基础篇

碳纤维复合材料的基本概念

　　说起材料，似乎挺复杂的，其实不尽然。大家肯定都听说过石器时代、铜器时代和铁器时代。这很通俗、又很清楚的表明了人类历史发展与材料的关系。到今天，全球材料结构中仍然有有大约一半是钢铁或其合金，从这个意义上讲，我们现在仍然处于铁器时代。

　　一种用于结构的好材料，一般应具有较大的强度，或者外力作用下发生形变相对较小，或者重量较轻。而有时候，我们要求材料必须同时具备强度高、变形小和重量低这三种特性。因此，材料科学领域提出了比强度和比模量的概念。

　　比强度（specific strength）是材料的强度（断开时单位面积所受的力）除以其密度。又被称为强度－重量比。比强度高，简单的说，就是材料又要结实，又要轻。

　　举个例子来说，比普通钢强度高7倍的合金钢，够结实。可是太重。要用合金钢增加结构强度，就必须同时增加重量，这对需要高速运动的物体，意义就不大了。因此我们说，合金钢的比强度还是不够高。

　　比模量（specific modulus）是材料的模量（在受力状态下的应力与应变之比）除以其密度，又称劲度－质量比。比模量高，简单的说，就是材料又要变形小，又要轻。

　　各种工程材料，比如木材、铝、钢，它们的比强度差别很大，但比模量其实都差不多，仅仅从比模量角度，他们之间相互替代的意义也并不大。

　　强度高、变形小、重量低，什么地方会用到这样的材料呢？

　　对了，就是航空和航天工业。飞行器的运动速度高，过载大，对材料强度和变形有严格要求。而且，商用飞机每减重一公斤，一年就能节约3000美元的燃料。远程火箭、太空飞船每减重一公斤，就能节约10，000美元的燃料。能够减少重量，就能够增加有效载荷，降低飞行成本。因此高速飞行领域对材料重量是很敏感的。

　　当然，大家可以联想到，航空航天领域的材料，还需要一个特质，就是耐高温。

　　有朋友说：那钛合金呢？没错，钛合金确实比钢铁更加符合飞行器的要求。但问题是钛资源很少，开采、提炼和加工又很麻烦，因此钛合金的价格相当昂贵。这部分的限制了钛的大规模商用，甚至是大规模军用。对于钛合金，兵器迷将来另有专贴分析，这里就不赘述了。

　　强度高、变形小、重量低、耐高温、不太贵。这五个要求像是密集的交叉火力，把绝大部分已知材料封杀殆尽。就在这个时候，咱们故事的主角，碳纤维复合材料，终于登场了。

　　碳纤维，指碳的重量占90%以上的纤维状碳材料。碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成的材料，就是碳纤维复合材料（CFRP）。


 
 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 
 
 

 


碳纤维布的编织纹理

　　碳纤维复材中最重要的碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。其比模量比钢和铝合金高5倍，比强度要高3倍。而碳纤维的比重，一般在1.6左右，是铝的二分之一，钢的五分之一。碳在各种溶剂中不溶解，在隔绝空气的惰性环境中（常压下），在高温时也不会熔融，而且是在2000摄氏度以上唯一强度不下降的已知材料。只有在10Mpa压力和3000K以上高温条件下，才不经液相直接升华。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，CFRP都具有很高的优势。

　　东西是好东西。可在现代化学工业诞生之前，人们却一直以为，碳产品的脆性非常大，碳纤维也很难做出来。就是好不容易做出来了，力学性能又极差。因此并没有认识到这是个宝贝。碳纤维的利用，可以追溯到1880年，那个以发明灯泡而著名的爱迪生，申请专利，提出利用碳纤维作为电灯的灯丝，后来因为钨丝的替代而不了了之。此后关于碳纤维及其复合材料的研发，在很长时间处于停滞状态。直至二战之后，美国和日本为主的研发工作陆续获得突破，才终于迎来了碳纤维的春天。

　　1950年，美国Wright-Patterson空军基地开始研究用人造丝制造碳纤维，并得到了力学性能优良的碳纤维。1967年，美国Uninon Carbide公司已经能够供应弹性模量为2.8-3.5×106公斤/厘米2的石墨纱。1969年，日本东丽公司研制成功特殊的聚丙烯腈共聚PAN纤维，并结合Uninon Carbide公司的碳化技术，生产出了比强度和比模量都很高的碳纤维。此后至今，东丽公司一直是首屈一指的高性能碳纤维供应商，产量居世界首位。其与日本东邦和三菱人造丝三家日本公司，生产世界70%以上的军用碳纤维，代表着当今高性能碳纤维的最高水平。而以Akzo和Zoltek为代表的美国公司，则把持着低端碳纤维市场的主要份额。


 


东丽公司的碳纤维产品

　　对了。在此，顺便解释一个有朋友问过兵器迷的问题，就是大家经常听说的T300，T800这些碳纤维究竟是什么意思。其实，就是以日本东丽公司TORYA的首字母命名的碳纤维原丝的品级。





 

  

  
东丽公司碳纤维品级
  
  

  
最高抗拉强度
  
 
 

  

  
T300
  
  

  
3.50Gpa
  
 
 

  

  
T700
  
  

  
4.90Gpa
  
 
 

  

  
T800
  
  

  
5.49GPa
  
 
 

  

  
T1000
  
  

  
7.00Gpa
  
 





东丽公司碳纤维品级性能表

　　补充一句：在理论上，碳纤维的抗拉强度可能达到180Gpa，实验室碳纤维最高抗拉强度已达到9.03Gpa，未来有可能做到20Gpa。

　　兵器迷叹口气，日本在高性能碳纤维和其他诸多领域，能够在基础研究、产品研发、市场占有和行业标准这四方面独占鳌头，成为一个行业的领导者。而放眼望去，中国，能够做到如此地步的，又有几何？军工领域尚在追赶，暂且不谈；就是民用领域，除了袁隆平的杂交水稻，这个GDP规模第二的国家在行业领先方面似乎也是寥若星辰。大而无当，大而不强，实积弊已久，国人自强自精之路，尚在漫漫。

　　书归正传。

　　碳纤维的应用，其实可以分为两个大的分支。即高端军用领域的小丝束碳纤维和低端民用领域的大丝束碳纤维。

　　对不住了，材料领域的术语就是多，兵器迷一样挠头。呵呵，各位耐心点看吧。

　　碳纤维的丝束以K表示，1K表示一个丝束含1000根碳纤维，3K就是3000根。一般来讲，24K以下为小丝束（small tow），24K以上的为大丝束（large
tow）。


碳纤维丝束

　　航空航天领域，特别是军用航空领域，在飞机结构上一般采用的是小丝束碳纤维复材，以3K的碳纤维为主。通常小丝束碳纤维的生产必须采用价格昂贵的特种聚丙烯睛PAN原丝，而且这些特种PAN原丝的生产技术是高度保密的，每家公司都有自己的专利技术。原丝制备技术高度保密，不出售，不转让。小丝束碳纤维产品的市场容量相对小，目前主要用于军工产品。

　　而大丝束碳纤维，能够以便宜而且公开出售的民用聚丙烯作为原料，制备碳纤维。因此，价格优势非常明显。举个例子，2012年的国内碳纤维市场，48K的只有一百多人人民币一公斤，24K的二百多，12K的三四百，到3K就要七八百，1K的则高达三四千元一公斤。

　　20世纪90年代中期以后，世界碳纤维发展的最大特点，是大丝束碳纤维获得重大突破。美国Zoltek公司近年来在PAN原丝的研究上取得了突破，成功地采用一般纺织工业用的聚丙烯，生产性能与T300基本相当的PAN－EX33碳纤维。

　　看到这里，那位问了：那能不能用便宜的大丝束产品，替代昂贵的小丝素产品呢？

　　根据网上公开的材料，沈阳飞机设计研究所与北京航空材料研究院，早在“十五”期间，就展开了大丝束碳纤维复合材料在飞机上的应用研究工作。通过美国Zoltek的48K大丝束与东丽T300的3K小丝束的对比试验（见表2），证明了在强度性能上，二者差异不大。但在模量性能上，特别是纵向拉伸和纵向压缩模量上，大丝束比小丝束低15%左右。因此，目前大丝束虽然便宜，却尚难以用到军机的主承力构件或者次承力构件上，但可以在通用航空领域、无人机和其他民用领域大显身手。





 

  

  
性能
  
  

  
A 美国Zoltek
  48K大丝束 PANEX-48K
  
  

  
B 日本东丽T300 3K小丝束 T300-3K/QY8911
  
  

  
（A-B）/B
  
 
 

  

  
纵向拉伸强度MPa
  
  

  
1490
  
  

  
1548
  
  

  
-3.75%
  
 
 

  

  
纵向拉伸模量GPa
  
  

  
118
  
  

  
135
  
  

  
-12.59%
  
 
 

  

  
纵向压缩强度MPa
  
  

  
1150
  
  

  
1226
  
  

  
-6.20%
  
 
 

  

  
纵向压缩模量GPa
  
  

  
107
  
  

  
126
  
  

  
-15.08%
  
 
 

  

  
横向压缩强度MPa
  
  

  
240
  
  

  
218
  
  

  
10.09%
  
 
 

  

  
横向压缩模量GPa
  
  

  
9.85
  
  

  
10.7
  
  

  
-7.94%
  
 
 

  

  
面内剪切强度MPa
  
  

  
116
  
  

  
89.9
  
  

  
29.03%
  
 
 

  

  
面内剪切模量GPa
  
  

  
4.63
  
  

  
4.47
  
  

  
3.58%
  
 
 

  

  
曾经剪切强度MPa
  
  

  
119
  
  

  
110.5
  
  

  
7.69%
  
 





48K大丝束与3K小丝素性能对比试验数据

　　用于飞机结构的小丝束产品，属于战略性物资，国外对华禁运，所以高层相当重视，现在也是战略重点。此外在工业应用领域内的低成本大丝束碳纤维，过去重视不太够，现在都在往这个方向努力，但是尚未达到产业化的程度。从需求上看，碳纤维从1950年代主要应用在火箭、宇航及航空等尖端科学，到1980年代被广泛应用于纺织、化工机械、建筑、风机叶片及医学领域。比如，在体育领域，碳纤维主要应用于高尔夫棒、网球拍、赛车、弓箭、跳竿、冰球棒、游艇、赛艇、滑翔机、人力飞机、帆船桅杆、摩托车及登山用品，如登山杖、滑雪杖、攀岩头盔等。国内各种应用占碳纤维率需求比例，大致分别为工业60%、体育30%，航空10%，因此从推动产业升级的角度来说，大丝束碳纤维，无疑具有更加广阔的商业前景。

 
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