碳纤维増强树脂基复合材料的应用研究进展

赵忠豪

摘 要：本文对碳纤维增强树脂基复合材料的性能、特点进行了概述，并对应用其制成各种成型工艺进行阐述，对该材料的优异性能进行了充分的说明，该材料的应用极为广泛，在航空航天、交通运输、医疗、风力发电等高科领域也将会得到展望性的应用，最后对该材料的应用发展也进行了阐述。

关键词：碳纤维增强树脂基;复合材料;应用研究

前言

碳纤维是在1860 年发明的，当时其主要应用在灯泡灯丝工艺中，并成为一项专利，碳纤维的发展历经多个阶段，最初以棉花和竹子等生物材料作为碳纤维的前体研发材料，后来，人造丝前体逐渐出现，并被用于碳纤维规模化生产，但是其有一定的局限性，应用范围小，经过进一步的发展，日本某公司首度出现了聚丙烯腈为原料制备的碳纤维-T300，后经过不断发展，碳纤维性能进一步被提升应用，最后又研发迭代出了以聚丙烯为原料的碳纤维，名为M-系列纤维，其拉伸性能更高。碳纤维作为一种含碳量高达 95%以上的高性能纤维，密度低、可塑性强、耐高温腐蚀，且抗摩擦，同时还可以导电、导热，可以屏蔽电磁干扰，外形柔软，其结构呈纤维状。

1 碳纤维增强树脂基复合材料的主要工艺

碳纤维增强树脂基复合材料成型工艺多种多样，其发展历经数年，技术人员都着力于优化和改善其性能，拓展新的成型工艺，以提高其更优良的稳定性，主要是调节碳纤维增强体与树脂基体比例、结构、排列方式以达到优化其最佳性能的目的，也可以调整其成型温度、压力等。目前，碳纤维增强树脂基复合材料的成型工艺以研发和探索数十种。

1.1 手糊成型工艺

手糊成型工艺就是通过手工操作来实现的，是将固化剂覆于树脂混合物的表面，然后涂刷在模具上，依照工艺要求将准备好的短纤维设置在其上，借助压辊挤对其施加压力，可以促使胶液完全的、均匀的浸润纤维，也可以通过强压排出胶液内气泡，为了促使成型工艺满足产品设计需求，要重复此操作。当完成上述工序后，要加温模具，随后再次加压并将材料固定在模具上，并促其成型，可以促使样板与模具贴合紧密，保证材料的工艺质量符合性，最后经过脱模完成材料制备。整个制备过程中，操作方便且成本低廉，模型成型简单，不仅可以满足产品设计的要求，也可以保证产品尺寸和形状质量过关，适合应用在小规模的生产中，但是也存在一定的缺点，如效率较为低下，生产耗时间，产品质量不易把控且产品性能不高，可塑性强[1]。

1.2 喷射成型工艺

喷射成型工艺是手糊成型工艺经过一系列改进而形成的，这种工艺会依靠一定的机械，因此工艺精度稍高，喷射成型工艺是借助两侧喷枪完成制备的，喷枪一侧喷出混有引发剂的不饱和聚酯，另一侧则喷出混有促进剂的不饱和聚酯，在喷射时，会从喷枪中心喷出切断玻纤粗纱，从而促使粗砂与树脂在模具上充分融合，形成沉积层，当沉积层的厚度满足工艺要求后，借助辊轮施加压力，可以促使树脂充分融进纤维，通过强压也可以排除成品中的气泡，最终促使其成型。喷射成型工艺生产效率有所提升，同時耗材率也大大降低;成品质量更有所保证，连接性好没有搭接缝，裁剪效果好，可以设计不同尺寸和形状，工艺成型效果较好，可以根据需求进行针对性设计，优化成品厚度、纤维体量等，在大型船体制造中可以广泛应用。但是仍然有一定的缺点，会造成环境污染，由于其操作过程中需要雾化和分散，会造成较大的能源耗损。此外还有：负压真空袋压成型工艺、层压成型工艺、模压成型工艺等，在此不做赘述。

2 碳纤维增强树脂基复合材料的应用

2.1 航空航天领域应用

碳纤维复合材料由于其有低密度、耐高温等特性可以将其应用在航空航天领域中，相比较传统材料，如钢铁等。其强度指标最为突出，是钢铝模量的5倍，强度的3倍，碳纤维比重仅为钢的五分之一，铝的二分之一，最早应用在军用飞机、战斗机及导弹、人造卫星等领域。在20 世纪，美国军用 F-14 战斗机的主承力结构就应用了部分碳纤维复合材料;美国航空母舰上唯一的舰载战斗机F-18 军机研发成功并试飞，其中复合材料的用量已经占到结构材料总质量的10%，其主翼、机身等部位多用的是复合纤维材料;在后期，碳纤维材料的应用范围更加广泛，在F-22 战斗机的研制中，碳纤维复合材料用量已经高达25%以上。我国碳纤维材料在航空航天领域的应用，用碳纤维复合材料研制歼击机垂尾壁板，相比传统材料，其重量减轻了约30%，是技术上的一大突破;在后期我国国防成就展会上，歼-10在垂尾、襟副翼等部位都应用了碳纤维复合材料;后期，我国对碳纤维符合材料的应用已经突破了传统限制，在机头罩、方向舵等多个部位已有应用，不仅实现了我国航空航天技术的突破，也进一步拓展了碳纤维的应用范围，在后期碳纤维在航空航天领域的应用将会更加广泛[2]。

2.3 风电领域应用

近年来风电能源迅速崛起，为了提升风能利用率，对风电叶片要加以深度设计，风电叶片产生风能的核心部件，正向着大型化、轻量化的方向而发展。风电叶片由关键部位受力结构组成，主梁需要承担大部分弯曲压力。碳纤维复合材料因为质量轻，耐腐蚀性好，满足叶片对材料的高设计要求，将其应用在叶片主梁帽时，可大大降低叶片的重量，提升叶片刚度，且其可以承受较大的压力，可以长时间处于运转状态，将碳纤维材料应用在叶片根部可以加大叶片荷载力，确保叶片震动方向。此外，碳纤维复合材料还可以应用在医疗领域和交通运输领域。

3 结语

综上所述，作为新时代的工业材料，碳纤维增强树脂基复合材料具有传统材料所不具备的优势，它主要由高分子树脂基体与高性能碳纤维增强体构成，采用高温强压、固化脱模等工艺制备，具有诸多性能，不仅耐摩擦耐腐蚀，而且还具有高强高模性能，减震性能良好，可塑性强，可以屏蔽电磁干扰，其性能优于传统材料，由于其复合性能、材料可塑性强，且功能多样，可以应用在不同领域中。

参考文献：

[1]张登科，王光辉，方登科，崔佳伟，田永胜.碳纤维增强树脂基复合材料的应用研究进展[J]，{3}，{4}{5}：1-7[2021-07-19].

[2]张宪华，高艳秋，赵龙，黄峰，吴刚，马金瑞，卓鹏.碳纳米管/连续碳纤维增强树脂基复合材料进展及其应用[J].航空制造技术，2014，{4}（15）：71-73.