碳纤维增强复合材料及其应用研究

韩艳霞

（凯迈（洛阳）测控有限公司，河南 洛阳 471003）

目前，生产和销售的产品结构采用玻璃钢（复合材料，主要成分是树脂和玻璃纤维）箱体，其导热系数为0.4W/（nk），密度为2.3g/cm，且具备较高的拉伸强度，是一种综合性能优异的复合材料。随着材料技术的不断更新发展，市场对于轻量化需求日益突出，然而，在现有玻璃钢材料基础上，其结构形式已无法实现更高的减重目标。碳纤维复合材料具有质轻、比强度高、比刚度大、抗疲劳好、减震性好等特点，本文将对不同铺层结构的碳纤维复合材料进行分析，结合产品进行轻量化设计应用研究。

1 碳纤维增强复合材料

碳纤维增强复合材料（CFRP）通常以碳纤维为增强体，热固性树脂（以环氧树脂居多）为基体制备的复合材料，纤维承担了大部分负载，并且是材料性能的主要贡献者。而树脂有助于在纤维之间转移载荷，防止纤维弯曲，并将材料黏合在一起。碳纤维增强板具有显著的高比强度和高比模量，使其成为航空航天、汽车工业等轻量化、高性能应用的首选。碳纤维性能优异，与金属材料相比，在力学性能上有着明显优势，如表1所示。

碳纤维材料一般不单独使用，通常用于复合材料的增强体，并起到承载负荷的作用，而基体材料主要用于传递应力。

碳纤维通过与不同的基体材料复合，可以形成不同种类的复合材料，其中CFRP、C/C复合材料、CFRM、CFRC和CFRR是最常见的几种复合材料，应用最广泛的是碳纤维增强树脂基复合材料。

2 碳纤维复合材料铺层设计

碳纤维复合材料是将各向异性的碳纤维层与基体材料按照一定的顺序和角度叠在一起，然后，通过一定的工艺使各铺层紧密贴合在一起。各纤维层的铺设角度、铺层顺序可任意设定，其力学性能与材料的铺层方式有着密切的联系。

2.1 铺层原理

（1）本研究采用环氧树脂为基体进行碳纤维铺层，铺层原理如下所述：通常的标准铺层角度为0°、±45°、90°；

（2）采用足够多的铺层，并使其纤维轴线与内力拉压方向一致时，可以最大强度利用复合材料的高强度特性；

（3）避免相同纤维取向的铺层叠置；

（4）对于较厚的层合板，相邻铺层纤维角度比一般不超过6°；

（5）铺层中以0°、±45°、90°的四种铺层角度，每种占比应不少于10%，以避免任何方向的基体直接受载；

（6）载荷0°方向时，避免采用90°的层组，应该用0°或±45°的层将其隔开，以减小层间的剪切应力和法向应力。

表1 碳纤维复合材料与其他材料性能及优缺点对比

2.2 铺层方案与角度设置

机箱在运输、工作时，做上下、左右往复震动，在此过程中，理想的机箱应该在横向和纵向均不出现扭曲变形。因此，0°方向的铺设角度是必须的。为了提高机箱的抗冲击性能，铺层需要增加±45°的铺设角度，此外，为了有利于层间剪切应力的传递，可以增加90°的铺设角度。

为了得到最优铺层方案，保证碳纤维复合材料满足刚度需求，在初始设计过程中，根据铺层原理，选用环氧树脂为基体，选用厚度为0.3mm的碳纤维板层，按照（0°、45°、90°、-45°、0°）的铺层角度进行复合层板的设计，本文以下所述碳纤维样片、碳纤维产品材料，均采用该铺层方案进行设计和加工。

3 有限元分析及实验验证

3.1 有限元分析

对设定的铺层方案进行理论分析，以减小设计的盲目性，据此指导碳纤维机箱加工厂家选择合适的工艺进行加工，本文利用有限元分析技术对碳纤维复合材料的力学性能进行分析计算。

文中分析基于Ansys，采用（0°、45°、90°、-45°、0°）铺层角度、0.3mm的纤维层铺设建立1.5mm厚的碳纤维复合材料模型。研究1MPa压力下其应力、应变结果。

3.2 试验验证

制作厚度为1.5mm的碳纤维增强复合材料（环氧树脂）板材，并按照GB/T1447-2005对样件进行力学性能试验验证，样片选用和测试标准（角标）。经试验测试（试验设备为250kN材料试验机：INSTR0N5985），该板材的弹性模量为54.1Gpa，泊松比（反映材料横向变形的弹性常数）为0.067。较大的弹性模量和非常小的泊松比，说明该样片具有优异的力学性能。

4 产品应用及轻量化分析

4.1 产品应用

碳纤维材料在产品中的应用，以在机箱中的应用情况进行分析研究。机箱主要用于外场，由箱体、箱盖、其他配件等组成，原产品主要采用玻璃钢材料制作厚度2.7mm，产品外形尺寸500×400×300。

4.2 轻量化分析

根据产品的外场使用要求，产品要轻质，抗冲击能力强。玻璃纤维密度为2.3g/cm，碳纤维密度为1.7g/cm，产品制作材料由玻璃纤维复合材料改为碳纤维复合材料，厚度由2.7mm减为1.5mm，计算重量如表2所示。

由表2可以看出，玻璃纤维复合材料产品重量为17.65kg，碳纤维复合材料产品重量为11.29kg，减重比达到36%。而碳纤维板相较于玻璃纤维板，其性能如表1所示，抗拉强度及拉伸模量都有较大提升。

5 碳纤维增强复合材料应用

结合产品特点及要求，通过碳纤维类型、纤维含量、纤维铺层等设计改变材料结构并获得理想性能。

碳纤维复合材料具有层间强度低，各项异性、硬度高、脆性大等特点，在切削时易出现层间分离、劈裂现象，尺寸要求和表面质量不易保证。因此，碳纤维产品在设计时，应充分考虑材料的特点，主要包括：

（1）零件受力方向尽量与碳纤维纵向一致，避免层间受力；

（2）避免出现倒角、台阶孔等导致纤维层断裂的结构；

（3）尽量一次成型，避免二次加工；

（4）导热通路可压接金属件，提高散热能力；

（5）螺纹采用预埋件；

（6）需要导电的表面可采用镀铜、镀银、镀镍形成导电薄膜层；

（7）强度仿真时，要考虑材料的各向异性。

6 结语

碳纤维复合材料产品，在满足强度及刚度要求的前提下，与同类型的玻璃钢产品相比，减重超过30%，轻量化成效显著，力学性能优异，产品交付使用后，市场反馈良好，具有极广阔的应用前景。

然而，由于受制于高昂的材料费和加工费（约为玻璃钢材料的4～5），且全面系统的验证及数据收集方法尚在探索阶段，同时，产品由基体选用、铺层方案设定所引起的碳纤维复合材料，性能差异和应用研究还十分匮乏，因此，碳纤维复合材料在产品中的广泛应用仍有较长的路要走。