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碳纤维复合材料应对特殊性能需求的两个途径

文章来源：碳纤维生产技术更新时间：2021-04-14 16:11:21

文章来源：碳纤维复合材料

经过几十年的发展，高性能先进复合材料碳纤维已成为航空航天、轨道交通、智能机械、高端医疗器械及多种民用产品提质升级的优选材料方案之一。碳纤维复合材料具有重量轻、强度大、蠕变小、耐腐蚀、耐疲劳等性能优势，但是在满足特殊需求时，它还是有一定的问题或缺陷存在，如何有效改善这些问题，提升碳纤维复合材料的应用价值，目前有以下几种典型方案：

1.脆性大、易裂纹——解决方案：增韧：

碳纤维增强复合材料强度高、性能好，但复合材料成型工艺的特殊性会给复合材料的抗冲击性、断裂韧性和分层强度带来负面影响。碳纤维复合材料在机械载荷作用下会形成不同的破坏机制。一旦释放应变能量超过创建一个新的表面积或产生裂纹尖端附近的塑性变形所需要的能量时，在这些阶段性裂纹扩展就可能引发严重的后果。

在树脂中加入增韧剂是解决碳纤维材料脆性大、易产生微小裂纹的常规方法，但韧性增强颗粒一般分散性差，往往会形成高、低不同的颗粒密度区域，这种不均匀性会降低复合材料的综合性能。目前欧美等发达国家开始在预浸料层间铺贴纳米纤维膜，这些膜不会增加预浸料的厚度和重量，能够在层间区域充当脆性树脂基体的纳米级增强物质，最终形成更坚韧的树脂(可以与其他增韧体系共同使用)，这种方案有利于改善碳纤维复合材料的抗分层性、损伤容限和抗疲劳特性，使之在受到压力或冲击时减少微小裂纹的发生。

2.不耐高温、不耐磨——解决方案：热塑：

目前，国内应用最多的碳纤维复合材料仍以环氧树脂基为主，这种热固性碳纤维复合材料可以满足一般的工业或者民用需求，但是对于一些对性能要求极高的零部件来说，环氧基碳纤维复合材料在高温耐受性以及耐磨性等方面还有一定的差距。为此，碳纤维行业中不少企业都在积极寻找解决方案。例如，近日三菱化学宣布推出以氰酸酯树脂为基体的碳纤维预浸料新品，宣称这种氰酸酯树脂碳纤维复合材料能够兼具高强度和耐热性。

对于碳纤维复合材料体系来说，不仅是高强度与耐高温性难以“鱼与熊掌兼得”，诸如耐磨性等性能优势也会相互制约。事实上，造成碳纤维复合材料这方面缺陷的主要原因在于基体材料，过去通常会通过添加双马来酰亚胺等方式提升复合材料的耐热性，但是最终的性能结果仍然不是很理想。国内的碳纤维零部件生产商智上新材料通过连续碳纤维增强热塑性复合材料的开发，如连续碳纤维增强PPS/PES/PA6/PEEK等单向预浸料的国产化，在特种或者高端零部件中用其替代热固性碳纤维材料，在后期的产品应用中展现出高强度、耐高温、耐磨性好、耐腐蚀、安全系数高等等综合优势，成为碳纤维复合材料不耐高温、不耐磨的优选解决方案之一。

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