碳纖維復合材料相對金屬和塑料來(lái)說(shuō),是一個(gè)稍顯冷門(mén)的類(lèi)別,我們對它的認知更多的停留在輕量化和高性能上面,其實(shí)它在現代社會(huì )的應用已經(jīng)超過(guò)50年了。碳纖維復合材料本身并不是唯一的,可以根據碳纖維品類(lèi)和基體類(lèi)型而進(jìn)行劃分。碳纖維復合材料中,碳纖維作為增強體,可以賦予復合材料在機械性能上的多項能力,而纖維含量的占比同樣不是唯一的。智上新材料就來(lái)介紹一下,在碳纖維復合材料中,纖維含量占比變化時(shí)會(huì )如何影響最終性能。
  
 
  碳纖維復合材料的物理基本構成
  
  1、碳纖維:碳纖維作為增強體,本身是以晶體結構排列的碳原子束,這種排列的結構賦予了高強度和剛度,表現出出色的抗拉強度、彎曲強度和壓縮強度,同時(shí)具備一定的耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等特殊性能。
  
  2、樹(shù)脂基體:樹(shù)脂基體充分浸潤碳纖維,可以與之粘合在一起,保護碳纖維免受損傷,有助于在復合材料上分散應力,保護的同時(shí)也獲得了相應的性能。樹(shù)脂基體分為熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂兩大類(lèi),目前熱固性樹(shù)脂更易制備,而熱塑性樹(shù)脂性能上限更高,且可重塑加工。
  
  3、添加劑和填料:為碳纖維復合材料增加特定的性能,如阻燃性、紫外線(xiàn)防護或熱穩定性等,并不是必須的部分。
  
 
  纖維含量占比發(fā)生變化時(shí),碳纖維復合材料性能會(huì )發(fā)生什么改變?
  
  纖維含量占比直接關(guān)乎復合材料的最終性能,因此不同的行業(yè)會(huì )選擇不同纖維含量的碳纖維復合材料。高纖維含量(按體積計算的60~70%)適用于航空航天等高端行業(yè),中纖維含量(按體積計算的40~50%)適用于體育用品,低纖維含量(按體積計算的40%以下或更低)適用于非承力的結構部件。而纖維含量發(fā)生變化時(shí),對碳纖維復合材料的性能影響可以從以下多個(gè)方面進(jìn)行詳細介紹。
  
  1、機械性能:高纖維含量具有更高的拉伸、壓縮和彎曲強度以及剛度,具備更好的強度重量比,但自身會(huì )變脆,抗沖擊性能下降;低纖維含量的各項強度和剛度明顯更低,但樹(shù)脂基體增多后,復合材料的總體韌性會(huì )提高,吸能效果更好。
  
  2、熱性能:高纖維含量具有更好的導熱性,從而增強了復合材料的聚熱散熱能力,同時(shí)減少熱膨脹問(wèn)題,提高結構穩定性;低纖維含量使得復合材料具有不錯的隔熱性,但高溫環(huán)境下更容易發(fā)生膨脹。
  
  3、耐用性:高纖維含量的碳纖維復合材料的浸潤難度更大,如果浸潤不充分,復合材料成型后更容易分層和開(kāi)裂,自身脆性較高,在強沖擊作用下會(huì )容易發(fā)生脆性損壞;低纖維含量則相反,浸潤難度低,充分浸潤下延展性更高,可以更好的抵抗分層和開(kāi)裂,生產(chǎn)加工復合材料制品時(shí)容錯度更高,難度有所降低。
  
 
  纖維含量占比發(fā)生變化時(shí),是否影響碳纖維復合材料的制備?
  
  纖維含量占比發(fā)生變化會(huì )直接影響碳纖維復合材料的制備,和后續碳纖維復合材料制品的生產(chǎn)加工,在實(shí)際制備中,樹(shù)脂的浸潤、復合材料的固化成型,以及整體的結構和性能都會(huì )受到影響。
  
  1、樹(shù)脂浸漬:高纖維含量會(huì )使得樹(shù)脂想要充分浸潤緊密堆積的碳纖維難度大幅提升,浸潤不充分會(huì )出現空隙和干點(diǎn),需要改善浸潤的方式,如使用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑 (VARTM) 或預浸漬等技術(shù)。整體制備難度大幅提升,時(shí)間和成本也隨著(zhù)增加。低纖維含量的考量想對較少,浸潤難度低,降低了空隙的可能性,制造流程更簡(jiǎn)單快捷。
  
  2、預浸料鋪層:高纖維含量在制備時(shí)需要精確放置和對齊纖維以確保結構完整性,制備時(shí)需要多層織物或單向層,增加了操作的復雜性,對鋪層環(huán)節的技術(shù)要求更高,一旦操作失誤,需要重新來(lái)過(guò)。低纖維含量的鋪層則相對容易不少,纖維方向不需求精確對齊,鋪層更容易完成。
  
 
  3、固化成型:高纖維含量的碳纖維復合材料在加溫加壓固化成型環(huán)節,因為本身的樹(shù)脂較少,所以均勻分布的難度更大,固化時(shí)樹(shù)脂出現流動(dòng),更容易出現薄弱點(diǎn),同時(shí)溫度、壓力和固化時(shí)間的把控要求更高,一旦出現失誤,制備的碳纖維復合材料制品在性能會(huì )出現較大的缺陷。低纖維含量則由于樹(shù)脂流動(dòng)和分布更容易,固化過(guò)程更簡(jiǎn)單,同時(shí)降低了固化過(guò)程中內應力集中的問(wèn)題,出現缺陷的風(fēng)險大幅下降。
  
  4、設備和經(jīng)驗:高纖維含量通常需要更專(zhuān)業(yè)的設備,如用于預浸料固化的高壓釜或用于樹(shù)脂注射的高壓系統,同時(shí)對技術(shù)人員的經(jīng)驗要求更高,增加了制備過(guò)程中出現的問(wèn)題的可能性。低纖維含量的碳纖維復合材料使用標準設備即可完成,同時(shí)技術(shù)人員對壓力和溫度的控制不用過(guò)于精確。
  
  5、材料和成本:高纖維含量占比的碳纖維復合材料,碳纖維部分價(jià)格較高,自然整體成本更高,另外專(zhuān)業(yè)設備、更有經(jīng)驗的技術(shù)人員等都會(huì )堆高成本,而任何一個(gè)環(huán)節的失誤都會(huì )額外增加生產(chǎn)成本。低纖維含量占比的碳纖維復合材料在這方面自然會(huì )低一些。不過(guò)前者造價(jià)高,售價(jià)自然也比較高。
  
 
  智上新材料來(lái)做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結,即纖維含量占比的不同,會(huì )不同程度的影響碳纖維復合材料的各項性能,同時(shí)對其制備和生產(chǎn)產(chǎn)生一定程度的影響。不同行業(yè)對碳纖維復合材料的性能需求各異,纖維含量占比的高低需根據實(shí)際需求而擬定。