CFRP(碳纖維增強複合材料)的特點

2021-01-14 英特力新材料
正如碳纖維的材料特性:輕質,堅固且不會腐蝕」
把傳統的金屬零部件,變更為碳纖維複合材料,可以減小尺寸,重量和能耗什麼是CFRP?碳纖維增強複合材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強體,以樹脂、陶瓷、金屬、水泥、碳質或橡膠等為基體所形成的複合材料。碳纖維增強複合材料具有碳纖維的「導電性,耐熱性,低熱膨脹率,反應特性,自潤滑性和高導熱性」,被廣泛地用於各種應用中。CFRP的特點輕而結實

碳纖維是用樹脂的粘合劑(主要是可熱固化的樹脂,例如工業用環氧樹脂)層疊而成的複合材料。

CFRP的密度為1.5 ~ 1.8左右(鐵的密度為7.8),特點是非常輕。另外,因為粘合劑是樹脂,所以耐熱性多少有點差,但是特別在強度(比強度·比彈性)上是非常輕的素材。

CFRP的耐熱溫度,耐化學性,硬度和其他特性受所用樹脂的影響。

CFRP與其他材料相比具有非常強的疲勞強度。如果需要與鋼相同的強度,通過用CFRP代替材料,可以使質量更小,更輕。
換句話說,如果CFRP和鐵的質量相同,則強度和彈性都可以顯著提高。極高的X射線透射率在常規的x光機中,主要是為了輕、結實、原子量小的材料而使用鋁。
CFRP的原料C(碳)原本原子量小,X射線的透過率高,所以被應用於X射線設備。
還有其他原子量低的材料,但是由於其極高的反應性,Li(鋰)不作為單一物質存在。Be(鈹)在X射線設備和粒子物理測試中可用作X射線透射窗口,但是含鈹的粉塵吸入人體後會產生毒性,並能抵抗細胞組織。它是一種腐蝕性物質,會導致致命的慢性疾病,稱為慢性鈹病。因此,它不能在人們可以觸摸的地方使用。此外,Na(鈉)和Mg(鎂)很容易反應,以至於與空氣中的水分發生反應並燃燒,而F(氟),B(硼)和0(氧)N(氮)是由於其本身是氣體或粉末並成為抗金屬元素,因此不能將其用作產品是有原因的。CFRP主要原料碳纖維CFRP的原料有兩種類型的碳纖維:PAN基(使用聚丙烯腈纖維的纖維)和瀝青基(在高溫下由煤焦油瀝青碳化的纖維)。
PAN系統具有優異的彎曲強度,而瀝青系統具有優異的拉伸彈性和彎曲彈性。
近年來,還開發了通過在高溫下燒制植物纖維例如棉花和纖維素來碳化的CFRP。
PAN基碳纖維主要用作CFRP的材料。CFRP碳纖維甚至在複合材料中也是一種增強材料,並用於增強基礎材料的樹脂。合成樹脂儘管碳纖維輕而堅固,但它們無法承受壓縮,彎曲和扭曲之類的載荷。為了承受諸如壓縮,彎曲和扭曲之類的載荷,需要一種用於固定增強材料(=碳纖維)的材料,稱為基材。
CFRP的基材通常使用環氧樹脂等熱固化性樹脂。
將基材為環氧樹脂或聚酯樹脂等聚合物的複合材料稱為PMC。熱固性樹脂的主要類型熱塑性樹脂的主要類型*熱固性樹脂=加熱時會聚合形成聚合物網絡結構的樹脂,該樹脂固化且無法恢復。熱固性樹脂堅硬,耐熱和耐溶劑。
與熱固性樹脂相反,存在熱塑性樹脂。
*熱塑性樹脂=加熱到玻璃化轉變溫度或熔點時會軟化並可以成型為所需形狀的樹脂。
*玻璃化轉變溫度=固體在一定溫度範圍內的剛度和粘度迅速降低,並增加了流動性(柔軟度)。那時的溫度範圍稱為玻璃化轉變溫度。CFRP預浸料的類型和特性預浸料是半固化狀態,其中碳纖維被熱固性塑料浸漬,並且當通過加壓和加熱而固化時,其變為CFRP。根據預浸料的製造商和所用碳纖維的不同,材料的厚度約為50-300μm。布材料(預浸料)它是由碳布和樹脂製成的預浸料。它是一種網狀的預浸料,通常用於汽車引擎蓋和公文包的表面。
常用的編織是垂直和水平平紋。
在交叉預浸料中,每根碳纖維交替編織。因此,它在多個方向上具有優異的強度和彈性,並且可以處理複雜形狀的加工。UD材料(單向預浸料)UD是單向的縮寫。碳纖維是單向預浸料。層壓的表面很漂亮,布料的花紋也不太明顯。
UD材料沿纖維方向的拉伸強度,抗壓強度和彈性是布料的2-3倍。因此,UD材料可用於飛機,遊艇,釣魚竿,高爾夫球桿等。但是,其缺點是強度和剛度在不同於纖維的方向上都變得極弱。
UD預浸料比布材料便宜且更具成本效益。單向堆疊CFRP性能會根據單向堆疊的方向而變化。
例如,如果材料水平取向,則纖維的特性將大大提高。
另一方面,在垂直方向上,樹脂的特性良好。交叉層堆疊交叉鋪層堆疊是在製作CFRP時以90°逐一堆疊UD預浸料的方法。彎曲強度和彈性性能根據線的混合比而變化。通常,CFRP是通過交叉層壓製成的。

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