碳纤维复合材料的奇妙之处

轻质高强的特性是材料发展永恒的主题，它是推动社会、经济、科技发展，国防建设和增强国家竞争力的重要基础。在材料的轻质高强化进展中，以碳纤维复合材料为代表的纤维增强复合材料是最成功的典范。如导弹发动机壳体、武装飞机、航母、舱外宇航服、装甲、大飞机、汽车减重、高速列车、海洋开发、风能发电、光纤增强等离不开高性能纤维及其复合材料。过去的几十年，它在世界强国的发展进程中起到非常重要的作用，不仅在航空、武器研发、国防建设中具有不可替代的地位，而且在科技进步、经济建设和体育运动等领域发挥重要的作用。高性能纤维及其增强复合材料几乎已成为世界强国国家实力的象征之一（如图1所示）。

图1  碳纤维的相关应用

碳纤维复合材料本身具备了较高的比强度和比模量、抗疲劳、耐腐蚀、成型工艺性好及可设计性强等特点，现已成为汽车和飞机结构中与铝合金、钛合金和钢并驾齐驱的四大结构材料之一，是21世纪汽车、航空制造技术新材料发展的主流方向之一，已被国家纳入重点支持产业方向。据中国复合材料“十二五”发展初探，全球复合材料行业的重心正在从欧美发达国家转向亚洲，亚洲复合材料产量高速增长是行业发展最明显的趋势之一，产量到2015年有望翻番，达1000万吨。预计亚洲在全球复合材料市场所占比重将从本世纪初的25%提升至2013年的51%。由此可见，复合材料成型工艺及设备研究在推动汽车、航空制造业乃至多个工业发展方面都具有举足轻重的作用。由于其显著的抗冲击韧性优势，近年来热塑性复合材料开始在航空部件中应用：荷兰Fokker公司基于碳纤维/聚苯硫醚（PPS）热塑性复合材料，设计并开发了飞机尾翼部分、方向舵和升降舵；用于美国Gulfstream航空航天公司的G650 型商务机并已于2009年11月试飞成功，荣获了2010年JEC 复合材料展览会航空航天创新奖；Ticona公司制备机翼主缘，用于空客A340和A380飞机的机翼、副翼结构。

图2  碳纤维复合材料在A380上的应用情况

图3  碳纤维复合材料在B787上的应用情况

智能复合材料构造的研究开发无疑是21世纪材料构造领域的重要课题。早在20世纪50年代人们已提出“Adaptive system”（自适应系统）这一概念。20世纪80年代“Smart materials and structures”（机敏材料与结构）得到广泛认可，同时以此为主题的国际会议也被定期举行，相应的杂志也逐渐增对。现阶段的智能材料大多是根据需要从而选择两种或多种不同的材料来复合或是集成制成的。即在使用材料构件中埋入某种功能材料或器件，使这种新组合材料具有智能特征。从构造上看，现阶段的智能材料是复合材料的一种，故在此称之为智能复合材料。耐冲击形状记忆树脂混合层合板是一个很好的示例，其原理如图4所示。

图4  形状记忆高分子材料的记忆和回复机理

利用干式成膜法可以将SMP制成薄膜，然后与其他复合材料复合，从而得到混合率不同的层合板。由于SMP 单体具有优良的减振和耐冲击效果，所以由 SMP 复合的层合板可望对原复合构造的减振和耐冲击性能有较大的改善。图5显示了所开发的几种层合板试料，是由CFRP（carbon fiber reinforce plastic）预制薄膜层及CF织物和SMP薄膜叠积而成，其SMP 层厚度分别占板厚的25%、50%等。

图5  形状记忆树脂混合层合板

另外，还可利用碳纤维的导电性给所开发的层合板通电，让其内部发热至SMP的Tg以上，然后来比较分析各条件下的耐冲击性能，从而使SMP 得到更好的减振耐冲作用。

图6  层合板通电电流与板温的关系

图7  各层合板冲击能量的比较

图6显示了层合板通电时通电流与板温度的关系。当电流在1.5A以上时，层合板的温度可达Tg以上，在此条件下对上述层合板做贯通冲击试验，用整个冲击过程中所消耗的能量Et作为评价指标，其冲击性能的评价结果如图7所示。由图可见，层合板中SMP的含量为25%时，其吸收能是全CFRP板的两倍。当SMP从25%增加到50%时，吸收能增加了20%左右。由此可见，SMP可大大提高材料的耐冲击性能。另外，当给同层合板通电时，其吸收能达约5J/mm，与没有通电相比有很大的提高。同时，在SMP的Tg温度以上，SMP复合层合板显示出更好的耐冲击性能。

文章来源： 中国材料研究学会