碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用

0cfrp材料發(fā)展優(yōu)質(zhì)、高質(zhì)量材料是促進(jìn)科學(xué)研究、國防、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高國家競爭力的重要基礎(chǔ)。其中,以碳纖維樹脂基復(fù)合材料(CFRP)為代表的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是最典型的代表,風(fēng)能發(fā)電葉片、汽車減重和導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)殼體等均離不開高性能CFRP。近幾年來,CFRP在世界各國的發(fā)展進(jìn)程中起到非常重要的作用,不僅在軍用領(lǐng)域中具有不可替代的地位,而且在民用領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。本研究將主要介紹CFRP在新能源工業(yè)、汽車工業(yè)和航空航天工業(yè)發(fā)展中的最新應(yīng)用。1cfrp的性能特點CFRP屬于各向異性材料,與金屬類其他材料相比,其某些性能更為優(yōu)異。(1)低密度。CFRP密度僅為1.5~2g/cm3,相比金屬、金屬合金而言,其密度大大降低。(2)比強(qiáng)度、比模量高。其比強(qiáng)度是鋼材的5倍,而其比模量則是其他結(jié)構(gòu)材料的1.2倍左右,這充分說明了CFRP在輕質(zhì)高強(qiáng)方面的優(yōu)越性。(3)耐高溫性能好。在400℃時,鋁合金的彈性模量近似為0,強(qiáng)度也急劇下降,而CFRP的強(qiáng)度和彈性模量基本無變化。(4)良好的耐疲勞性能。金屬材料的疲勞強(qiáng)度極限通常為拉伸強(qiáng)度的40%~50%,而CFRP的疲勞極限可以達(dá)到拉伸強(qiáng)度的70%~80%。(5)良好的抗腐蝕性。CFRP的表面是一層高性能的樹脂材料,故其具有良好的耐酸、耐堿及耐油等性能。(6)材料的可設(shè)計性。CFRP的各向異性給設(shè)計帶來較多的可選擇性,可通過選擇合適的鋪層方向和層數(shù)以獲得具有相對最佳性能的CFRP。2纖維原料的開發(fā)2011年,中國的碳纖維產(chǎn)量達(dá)到8500t,占全球碳纖維年產(chǎn)量的9.4%。隨著我國碳纖維和CFRP產(chǎn)業(yè)投資力度的加大、技術(shù)的創(chuàng)新,CFRP產(chǎn)品性能逐漸得到完善,其品種、規(guī)格不斷增加,CFRP已在某些領(lǐng)域展現(xiàn)出逐漸取代玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)、鋁合金和鋼材的趨勢。隨著技術(shù)、工藝的進(jìn)步,CFRP在新能源工業(yè)、汽車工業(yè)和航空航天工業(yè)中將大有所為。2.1新能源領(lǐng)域中作用以CFRP為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料在風(fēng)能發(fā)電葉片、石油開采和壓縮天然氣儲存等新能源領(lǐng)域中有著重大作用。為響應(yīng)全球的“低碳環(huán)保”活動,CFRP在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用更是值得大力推廣。2.1.1cfrp葉片的配置風(fēng)能是大自然的可再生資源,取之不盡,用之不竭。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片正朝著大型化方向發(fā)展,最長的風(fēng)輪葉片已達(dá)到61.5m,一般葉片自重12~18t,這對材料的比強(qiáng)度、比剛度和耐疲勞性提出了更高的要求。大部分的GFRP葉片已無法滿足葉片大型化、輕量化的要求,GFRP葉片在苛刻條件下的臨界長度大約是60m。而CFRP的比強(qiáng)度約為GFRP的2倍,比模量約為GFRP的3倍,故采用CFRP能夠增加葉片的臨界長度,適應(yīng)了葉片大型化的要求;此外,碳纖維的密度是玻璃纖維的0.7倍,適應(yīng)了大型葉片輕量化的要求。使用CFRP葉片代替GFRP葉片,成本可降低14%;另外,由于碳纖維具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能,故對CFRP葉片進(jìn)行某些特殊的防護(hù)設(shè)計,可避免雷擊對葉片造成的破壞,從而可延長CFRP葉片的工作壽命。中復(fù)連眾、南通東泰電工及GE等公司在39.2~90m的葉片上用CFRP大量替換了GFRP。未來海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的額定功率將超過20MW、葉片直徑約100m,而CFRP能夠為海上風(fēng)力發(fā)電提供輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞性和耐腐蝕性更佳的葉片。2.1.2準(zhǔn)配電網(wǎng)纜在海洋油田開采中的應(yīng)用全球機(jī)械自動化采油井?dāng)?shù)為總生產(chǎn)井?dāng)?shù)的90%,而80%左右的機(jī)械自動化采油井都采用桿泵抽油模式,其中抽油桿是該系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一。傳統(tǒng)金屬抽油桿質(zhì)量大、耐腐蝕性和抗疲勞性能較差,如果不能及時對金屬抽油桿進(jìn)行維護(hù),則可能在采油過程中發(fā)生事故。CFRP抽油桿是近年來興起的一種新型柔性抽油桿,與傳統(tǒng)抽油桿相比,其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫及操作速率快等優(yōu)異性能。據(jù)統(tǒng)計,我國井深在2500m以上的油井約占總井?dāng)?shù)的10%,特別是新疆沙漠地帶的油田,井深都在2500m以上,并且井礦中除了酸鹽、堿鹽外,還出現(xiàn)了硫化氫和氯化氫等腐蝕性氣體。而采用CFRP制作的抽油桿完全可以應(yīng)用在這些苛刻環(huán)境中,使采油作業(yè)效率大大提高,其在超深井和腐蝕井原油開采中得到廣泛應(yīng)用,這也是現(xiàn)代石油開采技術(shù)的一大突破。隨著海上油氣田的不斷開發(fā),CFRP在深海(900~3000m)油田中的應(yīng)用倍受關(guān)注。由于鋼材的密度為6g/cm3左右,一個2000m水深的海上鉆井平臺,其鋼制系纜的質(zhì)量達(dá)8500t,從而給海上鉆井平臺帶來了極大的載重負(fù)荷;同時鋼材在海水中耐腐蝕性差,造成海上鉆井平臺的鋼制系纜的工作壽命僅為2~3年,從而給海上鉆井平臺增加了成本。CFRP具有質(zhì)量輕(密度是鋼密度的1/4)、模量高(比模量是鋼材的1.2倍)、強(qiáng)度大(比強(qiáng)度是鋼材的5倍)、耐腐蝕性強(qiáng)、抗沖擊性佳和熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點,因而可廣泛應(yīng)用于海上石油鉆井平臺結(jié)構(gòu)。2.1.3膽全化學(xué)混紡裝置壓縮的液化天然氣具有成本低、效益高、無污染和使用方便等特點,在生活燃料、汽車動力等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。一般天然氣氣瓶有4種類型,其中塑料內(nèi)膽全纏繞氣瓶具有耐疲勞強(qiáng)度高、耐腐蝕性佳、結(jié)構(gòu)和性能可設(shè)計等特點。采用GFRP制造的塑料內(nèi)膽全纏繞氣瓶經(jīng)常出現(xiàn)纖維斷裂、連接處開裂、內(nèi)膽結(jié)合處漏氣、復(fù)合層損壞、沖擊損傷和腐蝕裂紋等質(zhì)量問題,但CFRP產(chǎn)品具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐疲勞性能更好、耐破損安全性佳以及減震性能優(yōu)等特點,故其推廣和應(yīng)用越來越受到重視。正在開發(fā)的氫能源汽車如果投入批量生產(chǎn),則采用CFRP大量制造的壓縮氫氣存儲氣瓶會充分發(fā)揮其優(yōu)勢,故其未來的前景是非常樂觀的。2.2汽車輕量化的原因根據(jù)全球汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢來看,安全、低碳和環(huán)保的汽車已成為21世紀(jì)汽車發(fā)展的主流,而汽車輕量化則是解決這個問題的核心。由于CFRP具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性和抗沖擊性強(qiáng)等特點,與鋼材、鋁材及其他金屬合金相比,其設(shè)計自由度更大、成型更加容易,因而CFRP正日益成為汽車輕量化的首選材料。2.2.1cfrp可實現(xiàn)在slr超級剎車的安全保障CFRP制造的外覆蓋件具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗沖擊性強(qiáng)和外觀設(shè)計獨特等特點,因而已在高檔汽車產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。梅賽德斯-奔馳公司2012年推出了SLR超級跑車,全車車身外覆蓋件幾乎全部采用高強(qiáng)度的CFRP材料,其最高速率可以達(dá)到300km/h,0~100km/h的加速時間僅需3.8s。由于CFRP的密度只有鋼材的1/4,而在碰撞中的抗沖擊性能卻是鋼材的4倍,故其不僅降低了車身自重、減少了燃油消耗,而且符合低碳、環(huán)保的潮流,并且還能為乘員提供最大限度的安全保障。在SLR超級跑車的前端結(jié)構(gòu)中嵌入CFRP縱梁作為車頭碰撞緩沖部件,可確保乘員艙完好無損,這也符合了汽車駕駛安全的潮流。德國西格里集團(tuán)和寶馬公司將投資1億美元在美國建造一座碳纖維工廠,為寶馬電動車提供輕質(zhì)高強(qiáng)性的CFRP零部件(可抵消大型蓄電池額外帶來的300kg質(zhì)量)。德國寶馬2013年將推出的BMWi3車型,全車車身外覆蓋件將大量采用CFRP,將是第一款車體主要由CFRP制成的量產(chǎn)汽車,質(zhì)量比傳統(tǒng)電動車減輕了300kg,這將是汽車工業(yè)的重大突破。2.2.2cfrp車載片剎車片是機(jī)動車輛必須裝配的制動材料,其性能是否優(yōu)良將直接影響車輛設(shè)備運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性、可靠性。經(jīng)過汽車動力學(xué)理論研究和實車運(yùn)行的結(jié)果表明,機(jī)動車輛以改性石墨、金屬纖維等作為主要原料的合成剎車片,在摩擦因數(shù)、車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性、耐磨性、導(dǎo)熱性和制動距離等方面已經(jīng)不能滿足提速車輛的使用要求。CFRP具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐摩擦和耐高溫等特點,并且其在2000℃以下的溫度范圍內(nèi)機(jī)械強(qiáng)度不會有明顯降低,而且摩擦因數(shù)隨溫度升高不會有明顯下降;用CFRP制造的制動器/離合器摩擦襯片,在高速、高溫狀態(tài)下不會產(chǎn)生熱裂、熱漲現(xiàn)象,并且具有無污染、穩(wěn)定性高和使用壽命長等特點。隨著制備碳纖維技術(shù)的不斷成熟,碳纖維的價格不斷降低,CFRP剎車片在汽車行業(yè)的使用量將不斷提高。據(jù)統(tǒng)計,2012年我國汽車剎車片總需求量將達(dá)到2.6億片左右,這對CFRP剎車片的大規(guī)模開發(fā)和應(yīng)用帶來積極的影響。2.2.3拉伸性能好近年來,日本等發(fā)達(dá)國家開始研究采用CFRP代替鋁合金用于制造汽車渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪。CFRP的拉伸強(qiáng)度優(yōu)于鋁合金,具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性長等優(yōu)點,并提高了轉(zhuǎn)子的加速性能。為了滿足葉輪強(qiáng)度、耐久性和可靠性等要求,對碳纖維表面進(jìn)行處理,可極大提高CFRP的強(qiáng)度,并且對CFRP在汽車發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用提供了堅實的研發(fā)基礎(chǔ)。2.3民用領(lǐng)域的發(fā)展通常,先進(jìn)復(fù)合材料首先應(yīng)用于航天航空等國防工業(yè)領(lǐng)域,然后隨著技術(shù)的成熟,慢慢向民用領(lǐng)域發(fā)展。以高性能CFRP為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、功能一體化材料,在民用飛機(jī)、導(dǎo)彈等航空航天領(lǐng)域發(fā)揮著不可估量的作用。2.3.1cfrp的發(fā)展民用飛機(jī)采用CFRP,可顯著提升其性價比。代表當(dāng)今世界大型民用飛機(jī)先進(jìn)水平的兩大生產(chǎn)商——美國波音公司和歐洲空中客車集團(tuán),從20世紀(jì)80年代起就開始將先進(jìn)復(fù)合材料用于大型飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件、零部件。從民用飛機(jī)發(fā)展歷史來看:美國波音公司B707上沒有使用CFRP,B757先進(jìn)CFRP的用量為3%~4%,B767達(dá)到4%~5%,B777則達(dá)到10%~11%;空客集團(tuán)的CFRP用量比波音公司的高,A300-600達(dá)5%~6%,A310接近10%,A321、330和A340的先進(jìn)CFRP用量都增長到13%~15%,A322則達(dá)到15%~16%。21世紀(jì)以來,美國波音公司、歐洲空客集團(tuán)大力開展CFRP在民用飛機(jī)上的應(yīng)用研究,取得了卓越的成績(B787的CFRP用量高達(dá)50%,全機(jī)結(jié)構(gòu)幾乎均由CFRP制成)。采用CFRP代替金屬合金結(jié)構(gòu)材料不僅可以減輕機(jī)身質(zhì)量、不損失強(qiáng)度或剛度,而且能夠比B767降低17%的油耗,維護(hù)成本較B767下降30%。2007年生產(chǎn)的超大型飛機(jī)空客A380,其CFRP占機(jī)身總質(zhì)量的25%左右;2013年生產(chǎn)的A350客機(jī),其CFRP占機(jī)身總質(zhì)量的52%左右,成為空客集團(tuán)第一架全復(fù)合材料機(jī)翼飛機(jī),輕質(zhì)“外衣”還將大大降低飛機(jī)的油耗,帶來了非?？捎^的性價比。由《空中客車全球市場預(yù)測》可知:2006~2025年間,飛機(jī)運(yùn)營商將需要22700架客機(jī)和貨機(jī)。這些需求將刺激CFRP用量的巨大增長。據(jù)統(tǒng)計,2012年飛機(jī)用CFRP用量已達(dá)到12000t,未來幾年航空用CFRP的用量將以年均12%速率繼續(xù)高速增長。2.3.2cfrp在機(jī)動上的應(yīng)用由于戰(zhàn)略導(dǎo)彈對自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的要求非常嚴(yán)格,采用先進(jìn)CFRP對提高精度、增大射程意義重大。發(fā)動機(jī)和彈頭質(zhì)量每減少1kg,可使洲際導(dǎo)彈射程增大20km,故CFRP在導(dǎo)彈上的應(yīng)用會極大提升戰(zhàn)略導(dǎo)彈的作戰(zhàn)性能。固體發(fā)動機(jī)殼體是戰(zhàn)略導(dǎo)彈應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料最活躍的領(lǐng)域,美國早期的“北極星”、“民兵”和“海神”導(dǎo)彈使用GFRP殼體,隨后美國的“三叉戟-1”、法國的M-4和前蘇聯(lián)的SS-24導(dǎo)彈都采用了先進(jìn)的芳綸纖維復(fù)合材料;為提高導(dǎo)彈作戰(zhàn)的精度、射程和機(jī)動性,美國、法國升級版的“三叉戟-2”、M-5導(dǎo)彈則采用更先進(jìn)的CFRP。3cfrp具有擴(kuò)大的市場份額進(jìn)入21世紀(jì)后,復(fù)合材料的市場需求急劇增大,低成本技術(shù)已成為CF