chǎn)研制廠家在普及碳纖維自行車應(yīng)用的同時，為增強(qiáng)企業(yè)的高科技形象，大多都是以發(fā)展碳纖維自行車的高檔化與新穎性方面為重點(diǎn)，很少考慮成本。以美國德耳塔運(yùn)動公司2010年最新推出的碳纖維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)自行車為例。該車架充分利用了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)重量效率高、抗壓及抗彎曲性能好、耐損傷程度高大、易檢測與修補(bǔ)等優(yōu)點(diǎn)。采用該結(jié)構(gòu)制造出的輕便自行車只有2.5公斤，即使是180公斤的重量級男子坐在上面，自行車也可以輕松自如地前進(jìn)。如果將車架用于折疊自行車，人們就可以輕松地拎著它上公交、擠地鐵了。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)新穎，應(yīng)該很受消費(fèi)者青睞。但該車的車架成本高達(dá)6995美元，整車則要11995美元，可以說自行車賣出了汽車價，根本不能進(jìn)行批量生產(chǎn)。

盡管如此，碳纖維自行車市場隨著其影響力的不斷擴(kuò)大仍有顯著增長。2000年以前，碳纖維自行車的年產(chǎn)量只有幾萬臺，基本上都是供專業(yè)或半專業(yè)人士使用。而到2010年，僅臺灣與中國大陸地區(qū)就生產(chǎn)了約三十萬臺?？梢哉f在這十年里，碳纖維自行車市場經(jīng)歷了爆炸性的增長。而碳纖維自行車的價格也從神話般高價位走到一般大眾生活中。早期一輛碳纖維自行車售價數(shù)十萬元，現(xiàn)在隨著工藝成熟，材料市場進(jìn)一步擴(kuò)大，生產(chǎn)制造商不斷創(chuàng)新，降低成本，目前市場也已經(jīng)出現(xiàn)了不足萬元的碳纖維自行車，讓大眾群體也可以享受到實(shí)惠。只有讓更多的消費(fèi)者接受體會碳纖維自行車的好處，才能更快地推動碳纖維等新型材料在自行車上的應(yīng)用。

全世界每年生產(chǎn)的自行車總量超過一億輛，而碳纖維自行車只有七十萬輛左右。性能如此優(yōu)越的材料在自行車的生產(chǎn)總量中只占很低的比例。業(yè)內(nèi)人士指出，隨著工藝和成本的優(yōu)化，碳纖維自行車已經(jīng)能夠逐步走進(jìn)尋常百姓家，讓更多人享受綠色健康的騎行樂趣。

碳素復(fù)合材料的優(yōu)勢

質(zhì)輕堅(jiān)固

可定向優(yōu)化性能

可塑性強(qiáng)

為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)留有更大空間

碳素復(fù)合材料的弊端

價格較鋼鐵昂貴

制造工藝較復(fù)雜

接合、維護(hù)難度大

碳纖維復(fù)合材料范文第4篇

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；表面裂紋；纖維彎曲；無損檢測

中圖分類號：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0043-02

CFRP全名為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，其中碳纖維作為增強(qiáng)相，樹脂基作為基體。與金屬材料相比，CFRP有更好的比強(qiáng)度、比剛度、抗疲勞性、抗腐蝕性和減震性。因?yàn)槠鋬?yōu)良的特性被廣泛應(yīng)用于航空航天、體育及休閑用品和建筑等領(lǐng)域。然而CFRP在使用或制造的過程中會出現(xiàn)表面裂紋和纖維彎曲等損傷，比如使用時遭遇沖擊或被尖銳物體劃過表面就會造成表面裂紋，制造過程中快速固化引起殘余應(yīng)力提高便會造成纖維彎曲。這些損傷可以對結(jié)構(gòu)造成致命威脅，引發(fā)重大事故，因此對CFRP結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測顯得意義重大。CFRP是各向異性材料，這使得對CFRP材料表面裂紋與纖維彎曲等損傷的無損檢測研究變得更為棘手。

目前對CFRP進(jìn)行無損檢測的方法主要有超聲檢測、紅外檢測、渦流檢測、太赫茲時域光譜檢測、聲發(fā)射檢測以及微波檢測等，每種方法有其擅長檢測的缺陷類型。本文就國內(nèi)外研究人員針對CFRP表面裂紋與纖維彎曲這兩類損傷的檢測進(jìn)行的研究展開介紹，并對今后的研究提出一些看法。

1 CFRP表面裂紋檢測的研究現(xiàn)狀

超聲技術(shù)是目前針對CFRP表面裂紋的一種主要無損檢測方法，不斷有學(xué)者在這方面做出創(chuàng)新，激光超聲檢測便是一種新興技術(shù)。1963年，R.M.White發(fā)現(xiàn)激光超聲現(xiàn)象，即用激光束照射到物體時，物體表面10～100μm厚度內(nèi)會激發(fā)出超聲波。對激發(fā)出的超聲波信號進(jìn)行分析就可以得到物體表面的輪廓信息[1]。自1980年開始，美國學(xué)者開始了將激光超聲應(yīng)用于無損檢測的研究，由此產(chǎn)生了激光超聲檢測技術(shù)[2]。20世紀(jì)90年代開始將激光超聲技術(shù)用于復(fù)合材料的檢測[3]。后來此項(xiàng)技術(shù)被洛克希德?馬丁空間系統(tǒng)公司獲得，在美國軍方聯(lián)合攻擊機(jī)JSF目的競爭以及開發(fā)F22與F35型戰(zhàn)斗機(jī)的過程中，該技術(shù)獲得了極大地發(fā)展，在檢測CFRP表面裂紋的能力方面也取得了重大進(jìn)步[4]。

渦流檢測技術(shù)也是檢測CFRP表面裂紋的一種重要方法。電渦流遇到缺陷時發(fā)生擾動，其在CFRP表面產(chǎn)生的磁場亦發(fā)生變化，通過分析CFRP樣品表面的磁場信號可以得到樣品表面的輪廓信息，檢測出缺陷。2003年，C.Carr等利用基于超導(dǎo)量子干涉儀（HTS SQUID）磁力計(jì)的渦流檢測系統(tǒng)對CFRP樣品進(jìn)行檢測，根據(jù)樣品板表面的磁場分布，檢測出了樣品板表面的裂紋[5]。2005年，R.Grimberg等利用渦流微聚焦傳感器對CFRP板表面進(jìn)行掃描，利用全息信號處理法處理信號的相位信息，得到了聚焦的較為清晰的圖像，重構(gòu)了碳纖維的分布情況，從而檢測出了表面裂紋[6]。

2015年，中國計(jì)量學(xué)院的廖曉玲等利用反射式太赫茲時域光譜（THz-TDS）成像技術(shù)對CFRP缺陷進(jìn)行了無損檢測實(shí)驗(yàn)，獲得了含不同缺陷碳纖維樣品的成像結(jié)果及數(shù)據(jù)。發(fā)射探頭兩側(cè)有多個接收探頭，通過處理接收探頭獲得的反射信號便可重構(gòu)缺陷信息。結(jié)果表明，反射式THz-TDS成像技術(shù)在0.1～3.5THz波段對CFRP中熱損傷、劃傷缺陷、磨損缺陷及孔洞缺陷成像清晰，分辨率較高[7]。

2016年，國防科技大學(xué)何S澤等通過電磁感應(yīng)加熱與紅外熱成像測溫相結(jié)合的技術(shù)成功地對沖擊后的CFRP樣品進(jìn)行了表征和損傷檢查，識別了破碎的碳纖維，檢測出了CFRP表面裂紋缺陷[8]。

2 CFRP纖維彎曲檢測的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對CFRP纖維彎曲檢測的研究起步較晚，2015年，楊玉娥等研究微波信號在復(fù)合材料中的傳播特性，使用N5225A網(wǎng)絡(luò)分析儀對碳纖維的方向和纖維彎曲進(jìn)行了微波無損檢測研究，用微波信號反射系數(shù)的相位和幅值來表征纖維方向和纖維彎曲缺陷。結(jié)果表明，在頻率為38GHz時可以用反射系數(shù)幅值表征纖維彎曲缺陷，反射系數(shù)幅值最大變化為0.004[9]。

2015年，日本的K.Mizukami等提出了一種探測器來檢測單向CFRP平面內(nèi)和平面外纖維彎曲，基于渦流的非破壞性技術(shù)來表征纖維取向。這種探測器由三個矩形線圈組成，其中兩個相同的線圈共面放置作為激勵，正中間一個接收線圈與兩激勵線圈所在平面垂直放置。通過變換探測器放置的方式，可以測量面內(nèi)纖維波紋度（即纖維彎曲程度）、面外纖維波紋度以及纖維方向角。實(shí)驗(yàn)研究表明，他們所提出的探測器可以檢測出薄的單向CFRP中長度為15.9mm，最大偏移量為1.1mm的面內(nèi)纖維波紋度，也可以檢測出厚的單向CFRP中最大偏移量為3.5mm的面外纖維波度。他們發(fā)現(xiàn)掃描具有平面外波紋的材料獲得的復(fù)平面中的輸出信號變成環(huán)形圖，環(huán)形圖可用于識別平面外纖維波度的存在和位置[10]。

2016年，他們又提出了一種可視化多向CFRP纖維波紋度檢測方法。由于由驅(qū)動線圈感應(yīng)的渦流沿著碳纖維流動，所以如果渦流路徑可視化，纖維波動就可以可視化。他們提出了一種新的復(fù)平面分析方法來將渦流路徑可視化。該方法的有效性通過有限元分析得到了驗(yàn)證。對多向CFRP試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在樣品中人工誘導(dǎo)具有6.9°至24.9°的失準(zhǔn)角的面內(nèi)波紋。從磁場數(shù)據(jù)可視化渦流路徑，得到了波紋的形狀。將波狀渦流路徑的尺寸與通過X射線計(jì)算機(jī)層析成像測量的波紋尺寸和光學(xué)圖像進(jìn)行比較，結(jié)果表明，渦流法可以準(zhǔn)確地估計(jì)表面波度尺寸，但低估了內(nèi)部波動尺寸[11]。

3 展望

國內(nèi)外關(guān)于CFRP表面裂紋與纖維彎曲的無損檢測研究取得了可喜的進(jìn)步。未來可以在如下方面展開進(jìn)一步的研究。

（1）目前很少有專門針對CFRP表層裂紋的研究報告，裂紋造成的纖維斷裂對CFRP結(jié)構(gòu)的危害是不容小覷的，希望有擅長檢測裂紋的無損檢測專家對此多加關(guān)注，給CFRP表面裂紋檢測研究提供更多可供參考的文獻(xiàn)。

（2）渦流檢測中用于檢測CFRP表層裂紋的器件主要是HTS SQUID，但是HTS SQUID工作頻率低，此時CFRP中渦流密度很小，信噪比低，并且HTS SQUID體積大，不利于現(xiàn)場檢測操作。因此有必要研究使用方便，可在較高頻率下工作的探頭。

（3）關(guān)于CFRP纖維彎曲的無損檢測研究還非常少，還有很多工作可以做，鼓勵無損檢測各個領(lǐng)域的專家對此展開研究。

致x：感謝福建省傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和廈門市傳感器技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)的支持。

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碳纖維復(fù)合材料范文第5篇

關(guān)鍵詞：玻璃纖維布；碳纖維布；復(fù)合材料；力學(xué)性能；纖維

復(fù)合材料纖維復(fù)合材料，簡稱FRP，因其較大的強(qiáng)度和較良好的耐久性，獲得了材料學(xué)界的廣泛關(guān)注，其中碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有其他材料都沒有的良好的耐高溫和耐腐蝕性，作為玻璃鋼一大分支的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合纖維，比重小，比強(qiáng)度高是它的一大優(yōu)點(diǎn)，良好的耐化學(xué)性使它的可使用范圍更加廣泛。另外，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合纖維和玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合纖維都具有質(zhì)量輕和力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，在當(dāng)下材料短缺的現(xiàn)狀下，如果能將這些材料應(yīng)用于各行各業(yè)中，將會降低部分產(chǎn)品的高成本，解決原料短缺的問題，促進(jìn)材料學(xué)以及社會經(jīng)濟(jì)的一大發(fā)展。

1碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

1.1碳纖維的發(fā)展歷程

碳纖維作為一種無機(jī)高分子化學(xué)材料，主要組成元素是碳元素，碳纖維是一種纖維狀碳化合物，是在惰性氣氛和高溫條件下有機(jī)纖維碳化而形成的，有纖維、布料等多種形式，也有多種分類，按照其力學(xué)性能的不同，可以分為高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度等，根據(jù)其元素的不同可分為纖維素基、酚醛基和瀝青基等，碳纖維主要是在復(fù)合材料中充當(dāng)增強(qiáng)材料，根據(jù)不同的基體材料以及復(fù)合方式可以達(dá)到不同的效果。碳纖維復(fù)合材料具有較好的耐高溫性和耐疲勞性。很久以前，就有很多科學(xué)家從碳纖維入手，成功制備了力學(xué)性能較好的黏膠基碳纖維和聚丙烯腈基碳纖維，后來，碳纖維的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在運(yùn)動領(lǐng)域、航空、人造衛(wèi)星等多個領(lǐng)域都有其應(yīng)用。

1.2碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能

通過查閱資料我們可以知道，碳纖維力學(xué)性能非常好，相比其他材料來說，碳纖維的抗拉強(qiáng)度和彈性模量都比其他纖維高出不少。為了研究成型壓力對其拉伸性能的影響，我們進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用控制變量法，選取成分含量相同的樹脂溶液，使用相同的碳纖維單向布，改變成型壓力，制備不同的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂好復(fù)合材料，通過壓力測試，對不同的碳纖維復(fù)合材料拉伸性能做出評價。最后試驗(yàn)結(jié)束，在拉伸的過程中，不同的成型壓力的復(fù)合材料會出現(xiàn)不同的斷裂程度，因此我們能夠得到下列結(jié)論，增加復(fù)合材料的成型壓力可以在一定范圍內(nèi)增加復(fù)合材料的拉伸程度和彈性模量，這說明在一定的范圍內(nèi)，成型壓力的適當(dāng)增加對樹脂基體對纖維的浸潤程度有促進(jìn)作用，可以提高樹脂與纖維之間的粘合性，因此復(fù)合的效果也就越好，材料的拉伸性能也就越高。

2玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

2.1玻璃纖維的發(fā)展歷程

玻璃纖維制品被廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)，它是一種具有較高性能的無機(jī)非金屬材料，具有較好的耐熱性和耐腐蝕性，主要成分是二氧化硅，根據(jù)其形態(tài)和長度可分為連續(xù)纖維、定長纖維和玻璃棉，根據(jù)玻璃中堿的含量可以分為無堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維和高堿玻璃纖維，因?yàn)槠淞己玫慕^緣性和耐熱性，常作為電絕緣性材料和保溫材料出現(xiàn)在我們的生活中。玻璃纖維和碳纖維一樣，常作為增強(qiáng)材料，被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。玻璃纖維是玻璃鋼的一種因此它的性能較鋼的性能要高出許多。玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，其中最出名的就是玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，環(huán)氧樹脂是一種性能優(yōu)良的熱固性樹脂，與其他不聚酯樹脂相比較，力學(xué)性質(zhì)更優(yōu)良，點(diǎn)絕緣性能越高，耐化學(xué)藥品性、耐熱性以及粘合性能也越好，當(dāng)環(huán)氧樹脂與玻璃纖維形成復(fù)合材料時，由于它較強(qiáng)的粘結(jié)性，因此可得到較高的界面剪切強(qiáng)度，復(fù)合材料使環(huán)氧樹脂本就優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)耐化學(xué)性得到更好的發(fā)揮。

2.2玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能

通過下表中玻璃纖維與鋼性能的對比可以知道，玻璃纖維具有很好的力學(xué)性質(zhì)，因此，它是一種較好的復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料。玻璃纖維是單項(xiàng)排列在樹脂基體內(nèi)的，所以當(dāng)纖維含量達(dá)到一定值時，當(dāng)外力通過樹脂基體作用到纖維上時，由于各向異性的影響，外力的作用方向會發(fā)生改變，開始沿著纖維取向的方向發(fā)展，在一定程度上使力的作用發(fā)生分散，從而對復(fù)合材料的破壞程度降解到最低，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能，但是當(dāng)復(fù)合材料中纖維材料含量過多時，部分纖維很難被樹脂基體完全浸潤，造成材料中許多結(jié)合界面結(jié)合力減弱，當(dāng)外力作用到材料上時，力的傳遞失去了它本應(yīng)有的效果，從而使材料的性能下降。

3結(jié)語

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國的復(fù)合材料也躍居世界前位，但在很多領(lǐng)域我們或許對碳纖維以及玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研究還有很多缺陷。碳纖維以及玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的耐腐蝕性、絕緣性、耐化學(xué)性以及耐熱性相比之其他材料都是非常優(yōu)良的，由于其剛性好、強(qiáng)度高，因此可以廣泛應(yīng)用于航天航空以及運(yùn)輸領(lǐng)域，對這些優(yōu)良性能材料的開發(fā)可以有效降低產(chǎn)業(yè)開發(fā)所需的高成本和能源短缺的嚴(yán)重問題，所以，總的來說，這些新型材料的發(fā)展在未來的高新產(chǎn)業(yè)肯定會有美好前途，會產(chǎn)生大的作為。

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