碳纤维织物成型工艺的分析

张二勇 孙 艳

（连云港神鹰复合材料科技有限公司，江苏 连云港222000）

复合材料不仅具有高强度，高模量，高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐蚀性等优异特点。碳纤维（Carbon fiber,简称CF）是含碳量高于90%的无机高分子纤维，它是用一些含碳的有机纤维，如腈纶丝、沥青及黏胶纤维等作为原丝，跟有机树脂相结合，放在惰性气体中，经碳化而成的新型纤维材料。

1 碳纤维的分类

碳纤维与钻石一样,是主要由碳元素组成的物质,具有以下特性：轻质高强，其比重为铁的四分之一，而强度是铁的10 倍，尤其是高弹模量碳纤维，其抗拉强度比钢材大68 倍，弹性模量比钢材大1.8～2.6 倍。可以称之为新材料之王。因此广泛应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、体育休闲领域。

1.1 按力学性能可分4 类

1.1.1 超高模量（UFM）碳纤维；

1.1.2 高模量（HM）碳纤维；

1.1.3 超高强度（UHS）碳纤维；

1.1.4 高强度（HS）碳纤维。

1.2 按原料分3 类

PAN 碳纤维、沥青碳纤维和人造丝碳纤维。均由原料纤维高温碳化成，成分基本都是碳元素，其主要性能见下表，目前复合材料中大多数使用PAN 碳纤维。

表1 各种材料碳纤维的主要性能

1.3 按用途可分2 类

24K 以下为宇航级小丝束碳纤维（1K 为1000 根单丝）；48K以上为工业级大束丝碳纤维。

2 碳纤维主要性能

2.1 密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5～2g/cm3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度1/2。

2.2 强度高、弹性模量高,其强度比钢大4～5 倍,弹性回复为100%。

2.3 热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂。

2.4 摩擦系数小,并具有润滑性。

2.5 导电性好,25 时高模量碳纤维的比电阻为775cm, 高强度碳纤维则为1500cm。

2.6 耐高温和低温性好,在3000 非氧化气氛下不熔化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化。

2.7 耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。除此之外,碳纤维还具有耐油、抗辐射的特性。

尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能，然而，它属于脆性材料，只有将它与其它基体材料有效牢固的结合在一起时，才能发挥其优异的力学性能。

3 碳纤维碳丝铺层方式对力学性能的影响

3.1 实验机器：万能压力机，型号：AG-X plus

3.2 实验材质：SYM40

表2 材料及工艺数据

测试结果：

表3 弯曲强度测试对比数据

4 碳纤制品成型方式

4.1 铺层设计

铺层设计是碳纤维复合材料成型的关键，铺层时纤维的角度，层数，直接决定产品的力学性能，角度的不同，层数的多少是设计产品的重要考量依据。对于一般的板材，需要考量纤维成型时热膨胀系数，轴向纤维与径向纤维合理的搭接比例，从而达到合格产品要求。碳纤维轴向与径向的线膨胀系数分别为：-0.3X10K 和12X10K,所以通过不同铺层比例设计一般轴向与径向比例3:2 关系得出的轴向膨胀系数最小，所以在设计产品时绝大部分采用该种铺层设计。铺层的对称性也是一个衡量指标。通过实验得出采用C0/C90/C0/C90/C0.铺层得出的产品平面度最好，采用C0/C0/C0/C90/C90 次之。而根据实际产品的性能要求来调整铺层的层间方式，从而可以得到合格的产品。

4.2 成型方式

4.2.1 模压成型方式，是一种采用高温高压将纤维挤压成型的方式，显著特点为产品内部为实心状态。这类产品多为板类，成型后

4.2.2 袋压成型方式，是一种采用耐高温气袋对产品进行内部加压，外部利用模具型腔成型的方式。显著特点为产品内部空心，产品横截面异形等产品。

结束语

近些年来，碳纤维复合材料在民用和军用领域已经得到了十分广泛的应用，其成型制备工艺技术也经历了几十年的发展。目前有大型高温烤箱，与高温高压炉台等成型设备。建立和优化大型高性能复杂结构的成型工艺已经是该行业发展的方向，这也是制约我国高性能碳纤维复合材料成型的重要原因。