炭纤维混杂复合材料研究与应用状况.pdf

4 8 新 型 碳 材 料 第兰四瑚 如一 炭纤维混杂复合材料研究与应用状况 前 言 一 彗刍 晾 航空概大学，磷t 增彀 以碳纤维为增强树料的聚合物 复合材 料一 碳纤维复合材 料(C F RP)，以 其 高 比 模量 高比强度的优点，率先在航空航天等 领域得到较多的应用，与铝合金材料及玻璃 纤 维复合材料相 比，显示出先进复合材 料的 特点但是，碳纤维复台材料性脆，断裂伸 长小，这一弱点使其应用范围受到限制。人 们发 现 用玻 璃纤维 或芳 纶代替 部分 碳野 维所得到 的碳纤维混 杂复合材 料，可 在 其 他性能基本保持 不变 的情况 下，韧 性有大 幅 度 改善 混杂纤维复合材料 自7 0 年代初开发以来 得到了很大的发展。尤其是碳纤维混杂复台 材料，具有设计 自由度大 综合性能好 成 本较低 等优异的特 点。一种设计得 当的碳纤 维 混 杂复台材料，不 仅是 优异的结构材料，而 且还具有某 些优 异的功能 特 性 是 一 种 良好 的结 构型功能 材料。因此，在航空 航 天 汽车、船舶 体育器械 建筑 联药卫 生 等领域得到了越来越多 的应 用。同时，也 吸引了 国内外 众多学者对 其进行 大量而 卓有 成 效 的研究 本文结合作者近 年来 的研究工作，将碳 纤维混杂复台材料的研究与应用状况 分六 个 方 面作 简单介绍。一、混杂类型 H前，混杂 复合材 料中，多用玻璃纤维 或芳纶与碳纤维混杂，其混杂方式主要有如 下几种 ：(I)层内混杂 由两种或两种以上纤 维组成 同 一 铺层 铺叠而 成 见 图 1(a)：(2)层问混杂 一由两种或两种以上的 不同纤维铺层 相闻铺叠而成。见 图1(b)：上接 1 0 页 1 3 r t 竹e n s，M4 t e fi l 0 En$mc c r i n 鐾，1 钾No 8，3 5(1 9 9 9)l 4 Da r e i t G PC t b o n 四，No 5，7 5 9(1 9 8 9)1 5 N F吐 吐 d a e t a1，C a r b o a 1 8 8 p r o c e e di n g s 0 f a n I n t e r n a t in a l 0 1 l C a r b o n Uni v e r Si t y o f Ne wc a S t t e UP o a ry a e UK1 98 8 l 6 M d a ma e t a 1 C a r b o a z g N o 4，9 9 9(1 9 9 8)1 7 儿玉昌也等 日本炭素学会第 十五回年会要旨集 P7 9(1 9 9 8)l B 松村雄次 化学与工业()4 3 N o 3 3 5 8(1 9 9 0)I 9 王 茂章 煤化工与台成燃料信息t No 3 3 T(1 9 9 0)2 o 山田豢弘 藤井政喜，机能材辑(日)，No 9-3 6(1 9 8 8)2 1 S Ot a MJ Ma t e r S c i 2 1 2 9 Z 7(1 9 8 6)盟 r 迁一史，角菩均机能材料(日)，N o 5 2 1(1 9 9 9)2 3 古J l l 昌范 大竹尚登，案形材(日)，N o l 1 1 4(1 9 8 9)2 4-蒋翔卉主辅，盒剐石薄膜研究进展化学工业出 版社09 9 1)2 5 村上睦盟等炭素应用技术柏薪进展(日)P 1 1 6 (1 9 8 8)2 6 C L Re n s c h e r e a I，J Ma t e r Re s 4 H0 3 4 9 2 (1 9 8 9)2 7 M Fu Ku d a e t a 1 J a p a n e s cJ Ap p 1 p h y s 2 8 N o 1 J 2 z(t 9 8 9)2 8 层山千里 竹田弘化学与工业(日)r 4 3-N 0 1 0-1 6 9 7(1 9 9 0)2 9 岛昭化学工学 5 2 N o 9 1 3(1 9 8 8)3 0 川 籍 隆昌，纤维学会巷(日)4 4-4 3 9(i 9 8 8)维普资讯 http:/ 雏三 四斯 新 型 碟 材 料 4 9 (3)层 内一 层问混杂 同 时存 在层 内 和层间两种混杂形式。见图 l(c)；(4)央 ：混杂一 由一种纤维铺层 作 面 板，另一种纤维铺层作 芯子铺叠而成。见 图 1(d)(5)织物混 杂 山两种或 两种以上纤 维在径、纬两方 向上交织而成的织物。见图 1(e)：(6)多向织物混杂 由两种或两种以 上纤维在空间不同方向上编织而成的体型织 物。见图 l(f)，(g)：(7)短切纤维混 杂 由 婀种或两种 以 上短 切纤维 随机分 布在树 脂基 体 中所构成。见 图 1(h)除此 之外，还 有束 内混 杂，即在一束纤 维 内存在两种或两 种以上 的单丝，这主要 刖 于实 验室 研究。A耋 B耋 (e)囊蜒曲涯采 (一 层 规自申有两种鲆蠢)糍 糍 (h)短枷纤维温泉(d)亮艿蔼杂 囤1 掘杂类型 维普资讯 http:/-6 0 折 型 破 材 辩 I|兰 四期 但是 更多 的学者对 拉仲断裂应变 混 杂 二、混 杂效应(2)效应引起兴趣，并 确定了拉伸 变混杂效应 系数计算式：混杂 效应是混 杂复合材料 中一种特异 的 物理 现象，是 睢一纤维复合材料所没有 的，盐 多种不同纤维交互作 用瞬结果 1 混杂效应定 义及裹现形式 混杂复台材料的某些性能偏离混合定律 哭系的现象称为混杂效应向增加偏离称为 正敏墩，阳减少偏离称为负效应。混杂敞应表现在 许多方面，如 在力 学上 可表现在强度 模量，疲劳特 性，断裂功 捌 断裂应变等性 能方 面 图 2为碳纤维混杂复 材 料典 型 拉仲 妲力 一 成 曲 线。图 中 J!拉伸应力一立变 鲺 i)、e “分别为碳纤维复合材料，混杂纤 维复台材料阿断裂应变；e I I)为混杂复台材 料 _ l，碳纤维断裂后，高断裂应变复合材料(玻璃纤维或芳纶复台材料)的断裂应变 截多实验结果表叫：e ”要比e I)高，有时 甚至搿述 4 o。这是 断裂应变 盼混 杂教应。2 混 杂效应系数 混 杂敏应通常 片 混杂 散应 系数(R j 来度 趾。不可的璺力状态R值是不同的。根据雠 杂效应定 义R可 表示 为 R t M 一Mm，)，M(1)式 中：Mt 杂 复合材料 某性 能的 实验 值 M 菜 能按混合定律计算凹值。R t 一(；一 I I)e(I)(2 1 式 中符号 说 明见图 2。R 与阿种纤维 的断裂 应变差值成 正 比。同时与混 杂 比，界面数有 较大关系一般随界面数增多而拄商。5 混 杂效 应产生机理 拉伸断裂应变混杂效应对混杂复合材料 及 其结构设计是有实际 意义 因此，很多学 者对它的产生机理作了大 量的实 验研 究工 作 提 出了许多种观 点，现归 纳为 以下 四种 弛 论：(1)止 裂雕论 这种理论亦称裂 纹扩展理 论。认为纯碳 纤维复合材料拉伸破坏是突然发生 的，且破 坏时有裂纹沿横截面迅速扩展，破坏过程瞬 间完成。加入玻璃纤维或芳纶后，碳纤维 的 裂纹扩展要受到玻璃纤维或芳纶的阻碍，使 裂纹终止或转变成界面分层，变成纵裂纹，导致破坏是非突发性的。即 延长了 破坏 过 程，在宏观上反映出断裂应变增大 L 2)热应变理论 该理 论又称热效应 理论在混杂复台材 料中，由于两 种纤维 的热膨胀 系数 不同 而 对热 的影响也不 同。侧如碳纤维 与玻璃纤 维混杂碳纤维的纵向热膨胀系数为负值且 趋近 于零，而 玻璃纤维为 正值，当加温 固化 成 型后又冷至室温时，山 热效应作 刷，造 成零载荷一 F 碳纤维受雎，玻璃纤维受拉。若 沿纤维方向给一拉伸载荷，碳纤维先由受眶 状态变为应力为零 自由状态，而后随载荷增 大转变 为拉伸应 娈。因此，当达到 碳纤维断 裂应力时，其断裂应变提高丫但足，这种 机理产生 的混杂效 应只 占l 0 嘶 (?)多次断裂理论 有 时也称之 为纤维束理论。用激光 衍射 技术观察纤维与基体帖接很好的碳纤维混杂 维普资讯 http:/ 第三四靴 薪 型 破 材 料 复台材料 的托 仲破 坏过程，可发现碳纤维 多 次断裂。为碳纤 维断裂 以后 盼裂纹不 直接 传 入玻璃纤维或 芳纶中，而是 转化为分层 裂 纹。由于这种裂纹 长度 有 限，经 过一 一 段 长度 后，载荷 又可 以重新 由界面 传递 到碳 纤 维 上碳纤维 继续承载。因此，导致 第二次断 裂，第三次断裂点至整体失效，宏观上 断裂 应 _ 竖增大。(4)强度分 布理 论 也 可称 为断裂应变分布理论。碳纤维 强度是 按概 率分布的。当某些 碳纤 维 达 到 断裂应力 时，另一些碳 纤维则尚未达 到断 裂应力，所以碳纤维的断裂是先后发生在 纯碳 纤维复台材 料 r【j，一旦某些较 弱 的碳纤 维首先破坏，造 成应力 集q ，使 槎个 复台 材 料迅速发 生整体破坏最初破坏 的 变 值和 最终破坏的应变值相差很 小在混杂复 台材 料 中，碳纤维破坏是 逐步 进行 的，最初 破坏 婀应变值和 最终破坏 时应变值 相差较大，所 以断裂应变得到提高作者在实验中发现，不同瞬碳纤维或同一种碳纤维若浸渍不同的 树脂基体，其丝柬拉仲强度时分布函数是有 差 异的。见表 1。襄1 漫胺纤姥束拉伸强度概 率分布特征 嵌纤维 l；蝗 纤维 2 纶 l 垃 璃 纤】酚 醛环 氧 l 双 酣 A 环氧I改 性双 马 采酰 兰 二 W W 或G W G业W G一正 志菏。表 明：在碳纤维复 合材料 中只 要加入少量 的 玻 璃纤维或芳 纶，便可 有效地提高 其抗 冲击 能力，冲击韧性可增加 1 至 5 倍。作者的研 究 电得到 类似结果 3 ，见 图 3。图 中a k 为 冲击韧性衰示试件单位面积上所消耗的冲 4 3 目 u -2 -l 1 一 一。；_ CFR p-2 O C F f t：镶 DT 图3各 混杂复 台材料 层压 板的a 与DI 值 击能；DI 为冲击韧性指数：表 示试 件受 冲 击 过程 中，扩展能 与弹性贮能 之比。若 H a 与DI 来分析材 料的冲击 特 性，从 图 3又 可 发现，用玻璃 纤维 和芳纶分别 与碳 纤 维 混 杂所得 到阿混杂 复台材 辩盼a ，DI 值是很 不相 的。即碳纤维玻璃纤维混杂有利于 提高a“而碳纤维一 芳纶混杂则有 利 于提 商 DI。说 明这两种纤 维对 碳纤维 复合 材 料的 增韧机制是有差异时。研究结果还表明。混 杂复台材料的a k _白 J 以通过讹 合定 律 来 估 算。四 基本力学 性能特点 三、冲击特性 在碳纤维复台材 料中加 入 _r 玻 璃纤 维或 碳纤维 泄杂复 台材料作 为结构材料 比碳 芳 纶后，基 术力 学性能有 怎样变化 一直魁人 纤维 复合材料l、J j 范 广 其主要一个源 因 们 所关 心的 问题 有许多文献报 导。此 处 是它的冲击韧性较高，这也是混杂复台材料 结合作者的研究工作，仅就单向混杂复合材 发的目的之一。很多学者的大量研究结果 面基本力学性能时特点 归纳 为以 下几 个方 w州G G 维普资讯 http:/ 薪 型 破 材 料 第三 四期 1 拉伸 性能特点 如图 4 所示，以碳纤维一 玻璃纤维混杂复 合材料为例，其拉伸应力一 应变曲线 介 于两 种 一纤维复合材 料的 应 力 一 应 变 曲 线 之 间，且均为直线。但是，当碳纤维断裂时 曲线出现 台阶。当玻璃纤 维含量超过临界 含 量 时，藏荷 可继续增加，出 现多 次断 裂 现 象。R 毯 章5I I 拉忡应变(l-(O 6 c)6 2-(O 3 c o 3 G)B 3-(oc o6)5 一(OC OG)3 5 5一(O GO CO 6OCB B-(O B G)4 戡 纤维一 玻 璃 纤维混杂复 台材料 拉 伸 直 力一应 变 战 碳 纤维泄杂复合材 料的拉 伸模 量介于埘 r 一纤 维复合材料 的模量 之间，并落 在两模 丝的连线上。见 图 5 因此 任意混杂 比下 船拉仲模量可通过慨台定律来计算。单向棍 杂复 合材科 的主泊松 比也有类似规律。上不 碳 纤维混杂复台材 料的纵 向 拉 仲强度，不 仅严重偏离 阿单一纤维复合材 料强度值的连线，而且在 某 一混 杂比内还低 J 二者 的强度蚀，在临界含量处强度值最低，见 图 6 可见，拉 伸强度 不符台简单的混 合 定 律，1 l j 按下式 计算；碳纤维断裂时的强度(x )X=8 【E V S t V：5 拉伸 栏 置与 混杂 比关 东 V，图6 拉伸 强度与混杂此关系 +E (1 一V n )s t )V】(1+R )(3)玻璃纤维或芳纶断裂时的强度(x：)x =c E 。(1 一V(j S C V(1+R )(4)上式 中，Et、8 为拉 仲模量、断裂 应 变；s 与R 为复合材 料修 正系数与混杂效应 系数；Vi V为纤维体 积含量 和纤 维 相对 体 积 含 量。上 标 l 代表碳 纤维；2”代表玻 璃 纤维或芳 纶。当 V Vl (碳纤 维临界相 对 体 秘 古 量)时，采 用 式(3)计 算；当V【l V：)时，按式(4)计算。2 压缩性能特点 t 0 U v 维普资讯 http:/ 第三四期 斯 型 碳 碳纤 维混 杂复合材料 的纵 向压 缩模量及 强度 与混 杂 比的关系类似拉伸 情 况。见 图 7，图 8。罔7压铺谯 量与湿杂 比关 系 V V，冈8 压缩强度与促杂此关系 压缩模量也可 用混台定 律计算，而压缩 强度(xI )则可按下式计算 )；x=x 口 一 t (1+盘 型，)(5)式 中xI )(l。)一应 变 为e l 时 材 料 的压缩应力 N与n 分别 为总 铺层 数 与 某 种 纤 维铺层 的层 数；t 为单层 厚度。碳纤 维一 芳纶混杂复合材 料的压缩应力 一应变 曲线呈非线性，出现屈 服现象，且随 芳 纶含量 的增加，屈服现象更 为明显。见 图 9。l 2 a l4 压埔应主 f )】(Oa 0 8 2 (0 8 K)s 4(0 8 COt K)s 4(Oj COz K)e 曰9碳 纤维一 芳绝 掘杂复 台材 料 压 缩 应力一应变曲线 j弯曲性能特点 碳纤维混 杂复合材料的弯 曲性能 与混杂 比及混杂形式 有较 大关 系。例如表层为碳纤 维的夹芯混杂层压板的模量比相同情况下的 层问混杂层压板的高弯曲模量与强度均不 符合简单混台定律，这 与拉 伸情况不同。碳纤维 在外层 的夹芯混杂时纵 向弯 曲模 量(E c)计算式：E f H)_ E f +去(E )一 E )(3 t(I)t 一3“I)t+8 t。)(6)式 中f(I)为碳纤维 复合材料铺层 总厚度 上 标(I)代 表碳纤维 复合 材料，(I)代 表玻璃 纤维 复合 材料或芳 纶复合材 料。弯 曲强度(民川)计 算式 X(I f 等+古(一 导 暑)(3 t t _ 1(川)t 2+8 t 3)】(7)d l；”=x (1 一v(I)(8)应该注意，碳纤维断裂 时的 强度 按式 _山 R遁避 维普资讯 http:/ 5 4-新 型 一 一=一一(7)计算；玻璃纤维或 芳纶断裂 时 盼强度 按式 t 8)计 算。4 剪切性 能特点 火 芯碳 纤维混杂 复台材料 的层问剪 切破 坏 主要发生 花埘个 特殊 的位 置，即中性层或 混杂界面层。碳纤 维一 芳 纶混杂的层 间剪 切 强度在两 单一纤维 复台材 料之间。而碳 纤维 一玻璃纤维 淝 杂的层 问剪切 强度 在一定混杂 比范 围内出现低于 单一纤维复台 l材料的情 况。图l 0 给出 面 内剪切 的赢力一 应变 曲线。8 山 Z 4 甜 墨 蠢 2 4 剪切应变()1 一(【4 5 C-5 C)z，4 5 c 一4 5)2)5 2 一 4 5 C 一4 5 C 一4 5 C 4 C1 4 5 C 4 5 C 一4 5 C1 4 5 C5 J i o 订 j 力一 尊专-线 五、功能特性 在研究碳纤维观 杂复合材料力学特性 同时 许 多学者 还发现它还 具有某些 良好 的 功能 特性。例如：零 膨胀特 性，吸透波 特 性 防声纳，阻尼 减振特性等都很优 良。冈此，作为缔枸 功能 材判，在某些j 训】场 合有特殊意 义。1 零”膨胀 特性 作者 近 I-：米，对碳 纤 t 一玻璃纤维混杂 复 合材 料 的热嘭胀特傩进行 大 量的实验，结果表 明，设计得 当的 杂 复台材料，不仅 可实现预 定热膨胀系数，而且还可达到 零 膨胀系数 见 图l 1 2 I t 一：0 邕 鼍 第三，四 期 蕾 寰e 日 1】热盼胀系数与 角度盏系 吸 进波特性 作者 的实验结果表明，碳纤维混杂复合 材料对 电磁渡还具有 良好的吸透波性，在不 填加 任何 吸收剂的情况 r，碳纤维芳 纶混 杂复台材料的雷达散射截面(R c s)可降低约 l z d B，见 图I 2。还发 现RGs 与混杂比 界 面 数 铺层 角度 铺层 形式 等都 有关系。可见 碳纤 维混 杂复合材料是 较理 想的绪构毖身材 料。囊奉(GH。】阿 1 2 碳 纾维一 芳纶 f 杂复台材 料RCS 降低量 六、应用 状况 碳纤维混 杂复台材 料 由于具有许多优 异 盼特性，其 用范 围越来越广，应 用数 最是 越来越多。维普资讯 http:/ 第三 四期 新 型 碳 材 料 5 5 航空航天领域对结构件 重量 有严 格要 求，轻质 高强 的碳纤维混杂 复合 材料 特别 适于在航空航天领域中应用。已有用石墨纤 维一芳纶混杂制造固体火箭发动机壳体，碳 纤维一玻 璃纤维混杂制造 战略弹头锥。还有 卫 星天线 卫 星蒙皮、：E星摄像 机支架等，都采 用碳 纤维 混杂复合材拳 斗 制作(。战斗机 的垂 尾 副翼 方 向舵 直升机 的旋翼 浆叶、机头 罩 民机如B一 7 5 7，B一 7 6 7 的多处 整流罩、机翼与垂尾 的 固定 后缘 板，起落架 门舱 等次受力 构件都采用碳 纤维 混杂复合材 料制作【。碳纤维 混杂复台材料在船 舶中也得到应 J 】。如 制造 游艇 和赛艇 的船体外板，大型 船 舶 的无线 电屏 蔽室等、”。在建筑工业中作为结构材料应H 例子之 一是 以碳纤维作 梁翼表面 短 切玻璃纤 维作 梁腰 的工字 梁。作 为辅助材荆，还可作 门窗 卫生设备及各种管材等 8 。在汽 车工业 中应 =】更为广 泛，以 驱 动 轴，弹簧，引擎 支架 车身 壳体 都有 碳 纤维 濉杂 复合 材描制作 ”用碳纤 维混杂复合材料 制作体 制品的 应 用例子很多 如滑雪板 网球 拍，棒球棒 高尔夫球棍 自行车车架 撑杆，标枪，箭 弓 头盔，钓鱼杆等 1 0 。在 医疗卫生 领 域中也有不少成 明实例。如 制作 人造骨骼，人造关节，人体 外部 支撑 器 胸 腰 骶歪扭部 饕 直器等 并有特殊 的效果。除此 之外，碳纤维 混杂复台材料 已开发 的用途还有很 多。如风扇叶 片 安仝 帽 电 子设备外壳 棋 具，乐器 中的犬 提琴 双 簧 管等 1 。碳纤 维一 玻璃 纤维混杂还可 制作 电热育 苗器 n。结 束 语 以上可见，碳纤维棍 杂复合材料开发 的 近 二十 午来 无 论在 研究方面，还是在应 用 方 面都取得 了很 大进展 显示 出单一纤维 复 台材料不可比拟的优势。据很多资料分析，预计今后将有更大的发展 为了适应这种发 展，碳纤维混杂复合材料需要研究的内容还 很多，归纳为以下几个主要方面：(1)混 杂效应 机理及表征：(2)组伤材 料间的匹 配，混杂界面结构：L 3)性能与混杂结构 的变化规律；(4)疲劳，损伤与结构方程 建立；(5)混杂复合工艺 与应 用技 术(6)混杂复合材料多功能化：(7)超混 杂 复合材 料的开发 等。(上接i 1 4 页)(3 g 1 X NMNR TBEPRODO F On A B A 1 9 8 6 1 1 I 6-1 2 0 4 D 崔祝屏 目外科技1 9 8 2(8)C 4 1 1 Ad s o r p t i o n S u r f a c e a d A e 4 a d p o r o s i t y 2 a d Ed P2 1 4Ac a d e m i c pr e s sL 0 n d e 1 9 8 2 (4 2 1 J o n r a l o f Co l J 0i d 8 n d I r t e r r a c e S ei e n c e 1 9 8 9，1 2 7(1)2 9 8 (4 3 1 J o u r n a l o f C0 1 1 oi d柚 d I n t e f f a c e S c i e 一 一 n c e 1 9 9 0 1 3 9(8)5 B 0 (4 4 US4 2 8 9 8 8 1(1 9 5 1)(辐 C a r b o 1 9 8 8，8 8(3)3 2 卜一 3 3 2 (4 6 日本 公开 特 许莹报 晤 5 9 1 0 9，2 2 1；5 9 蛇42 5 【4 7)M i c r o bl o s Le t t l 8 8 0 1 3，l 3 5 (4 9 3 J 0 f Ch e m Te e h o a n d 1 3 l o t e e l mo 1 9 9 843(1】1 1 7 C 4 9 3 梧尾 选辑，纤维 学会志，(E t)1 9 1 7，)，2 B (5 0)Ca r b e D 1 9 8 6 2 4(6)1 7 21 9 8 5 2 8(6)9 0 3 1 9 8 82 7(6)，9 5 4 (5 1)C a r b e 1 9 8 5 2 3【4)3 8 3 (5 2)Eur p at Ap p 1 E p_ 1 4 9 1 8 7 【s s)符若文 活性磷纤维的氧化还原特性 反应机 理和应用的研究。中山大学 博士论文 1 9 9 0 年 5 4)张棒 曹美社许哲生 硒小春 环境化 学，1 9 8 43【5)2 4 (5 5)F ue 1 1 8 8 4 e 3 I 1 7 8 5 维普资讯 http:/