耐高溫碳纖維增強酚醛樹脂復合材料
1.北京納盛通新材料科技有限責任公司
2.北京碳復科技有限公司
01引言
飛機和汽車等移動出行工具對材料的輕量化提出了更高的要求，同時工業機械用途方面，除制造工序的高水平化和復雜化外，還提出了高效率化的要求，而兼具輕量化和高強度特點的CFRP，今后將以通用性較高的環氧樹脂為基材的CFRP，在耐熱性方面存在問題，有時日益受到歡迎。但與此同時，難以滿足多樣化的客戶需求。
三菱化學公司開發的產品將酚醛樹脂用作基體樹脂，實現了300°C高溫下也能保持優秀物理特性的耐高溫性。除高導熱性、高剛性、輕量化等CFRP的特性外，還獲得了耐高溫性，從而為一直以來難少滿足的客戶要求提供了解決方案。
02CFRP的應用領域
由于CFRP重量輕，強度高，被廣泛的應用于體育休閑、工業、航空航天及汽車等領域。通過樹脂基體的選擇，還可以賦予耐熱性、耐沖擊性、阻燃性等性質，可以發揮“部件的輕量化”、“自由的強度、剛性設計”等金屬和陶瓷所不具有的優良特性。
三菱化學同時也是制造PAN基碳纖維和瀝青基碳纖維的企業，具有獨特的優勢，能靈活的提供符合各種客戶需求的產品。
① 精密機器零件（液晶用機械手、半導體用末端執行器、薄膜制造用輥等）
②一般工業用機械部件（搬運設備用傳遞梁等）
③醫療器械用零部件（X射線用膠片盒等）
④體育用品（釣竿、球拍、球棒、自行車零件、高爾夫球桿等）
⑤人造衛星，飛機，直升機，無人機用部件，結構材料
⑥汽車用部件（行李箱蓋等外板、室內面板等）
⑦船體、桅桿、吊桿等
⑧風力發電用葉片增強材料
⑨壓力容器
圖1 三菱化學的CFRP產品應用
03耐高溫碳纖維酚醛樹脂基復合材料
酚醛樹脂基CFRP和環氧樹脂基CFRP、鋁（A6061）、鋼（SS400）的物性比較如表1所示。酚醛樹脂基CFRP耐熱溫度超過300℃，遠遠高于環氧CFRP的100~200℃、A6061的150℃，密度與環氧樹脂CFRP的1.7g/cm³相當，大大低于A6061的2.7g/cm³、SS400的7.9g/cm³。同時，作為增強材料，可用于瀝青基碳纖維和PAN基碳纖維。
表1物性比較
瀝青基碳纖維（型號：K13916，彈性模量：760GPa）酚醛樹脂CFRP在各溫度下的彎曲試驗結果如圖2所示（JIS K7074標準/在各溫度下保持10分鐘后，進行試驗）。將室溫的彎曲強度及彎曲彈性模量設為100%時，各溫度下的彎曲強度·彎曲彈性模量的變化率分別如上圖和下圖所示。
由圖可知，環氧樹脂CFRP的彎曲強度、彎曲彈性模量在超過100℃及200℃時，有較大幅度的降低傾向。另一方面，在酚醛樹脂CFRP中，即使在300℃下，強度和彈性模量由初期下降不到5%。
圖2 各種CFRP的彎曲強度及彈性模量隨溫度變化圖
采用酚醛樹脂CFRP試制了最長超過4m的長尺寸機器人機械臂，如圖3所示，根據客戶的要求進行形狀研究和剛性設計，其輕量化效果如表2所示。以SS400的剛性(彎曲彈性模量以 (0°)為基準，當A6061、酚醛CFRP的剛性換算為相同剛性厚度時，酚醛CFRP可減少約20%，再加上不同材料之間的密度差，最終構件的重量可減少約80%。因此，酚醛樹脂CFRP能夠為客戶提供兼顧輕量化和提高耐熱性的有效解決方案。
圖3 酚醛樹脂CFRP長尺寸機械手
表2 酚醛樹脂的輕量化效果
04結束語
三菱化學公司為了滿足多樣化、高度化的顧客的要求，不斷推進碳纖維增強復合材料產品的開發。今后也將繼續通過及時提供最佳解決方案，積極開拓市場。
參考文獻
（1）堀井敏行，フェノール樹脂を使用した高耐熱性CFRPの紹介，強化プラスチックス，2021
