碳纤维复合材料的应用优势和方向分析

  碳纤维复合材料(CFRP)具有密度小、比刚度及比模量高、耐疲劳、抗蠕变和线膨胀系数小等一系列优异的特点,在航空航天、电子、兵器等军事领域得到了越来越广泛的应用,成为目前最先进的结构复合材料之一。

  碳纤维和树脂形成的复合材料的比模量比钢和铝合金高5倍,其比强度也高3~4倍,碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量等综合指标在现有结构材料中是最高的。在强度、刚度.重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、高化学稳定性的场合,碳纤维复合材料都具有优势。

  碳纤维属于脆性材料,只有将它与基体材料牢固地结合在一起时才能利用其优异的力学性能,使之更好地承载负荷。因此,碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、金属及各种无机陶瓷,而目前使用得最多.最广泛的是树脂基复合材料,本文中的碳纤维复合材料主要指碳纤维增强树脂基复合材料。

  碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是由碳纤维和树脂构成的整体,是目前最先进的复合材料之一。它以轻质、高强、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烧蚀材料,是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。碳纤维增强树脂复合材料所用的基体树脂主要为两大类:一类是热固性树脂;另一类是热塑性树脂。在复合材料中常用的热固性树脂有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂.聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。常用的热塑性树脂有聚乙烯、尼龙聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。

  碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域有着大量的应用,如航天飞机的舱门、仿生机械臂以及压力容器等;因碳纤维增强树脂基复合材料具有轻质、高强的优点,先进民用飞机在结构中大量地使用了碳纤维增强树脂基复合材料。主要部位有:整流包皮、副翼、发动机罩.阻力板、扰流器、起落架舱门水平和垂直尾翼、方向舵及其他主要及次要承力结构件等;在民用领域,碳纤维增强树脂基复合材料的应用也不断扩大,如汽车结构件、风力发电机叶片、体育器材等。

  采用碳纤维复合材料制造导弹天线罩连接环也是其应用方向之一。采用碳纤维增强树脂基复合材料代替目前的低膨胀合金钢4J36,一方面可以改善连接环的性能,提高其与天线罩间的连接强度,另-方面改善连接环的整体制造性能;同时,大大降低成品价格和成品重量。由于碳纤维复合材料为一次成型,大大缩短了生产周期。