碳纤维复合材料性能表现分析

  碳纤维增强基复合材料是由碳纤维织物增强碳所形成的复合材料,是目前最先进的复合材料之一。它以其质量轻强度高、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗腐蚀材料,是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。碳纤维增强复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能、热烧蚀性能、可设计性和耐冲击性等几个方面。

  1.具有很高的强度和弹性模量(刚性)。它的比重一般为1.7-1.8g/cm3,密度低(1.7g/cm3 左右)在承受高温的结构中,它是最轻的材料:高温的强度好,在22000℃时可保留室温强度,强度为1200~ 7000MPa;有较高的断裂韧性,抗疲劳性和抗蠕变性;而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料,弹性模量为200~ 400GPa。纤维取向明显影响材料的强度,在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应"即在施加载荷初期呈线性关系,后来变成双线性关系,卸载后再加载,曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。

  2.热膨胀系数小,比热容高,能储存大量的热能,导热率低,抗热冲击和热摩擦的性能优异。

  3.耐热烧蚀的性能好,热烧蚀性能是在热流作用下,由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量可阻止热流入材料内部。

  4.碳纤维复合材料的可设计性非常强,可以根据不同的用途要求,灵活地进行产品设计。根据产品结构受力情况,通过调整纤维的结构及排列制成各向异性和不同厚度的制品,并且可以应用夹层结构,提高部件整体刚性,以达到最佳轻量化设计方案。将碳纤维按照受力方向进行排布,可充分发挥复合材料强度的各项异性从而达到节约材料和减轻重量的目的。

而金属材料由于其各向同性,会出现在满足最大受力方向的技术要求之后,另一方向的强度就会过剩的问题。对于有耐腐蚀性能要求的产品,设计时可选用耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料,而对于其他一.些性能要求,如介电性能、耐热性能等,都可通过选择合适的原材料来满足。此外,为使产品成本达到可接受的程度,可适当选用低成本材料替换,如不同纤维混合铺层,在满足部件性能指标的同时节省材料成本。

  5.耐冲击性碳纤维复合材料表现的耐冲击性也良好,以聚合物为基体的碳纤维复合材料具有一定的粘弹性力学性能,可以吸收一定的冲击能量。此外,基体材料和纤维界面上存在微裂纹和局部脱粘现象,碳纤维和基体之间有微小的局部相对运动,同时存在着摩擦力。