超酷的碳纖維復合材料
傳統使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構成復合材料。碳纖維復合材料（CFRP）由于比重小、剛性好和強度高，被廣泛的應用于到建筑、橋梁、醫療器械、汽車、船部件、電腦、手機、箱包、體育用品等行業。
一、碳纖維復合材料的優點
纖維復合材料吸收外力的方式有三種：纖維斷裂、纖維拔出、樹脂斷裂。纖維長度增加，則纖維拔出消耗更多的能量，故有利于沖擊強度的提高。常見的纖維復合材料就是鋼架混凝土，它是現代高樓大廈及城市的基礎。碳纖維因優異的性能使其復合材料特點更明顯。
常用結構材料強度、模量比較
拉伸強度/MPa
拉伸模量/GPa
比強度[MPa/(g/cm3)]
比模量/[GPa/(g/cm3)]
密度
鋁合金
393
72.0
141.3
25.9
2.78
結構鋼
1197
206
152.6
26.3
7.85
鈦合金
712
116.7
157.5
25.8
4.52
玻璃纖維/聚酯復合材料
1245
48.2
623
24.1
2.0
高強度碳纖維/雙馬來酰亞胺復合材料①
696
60.7
480
41.9
1.45
高強度碳纖維/雙馬來酰亞胺復合材料②
1548
135
1068
93.1
1.45
中模量碳纖維/雙馬來亞酰胺復合材料③
1233
73.4
811
48.3
1.52
中模量碳纖維/雙馬來亞酰胺復合材料④
2741
163
1803
107.2
1.52
高強度碳纖維/環氧樹脂復合材料⑤
1470
137.3
1014
94.7
1.45
高模量碳纖維/環氧樹脂復合材料⑥
1049
235
656
146.9
1.6
有機纖維/環氧復合材料⑦
1373
78.4
981
56.0
1.40
①QY8911/T300，鋪層為0 ° ，±45 °,90 °；比例40%，50%， 10%。
②QY8911/T300，鋪層為0 ° 。
?、跶Y9511/T800H,鋪層為0 °，±45 °，90 °；比例40%，50%，10%。
?、躋Y9511/T800H,鋪層為0 °。
⑤T300碳纖維，0 °鋪層。
?、轒40碳纖維，0 °鋪層。
?、逰ovlar-149，0 °鋪層。
從上表可以看出碳纖維復合材料優勢明顯，所以隨著輕量化的普及碳纖維復合材料的應用也越來越廣泛。
二、制品的基礎
1、 編織布
碳纖維的特性，可以進行編織，但因為碳纖維非常細，所以不像其他纖維那樣可以單根編織，而是一束一束編織，這就是我們常聽到的1K布、3K布等。
按織造方式分
1、機織碳纖維布，主要有：平紋布，斜紋布，緞紋布，單向布等
2、針織碳纖維布，主要有：經編布，緯編布，圓機布(套管)，橫機布(羅紋布)等
3、編織碳纖維布，主要有：套管，盤根，編織帶，二維布，三維布，立體編織布等
4、碳纖維無紡布，非織造布，即碳纖維氈，碳氈，包括短切氈，連續氈，表面氈，針刺氈，縫合氈等。
碳纖維布很少單獨使用，而是和樹脂一起配合使用。
1、 預浸料
由碳纖維、樹脂等材料，經過涂膜、熱壓、冷卻、覆膜、卷取等工藝加工而成的復合材料稱為碳纖維預浸料，又名碳纖維預浸布。預浸料之所以叫“預”浸料，就是在加工制品之前預先在纖維便面涂覆一層樹脂，并由線性，變為平面利于后道加工。
預浸料可以使用碳纖維絲、也可以使用碳纖維布進行預浸，預浸用的樹脂可以采用熱固性樹脂，也可以采用熱塑性樹脂，但目前大多數采用熱固性的環氧樹脂。
編織布優點：美觀、受力均勻
編織布缺點：強度低、貴 (編織需要花錢)
單向布優點：強度高且穩定，疊層角度可設計，價格便宜，
單向布缺點：成型后外觀看不出是碳纖維，單層無法應用
預浸料幾個重要概念：克重、樹脂含量
1、 碳纖維改性粒子
纖維改性的粒子使用熱塑性樹脂和碳纖維改性而得，這里的熱塑性樹脂可以使用幾乎所有的塑料材料，纖維可以使用短纖和長纖維，這一點類似于玻纖改性。碳纖維改性粒子大的優勢就是可以應用于注塑產品，但纖維含量不能太高。
三、材料和工藝比較
1、熱固性和熱塑性復合材料
熱固性復合材料使用環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂等熱固性樹脂。
熱固性復合材料優點是耐溫好，纖維含量高，且可以在加工溫度可以低于其耐受溫度，缺點是不可回收利用，且需要冷藏保存。
熱塑性復合材料使用包括通用樹脂、工程塑料、特種樹脂在內所以熱塑性樹脂。
熱塑性復合材料優點是可以重復使用，加工形式多樣，缺點是纖維含量較低，且加工溫度較高，要在樹脂的熔點以上。
2、預浸料
纖維：碳纖維絲、碳纖維布（3K）見二（1）
樹脂：熱固性樹脂、熱塑性樹脂 見三（1）
工藝：濕法、干法
濕法既溶液浸漬法：
溶液浸漬法是把樹脂基體各組分按規定的比例,溶解于低沸點溶劑中,使之成為一定濃度的溶液,然后將纖維束或織物以規定的速度通過樹脂基體溶液,使其浸上定量的樹脂基體。溶液浸漬法的優點是增強材料容易被樹脂基體浸透，可以制造薄型預浸料, 也可制造厚型預浸料，并且設備造價相對較低。缺點是需要干燥爐除去溶劑或進行溶劑回收。處理不當會引起燃燒或引起環境污染。預浸料往往殘留一定量的溶劑,成型時易形成空隙,影響復合材料性能。該方法在發達工業已逐步被熱熔法取代。
干法既熱熔法
熱熔法是溶液浸漬法的基礎上發展起來,以免去溶液浸漬法因溶劑帶來的諸多不便。專業化預浸料公司大都采用熱熔法制備預浸料,特別是主承力結構用的預浸料。熱熔法因其工藝步驟不同,又可分為直接熱熔法（也稱一步法）和膜膠壓延法（也稱兩步法）。前者是將樹脂基體置于膠槽中,加熱到一定溫度、使樹脂熔融,然后將纖維束依次通過展開機構、膠槽、多組擠膠輥、重排機構后收卷。
該工藝要求樹脂基體有良好流動性,在不高的溫度下呈流動態,以利浸潤纖維。膜膠壓延法是目前廣泛采用的方法,是生產預浸料的選擇。該法一般包括制膜和預浸兩個步驟。制膜是先將樹脂基體置于混合器中充分混合,待加熱到佳涂膜溫度后,用電機驅動的計量泵或通過壓力將樹脂基體輸送到涂膠輥,調節涂膠輥的間距和離型紙的運行線速度,可以制得不同厚度的膠膜。通過無損檢測儀控制膠膜的厚度或膠膜的面密度,利用冷卻板降低膠膜的溫度,盡量減少其固化程度,隨后收卷、包裝,存放于冷庫待用。預浸過程包括從紗架引出纖維,調節張力后,通過蓖子集束、展平到規定的寬度、從上、下膠膜輥引出預先制好的膠膜,與纖維形成夾芯結構,依次通過多組熱壓輥,使樹脂基體熔融,纖維嵌入樹脂基體中。經過冷卻段、降低預浸料溫度和覆蓋聚乙烯薄膜后,切邊、收卷,制得預浸料。熱熔浸漬法的優點是工藝過程線速度大、效率高樹脂含量容易控制，沒有溶劑,預浸料揮發分含量低,工藝安全不需要干燥爐、減少了環境污染。制膜和浸漬過程可以分步進行，減少了材料特別是昂貴增強材料的損失，且這種工藝預浸料的外觀質量優于其它方法。
預浸料的生產多為兩步法，步為涂膠，第二步為含浸。
3、碳纖維制品
目前碳纖維制品，主要是熱固性復合材料，其中大部分是以碳纖維布和預浸料作為基礎，進一步加工。隨著進一步的發展，對碳纖維熱塑性復合材料的需求也逐漸增加。
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一、碳纖維復合材料的優點
纖維復合材料吸收外力的方式有三種：纖維斷裂、纖維拔出、樹脂斷裂。纖維長度增加，則纖維拔出消耗更多的能量，故有利于沖擊強度的提高。常見的纖維復合材料就是鋼架混凝土，它是現代高樓大廈及城市的基礎。碳纖維因優異的性能使其復合材料特點更明顯。
常用結構材料強度、模量比較
拉伸強度/MPa
拉伸模量/GPa
比強度[MPa/(g/cm3)]
比模量/[GPa/(g/cm3)]
密度
鋁合金
393
72.0
141.3
25.9
2.78
結構鋼
1197
206
152.6
26.3
7.85
鈦合金
712
116.7
157.5
25.8
4.52
玻璃纖維/聚酯復合材料
1245
48.2
623
24.1
2.0
高強度碳纖維/雙馬來酰亞胺復合材料①
696
60.7
480
41.9
1.45
高強度碳纖維/雙馬來酰亞胺復合材料②
1548
135
1068
93.1
1.45
中模量碳纖維/雙馬來亞酰胺復合材料③
1233
73.4
811
48.3
1.52
中模量碳纖維/雙馬來亞酰胺復合材料④
2741
163
1803
107.2
1.52
高強度碳纖維/環氧樹脂復合材料⑤
1470
137.3
1014
94.7
1.45
高模量碳纖維/環氧樹脂復合材料⑥
1049
235
656
146.9
1.6
有機纖維/環氧復合材料⑦
1373
78.4
981
56.0
1.40
①QY8911/T300，鋪層為0 ° ，±45 °,90 °；比例40%，50%， 10%。
②QY8911/T300，鋪層為0 ° 。
?、跶Y9511/T800H,鋪層為0 °，±45 °，90 °；比例40%，50%，10%。
?、躋Y9511/T800H,鋪層為0 °。
⑤T300碳纖維，0 °鋪層。
?、轒40碳纖維，0 °鋪層。
?、逰ovlar-149，0 °鋪層。
從上表可以看出碳纖維復合材料優勢明顯，所以隨著輕量化的普及碳纖維復合材料的應用也越來越廣泛。
二、制品的基礎
1、 編織布
碳纖維的特性，可以進行編織，但因為碳纖維非常細，所以不像其他纖維那樣可以單根編織，而是一束一束編織，這就是我們常聽到的1K布、3K布等。
按織造方式分
1、機織碳纖維布，主要有：平紋布，斜紋布，緞紋布，單向布等
2、針織碳纖維布，主要有：經編布，緯編布，圓機布(套管)，橫機布(羅紋布)等
3、編織碳纖維布，主要有：套管，盤根，編織帶，二維布，三維布，立體編織布等
4、碳纖維無紡布，非織造布，即碳纖維氈，碳氈，包括短切氈，連續氈，表面氈，針刺氈，縫合氈等。
碳纖維布很少單獨使用，而是和樹脂一起配合使用。
1、 預浸料
由碳纖維、樹脂等材料，經過涂膜、熱壓、冷卻、覆膜、卷取等工藝加工而成的復合材料稱為碳纖維預浸料，又名碳纖維預浸布。預浸料之所以叫“預”浸料，就是在加工制品之前預先在纖維便面涂覆一層樹脂，并由線性，變為平面利于后道加工。
預浸料可以使用碳纖維絲、也可以使用碳纖維布進行預浸，預浸用的樹脂可以采用熱固性樹脂，也可以采用熱塑性樹脂，但目前大多數采用熱固性的環氧樹脂。
編織布優點：美觀、受力均勻
編織布缺點：強度低、貴 (編織需要花錢)
單向布優點：強度高且穩定，疊層角度可設計，價格便宜，
單向布缺點：成型后外觀看不出是碳纖維，單層無法應用
預浸料幾個重要概念：克重、樹脂含量
1、 碳纖維改性粒子
纖維改性的粒子使用熱塑性樹脂和碳纖維改性而得，這里的熱塑性樹脂可以使用幾乎所有的塑料材料，纖維可以使用短纖和長纖維，這一點類似于玻纖改性。碳纖維改性粒子大的優勢就是可以應用于注塑產品，但纖維含量不能太高。
三、材料和工藝比較
1、熱固性和熱塑性復合材料
熱固性復合材料使用環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂等熱固性樹脂。
熱固性復合材料優點是耐溫好，纖維含量高，且可以在加工溫度可以低于其耐受溫度，缺點是不可回收利用，且需要冷藏保存。
熱塑性復合材料使用包括通用樹脂、工程塑料、特種樹脂在內所以熱塑性樹脂。
熱塑性復合材料優點是可以重復使用，加工形式多樣，缺點是纖維含量較低，且加工溫度較高，要在樹脂的熔點以上。
2、預浸料
纖維：碳纖維絲、碳纖維布（3K）見二（1）
樹脂：熱固性樹脂、熱塑性樹脂 見三（1）
工藝：濕法、干法
濕法既溶液浸漬法：
溶液浸漬法是把樹脂基體各組分按規定的比例,溶解于低沸點溶劑中,使之成為一定濃度的溶液,然后將纖維束或織物以規定的速度通過樹脂基體溶液,使其浸上定量的樹脂基體。溶液浸漬法的優點是增強材料容易被樹脂基體浸透，可以制造薄型預浸料, 也可制造厚型預浸料，并且設備造價相對較低。缺點是需要干燥爐除去溶劑或進行溶劑回收。處理不當會引起燃燒或引起環境污染。預浸料往往殘留一定量的溶劑,成型時易形成空隙,影響復合材料性能。該方法在發達工業已逐步被熱熔法取代。
干法既熱熔法
熱熔法是溶液浸漬法的基礎上發展起來,以免去溶液浸漬法因溶劑帶來的諸多不便。專業化預浸料公司大都采用熱熔法制備預浸料,特別是主承力結構用的預浸料。熱熔法因其工藝步驟不同,又可分為直接熱熔法（也稱一步法）和膜膠壓延法（也稱兩步法）。前者是將樹脂基體置于膠槽中,加熱到一定溫度、使樹脂熔融,然后將纖維束依次通過展開機構、膠槽、多組擠膠輥、重排機構后收卷。
該工藝要求樹脂基體有良好流動性,在不高的溫度下呈流動態,以利浸潤纖維。膜膠壓延法是目前廣泛采用的方法,是生產預浸料的選擇。該法一般包括制膜和預浸兩個步驟。制膜是先將樹脂基體置于混合器中充分混合,待加熱到佳涂膜溫度后,用電機驅動的計量泵或通過壓力將樹脂基體輸送到涂膠輥,調節涂膠輥的間距和離型紙的運行線速度,可以制得不同厚度的膠膜。通過無損檢測儀控制膠膜的厚度或膠膜的面密度,利用冷卻板降低膠膜的溫度,盡量減少其固化程度,隨后收卷、包裝,存放于冷庫待用。預浸過程包括從紗架引出纖維,調節張力后,通過蓖子集束、展平到規定的寬度、從上、下膠膜輥引出預先制好的膠膜,與纖維形成夾芯結構,依次通過多組熱壓輥,使樹脂基體熔融,纖維嵌入樹脂基體中。經過冷卻段、降低預浸料溫度和覆蓋聚乙烯薄膜后,切邊、收卷,制得預浸料。熱熔浸漬法的優點是工藝過程線速度大、效率高樹脂含量容易控制，沒有溶劑,預浸料揮發分含量低,工藝安全不需要干燥爐、減少了環境污染。制膜和浸漬過程可以分步進行，減少了材料特別是昂貴增強材料的損失，且這種工藝預浸料的外觀質量優于其它方法。
預浸料的生產多為兩步法，步為涂膠，第二步為含浸。
3、碳纖維制品
目前碳纖維制品，主要是熱固性復合材料，其中大部分是以碳纖維布和預浸料作為基礎，進一步加工。隨著進一步的發展，對碳纖維熱塑性復合材料的需求也逐漸增加。
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