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碳纖維增強複合材料(CFRP)是如何製造出來的呢?就讓我們從碳纖維說起。碳纖維只是一種纖維,只用它是無法製造出部件的。所以,碳纖維要和樹脂一起製成複合材料使用。根據所用樹脂種類的不同,以及碳纖維品種、狀態(可製成織物及短纖維等多種形態)的不同,製成的CFRP的特性也大不相同。單是主要的中間基材(成型材料)就有4種。這些中間基材及成型材料對應的主要成型方法也不一樣。
↓以下是另兩種
CFRP使用的樹脂有兩大類,一類是環氧樹脂及非飽和聚酯樹脂等熱硬化性樹脂,另一類是聚丙烯(PP)及聚醯胺(PA)等熱可塑性樹脂。這兩種樹脂的特性有所不同。
熱硬化性樹脂在碳纖維浸漬階段為低粘度單體,之後,隨著成型時的加熱發生聚合,變成聚合物(樹脂)。由於聚合反應需要一定時間,因此成型周期通常較長。利用製造飛機結構件時使用的熱壓罐法,加熱時間達到2~4小時。
而使用熱可塑性樹脂時,其成型與通常的樹脂成型基本相同,小尺寸部件的射出成型可在10秒內完成,即便是非常大的大尺寸部件的衝壓成型,也可在1分~數分內完成。由於加工效率高,因此可輕鬆實現低成本化。不過,與熱硬化樹脂相比,熱可塑性樹脂的熔融粘度較高,所以加工大尺寸部件時必須使用大型衝壓機。
碳纖維複合材料的性能
碳纖維增強複合材料,不同於其他使用傳統纖維,如玻璃纖維或芳香族聚醯胺纖維等的FRP複合材料,CFRP複合材料的優良性能包括:
重量輕——傳統玻璃纖維增強複合材料採用連續的玻璃纖維,其含量為70%(重量玻璃/總重量),每立方英寸的密度通常為0.065磅。
強度高——CFRP複合材料儘管重量輕,然而相比於玻璃纖維複合材料,每單位重量的CFRP複合材料卻具有更高的強度和更大的硬度。而與金屬材料相比時,這一優勢則更加突出。例如,經驗告訴我們,CFRP材料相比於鋼材,在等強度條件下,其重量只有鋼的1/5。可以想像為什麼所有汽車製造企業都在研究使用碳纖維來代替鋼材,從而提高其產品性能。
當CFRP複合材料與鋁,質量最輕的金屬之一,相比較時,根據基本假設,等強度的鋁材,其重量約為碳纖維體的1.5倍。
當然實驗中也存在許多其他變量,可能會影響對比結果,比如,材料的檔次和質量不同,複合過程,生產過程,纖維結構及品質也需要被考慮在內。
碳纖維複合材料的缺點
成本高——儘管CFRP複合材料性能優異,為什麼碳纖維沒有廣泛地應用於產品生產呢?目前,CFRP複合材料生產成本過高。根據當前的市場情況(供給和需求),碳纖維的種類(航天VS商品級),纖維束的大小不同,纖維的價格也判若雲泥。
每磅碳纖維原材料的價格,可達5-25倍玻璃纖維價格不等。而相比於鋼材,CFRP材料的高成本性就更加突出了。
導電性——這既可以作為碳纖維複合材料的優勢,也可能成為實際應用中的一個缺陷。碳纖維導電性極強,而玻璃纖維是絕緣的。許多產品使用玻璃纖維,而不能用碳纖維或金屬替代,是因為其要求具備嚴格的絕緣性。
在公用設施生產中,許多產品都需要使用玻璃纖維。例如,梯子的生產使用玻璃纖維作為梯架,原因在於:當玻璃纖維梯子與電力線接觸時,觸電的可能性會降低許多。而碳纖維梯子導電性極強,後果則不可想像。
儘管碳纖維複合材料的成本居高不下,然而伴隨著科技進步,更多高效益產品的湧現指日可待。或許有生之年,我們將有望見證高性能碳纖維產品在消費市場,工業生產和汽車製造中的大範圍應用。
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