碳纖維織物成型工藝的分析

張二勇 孫 艷

（連云港神鷹復合材料科技有限公司，江蘇 連云港222000）

復合材料不僅具有高強度，高模量，高剛度、優良的減振性、耐疲勞和耐蝕性等優異特點。碳纖維（Carbon fiber,簡稱CF）是含碳量高于90%的無機高分子纖維，它是用一些含碳的有機纖維，如腈綸絲、瀝青及黏膠纖維等作為原絲，跟有機樹脂相結合，放在惰性氣體中，經碳化而成的新型纖維材料。

1 碳纖維的分類

碳纖維與鉆石一樣,是主要由碳元素組成的物質,具有以下特性：輕質高強，其比重為鐵的四分之一，而強度是鐵的10 倍，尤其是高彈模量碳纖維，其抗拉強度比鋼材大68 倍，彈性模量比鋼材大1.8～2.6 倍。可以稱之為新材料之王。因此廣泛應用于飛機制造等軍工領域、風力發電葉片等工業領域、體育休閑領域。

1.1 按力學性能可分4 類

1.1.1 超高模量（UFM）碳纖維；

1.1.2 高模量（HM）碳纖維；

1.1.3 超高強度（UHS）碳纖維；

1.1.4 高強度（HS）碳纖維。

1.2 按原料分3 類

PAN 碳纖維、瀝青碳纖維和人造絲碳纖維。均由原料纖維高溫碳化成，成分基本都是碳元素，其主要性能見下表，目前復合材料中大多數使用PAN 碳纖維。

表1 各種材料碳纖維的主要性能

1.3 按用途可分2 類

24K 以下為宇航級小絲束碳纖維（1K 為1000 根單絲）；48K以上為工業級大束絲碳纖維。

2 碳纖維主要性能

2.1 密度小、質量輕,碳纖維的密度為1.5～2g/cm3,相當于鋼密度的1/4、鋁合金密度1/2。

2.2 強度高、彈性模量高,其強度比鋼大4～5 倍,彈性回復為100%。

2.3 熱膨脹系數小,導熱率隨溫度升高而下降,耐驟冷、急熱,即使從幾千攝氏度的高溫突然降到常溫也不會炸裂。

2.4 摩擦系數小,并具有潤滑性。

2.5 導電性好,25 時高模量碳纖維的比電阻為775cm, 高強度碳纖維則為1500cm。

2.6 耐高溫和低溫性好,在3000 非氧化氣氛下不熔化、不軟化,在液氮溫度下依舊很柔軟,也不脆化。

2.7 耐酸性好,對酸呈惰性,能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕。除此之外,碳纖維還具有耐油、抗輻射的特性。

盡管碳纖維可單獨使用發揮某些功能，然而，它屬于脆性材料，只有將它與其它基體材料有效牢固的結合在一起時，才能發揮其優異的力學性能。

3 碳纖維碳絲鋪層方式對力學性能的影響

3.1 實驗機器：萬能壓力機，型號：AG-X plus

3.2 實驗材質：SYM40

表2 材料及工藝數據

測試結果：

表3 彎曲強度測試對比數據

4 碳纖制品成型方式

4.1 鋪層設計

鋪層設計是碳纖維復合材料成型的關鍵，鋪層時纖維的角度，層數，直接決定產品的力學性能，角度的不同，層數的多少是設計產品的重要考量依據。對于一般的板材，需要考量纖維成型時熱膨脹系數，軸向纖維與徑向纖維合理的搭接比例，從而達到合格產品要求。碳纖維軸向與徑向的線膨脹系數分別為：-0.3X10K 和12X10K,所以通過不同鋪層比例設計一般軸向與徑向比例3:2 關系得出的軸向膨脹系數最小，所以在設計產品時絕大部分采用該種鋪層設計。鋪層的對稱性也是一個衡量指標。通過實驗得出采用C0/C90/C0/C90/C0.鋪層得出的產品平面度最好，采用C0/C0/C0/C90/C90 次之。而根據實際產品的性能要求來調整鋪層的層間方式，從而可以得到合格的產品。

4.2 成型方式

4.2.1 模壓成型方式，是一種采用高溫高壓將纖維擠壓成型的方式，顯著特點為產品內部為實心狀態。這類產品多為板類，成型后

4.2.2 袋壓成型方式，是一種采用耐高溫氣袋對產品進行內部加壓，外部利用模具型腔成型的方式。顯著特點為產品內部空心，產品橫截面異形等產品。

結束語

近些年來，碳纖維復合材料在民用和軍用領域已經得到了十分廣泛的應用，其成型制備工藝技術也經歷了幾十年的發展。目前有大型高溫烤箱，與高溫高壓爐臺等成型設備。建立和優化大型高性能復雜結構的成型工藝已經是該行業發展的方向，這也是制約我國高性能碳纖維復合材料成型的重要原因。