碳纖維增強聚合物復(fù)合材料的案例
纖維增強聚合物材料在建筑業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢
與傳統(tǒng)建筑材料相比，纖維增強聚合物具有許多優(yōu)勢。纖維增強聚合物在土木工程中的應(yīng)用領(lǐng)域日趨普及。生產(chǎn)玻璃纖維增強聚合物管比較容易，安裝也比較便捷。 與傳統(tǒng)建筑材料如鋼鐵和鋼筋混凝土相比，纖維增強聚合物復(fù)合材料具有許多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括：重量輕、可抵抗惡劣環(huán)境損害、壽命長、自動裝配、安裝快捷。纖維增強聚合物在建筑中的應(yīng)用愈來愈廣泛。許多示范工程中已經(jīng)使用纖維增強聚合物來建造橋梁和住宅建筑物。與玻璃鋼其它加工技術(shù)相比，拉擠成型工藝速度較快，適于大量生產(chǎn)流程。最重要的是， 拉擠成型玻璃鋼管易于安裝，可組成土木工程中的結(jié)構(gòu)次級系統(tǒng)。玻璃鋼中最常用的兩種增強材料是碳纖維和玻璃纖維。碳纖維增強聚合物復(fù)合材料比玻璃纖維增強聚合物的硬度要高，但碳纖維復(fù)合材料價格更貴一些。建筑業(yè)中選用玻璃鋼時，材料屬性和成本都要考慮進去。管組件中，玻璃纖維和碳纖維兩種纖維同時使用比較有利，可滿足硬度需求，而單獨使用玻璃纖維增強聚合物則無法滿足硬度需求。
展開 碳纖維/聚合物復(fù)合材料熱導(dǎo)率近十年研究進展
關(guān)鍵詞：CFRP復(fù)合材料；導(dǎo)熱填料；定向CFs；碳纖維表面改性；三維導(dǎo)熱通路；熱導(dǎo)率
碳纖維增強聚合物（Carbon Fiber-reinforced Polymer, CFRP）復(fù)合材料是利用聚合物作為基體，CFs 或 CFs 織物作為增強體的復(fù)合材料，具有良好的機械性能、耐化學(xué)性和較低的熱膨脹系數(shù)，近年來受到廣泛關(guān)注，被用于電子封裝熱交換的理想材料，然而傳統(tǒng) CFRP 復(fù)合材料熱導(dǎo)率低，致使集成電路在使用的過程中產(chǎn)生的熱量難以快速散發(fā)，導(dǎo)致電子元器件老化、損傷，難以滿足小型化和高功率器件的電子封裝，因此，在不損害復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上提高 CFRP 復(fù)合材料的熱導(dǎo)率是目前亟待解決的問題。
考慮到 CFRP 復(fù)合材料制備工藝、成本與性能和傳熱機制受聚合物的熱特性影響，向聚合物中添加高導(dǎo)熱填料或?qū)崿F(xiàn) CFs 定向是提升 CFRP 復(fù)合材料熱導(dǎo)率的有效方法。
基于上述策略，學(xué)者們開發(fā)了四種方法：
一、CFs 與聚合物結(jié)合前或結(jié)合過程中將 CFs 同向排列；
二、在與聚合物基體結(jié)合前對 CFs 進行表面改性，并將高導(dǎo)熱填料附著在 CFs 表面；
三、在與 CFs 結(jié)合之前將高導(dǎo)熱填料加入聚合物基體，包括金屬、陶瓷和碳基材料等；
四、與聚合物結(jié)合前將多種填料（零維、一維和二維）進行橋接或?qū)R處理，構(gòu)成大量連續(xù)的導(dǎo)熱通道結(jié)構(gòu)，上述方法均能在不同程度上改善 CFRP 復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。
此外，許多研究表明，填料自身的熱物理性質(zhì)、幾何特性（形狀和尺寸）和分布狀態(tài)（分散系統(tǒng)或附著系統(tǒng)）也是決定導(dǎo)熱率增強效率的重要因素。
展開 青島大學(xué)馬麗春課題組：通過構(gòu)筑具有剛性-柔性分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異的多級梯度模量界面層改善碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面性能
碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高比剛、高比強、易于加工和耐高溫等優(yōu)勢，而廣泛用于國防武器、航空航天、汽車、高鐵、高檔民用制品等領(lǐng)域中。碳纖維和環(huán)氧樹脂基體之間的界面粘合對于復(fù)合材料的整個機械性能至關(guān)重要，因為出色的界面可以確保應(yīng)力均勻傳遞并防止進一步的裂紋擴展。然而，碳纖維表面光滑，且呈化學(xué)惰性，導(dǎo)致纖維與基質(zhì)之間的吸附和潤濕性差，并且應(yīng)力不能確保從基質(zhì)均勻地轉(zhuǎn)移至碳纖維，導(dǎo)致復(fù)合材料的界面強度弱。
目前，國內(nèi)外研究人員為了更有效的提高碳纖維/樹脂基體的界面粘合性能，通常選擇支鏈大分子(PAMAM，POSS，APS)與納米粒子(GO，CNTs)相結(jié)合的方法，在碳纖維表面構(gòu)筑“柔性-剛性”多尺度增強結(jié)構(gòu)。然而，存在以下科學(xué)問題：(1)支鏈大分子的位阻效應(yīng)導(dǎo)致納米粒子在碳纖維表面的接枝密度低，從而限制了碳纖維和環(huán)氧樹脂之間的機械嚙合作用、化學(xué)鍵合作用和相容性。(2)納米粒子的模量遠高于基體，難以及時徹底地消除界面區(qū)域的應(yīng)力。通常，碳纖維和基體之間的最佳模量匹配有利于提高碳纖維復(fù)合材料的界面粘合強度。然而，很少有工作闡述多級梯度模量中間層以及它們?nèi)绾螌?em>碳纖維復(fù)合材料的界面性能產(chǎn)生有益影響。
基于上述背景，
青島大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院馬麗春副教授課題組
利用氧化石墨烯和PA在碳纖維表面構(gòu)筑了具有“剛性-柔性”分層增強的多級梯度模量界面層，如圖1所示。此研究是通過簡單高效的酯化反應(yīng)接枝氧化石墨烯，然后利用CF-GO表面的活性基團酰氯化，再通過己內(nèi)酰胺陰離子聚合反應(yīng)生成PA。
展開 寧波材料所在短切碳纖維增強聚合物材料導(dǎo)熱性能方面取得進展
短切碳纖維是由碳纖維長絲經(jīng)纖維短切而成，相較于碳纖維長絲可以更均勻地分散在基體材料中。短切碳纖維不僅具有超高的機械強度、較低的密度及良好的熱穩(wěn)定性，而且是一種性能優(yōu)異的導(dǎo)熱材料，是提高聚合物材料導(dǎo)熱性能的理想導(dǎo)熱填料。但是，一維材料存在嚴(yán)重的導(dǎo)熱各向異性，如何充分控制短切碳纖維在聚合物基體材料中呈豎直取向，從而充分利用碳纖維的軸向高導(dǎo)熱性能得到具有優(yōu)異縱向熱導(dǎo)率的復(fù)合材料是研究的關(guān)鍵。常用的方法是通過對短切碳纖維施加外電場，使碳纖維沿豎直方向取向。但是這種方法需要較強的電場強度且工藝較為復(fù)雜，另外復(fù)合材料厚度受限于纖維的長度，較難得到厚度適宜的導(dǎo)熱復(fù)合材料。
鳳凰供應(yīng)環(huán)氧樹脂https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/48338.html
基于上述問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所表面事業(yè)部功能碳素材料團隊通過利用單軸溫度場下冰晶的定向引導(dǎo)作用，使得短切碳纖維沿豎直方向取向，得到了具有“微蘆葦叢”結(jié)構(gòu)的碳纖維多孔泡沫，其制備流程和微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示?！拔⑻J葦叢”結(jié)構(gòu)充分利用碳纖維的軸向高導(dǎo)熱增強聚合物材料的導(dǎo)熱性能。該方法制備的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高達6.04 Wm-1.K-1，并且得到的復(fù)合材料具有良好的柔順性，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聚合物材料解決電子電氣設(shè)備的散熱問題。
相關(guān)工作已發(fā)表在化工領(lǐng)域的核心期刊（Chem. Eng. J., 2019, 375, 121921），并獲得國家自然科學(xué)基金（51573201和U1709205）、浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究計劃（2016C31026）和3315創(chuàng)新團隊等項目資助。
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碳纖維增強復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)文件 ￥3
文件
什么是碳纖維增強聚醚醚酮復(fù)合材料（CF/PEEK）？
碳纖維增強聚醚醚酮復(fù)合材料（CF/PEEK），指碳纖維以粉末、顆粒、連續(xù)纖維（長纖維）或者織物形式增強聚醚醚酮樹脂基的復(fù)合材料。其中碳纖維以織物形式存在的簡稱為CFF/PEEK。復(fù)合材料中，樹脂基體賦予了優(yōu)良的力學(xué)性能、熱性能、耐化學(xué)腐蝕性和易加工性能；增強纖維則主要決定了復(fù)合材料的機械性能。
目前江蘇君華生產(chǎn)的熱塑性PEEK碳纖維復(fù)合材料，已通過力學(xué)性能測試，被多家國內(nèi)知名醫(yī)療器械單位用于醫(yī)療加工髓內(nèi)釘器械的瞄準(zhǔn)架。目前驗證下來發(fā)現(xiàn)，熱塑性CF/PEEK碳纖維復(fù)合材料加工的瞄準(zhǔn)架透光性好，強度高，尺寸穩(wěn)性定，100次消毒后依然可以精準(zhǔn)定位。
展開 盤點車用碳纖維復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用
碳纖維復(fù)合材料在汽車應(yīng)用中的優(yōu)點：
1 輕量化
與其他材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有不可比擬的強度和比模量，密度僅為1.6g/cm？3；左右，遠低于鋼和鋁，在汽車車身等零件設(shè)計中的應(yīng)用可以減少約35%的質(zhì)量，降低燃料消耗，例如大眾新推出的XL1車型采用碳纖維復(fù)合材料車身和零部件只有795千克的總質(zhì)量部分，結(jié)合混合動力技術(shù)，一百公里油耗僅0.9升。
2 耐久性
碳纖維復(fù)合材料主要由碳纖維束和樹脂材料組成，化學(xué)穩(wěn)定性好，無需進行表面防腐處理，其耐候性和耐老化性好，壽命一般是鋼的2-3倍。碳纖維布制得的功能部件的疲勞強度遠高于鋼的疲勞強度。
3 安全性
碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度一般3500Mpa以上，是普通鋼的5倍，碳纖維材質(zhì)在碰撞變形的座艙很小，能有效地保護駕乘者的生存空間。將碰撞編織能量吸收結(jié)構(gòu)在高速碰撞碎片中轉(zhuǎn)化為較小的碎片，吸收大量的沖擊能量（一般鋼的能量吸收3倍以上），可以有效地提高車輛的被動安全性。4 美觀性
表面涂上一層清漆，碳纖維的兩個緯度或?qū)蔷€的交叉排列順序清晰可見，顯得致密規(guī)整。碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于后擾流板、后視鏡、屋頂、儀表板、側(cè)板組成，門芯板和方向盤上創(chuàng)建可視化更高科學(xué)技術(shù)的車輛的運動和視覺效果。
碳纖維復(fù)合材料在汽車各系統(tǒng)的應(yīng)用
隨著汽車輕量化發(fā)展理念的不斷發(fā)展，各大汽車廠商都在不斷地開發(fā)使用碳纖維汽車零部件。汽車已成為世界第四大碳纖維應(yīng)用市場，并將在未來五年內(nèi)迎來巨大的市場需求。
目前，碳纖維復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于汽車車身及零部件的制造中。如：汽車車身、內(nèi)外裝飾、底盤系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等。
1 碳纖維在汽車車身中的應(yīng)用
碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料具有足夠的強度和剛度，是制造汽車車身的最輕的材料。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可以降低汽車車身的質(zhì)量40%～60%，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1/3 ～ 1/6。
展開 美國陸軍表征連續(xù)3D打印碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料零件
美國密歇根州陸軍坦克、汽車研究開發(fā)和工程中心（TARDEC）的三位研究人員最近發(fā)表了一項名為“通過熔融長絲制造連續(xù)纖維增強復(fù)合材料表征”的研究，該研究用于連續(xù)碳在Mark Two 3D打印機上打印纖維增強熱塑性復(fù)合材料部件。
研究人員表示：“目前的工作重點是通過連續(xù)長絲制造（CFF）連續(xù)纖維增強樣品的拉伸性能。在有和沒有連續(xù)碳纖維增強的情況下，在多個方向上測試樣品。當(dāng)將0碳纖維增強試樣與沒有連續(xù)增強的試樣進行比較時，平均屈服強度，拉伸強度和彈性模量分別增加20倍，15倍和240倍。當(dāng)將具有90取向連續(xù)增強的試樣的結(jié)果與0試樣進行比較時，屈服強度下降60％，拉伸強度下降62％，彈性模量下降52％。這些結(jié)果表明，當(dāng)垂直于纖維取向施加載荷時，機械性能明顯降低。通過垂直豎立在印刷床上的印刷樣品測試相鄰層之間的粘合性。這些樣本的所有樣本的強度最低。作者建議按照ASTM D3039-17使用帶有粘接片的矩形樣品進行測試，以減少樣本遇到的纖維排列問題?！?由于大多數(shù)3D打印部件是自下而上構(gòu)建的，因此平面外材料特性比平面內(nèi)部特性要弱。當(dāng)連續(xù)纖維發(fā)生面內(nèi)印刷時，完成的部件可以具有增加的剛度和面內(nèi)強度，但是研究人員并不清楚連續(xù)纖維增強件如何影響制造部件的機械各向異性。
“為了讓設(shè)計工程師在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中使用連續(xù)纖維增強AM部件，他們將需要這些材料的三維機械性能，”研究人員解釋說。
展開 3D打印突破碳纖維增強PEEK復(fù)合材料粉末床熔融成形機理
聚醚醚酮（簡稱PEEK）是一種具有優(yōu)異力學(xué)性能的高溫?zé)崴苄运芰?，具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（145℃）和熔點（339℃），采用纖維增強的PEEK復(fù)合材料具有更高的強度、模量及熱變形溫度，可代替鋁及鋁合金等金屬材料用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域。激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）作為3D打印技術(shù)中的一種，在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面具有獨特的優(yōu)勢，這就使得PEEK及其復(fù)合材料的3D打印具有較大的吸引力。
然而，目前PEEK及其復(fù)合材料的SLS制件強度均低于其注塑件，從而大大限制了PEEK及其復(fù)合材料的3D打印制件的應(yīng)用范圍；同時，較高的加工溫度（＞300℃）對設(shè)備提出了更大的挑戰(zhàn)，目前可用于PEEK材料SLS成形的設(shè)備較少，商業(yè)化的設(shè)備僅有EOSP800、EOSP810等，但是其價格昂貴，系統(tǒng)封閉，這就為PEEK的SLS工藝研究及復(fù)合材料的配方研究產(chǎn)生了很大的限制。
圖1. PEEK和CF / PEEK復(fù)合材料的零剪切粘度與溫度的關(guān)系該文章采用SLS制備高強度碳纖維（CF）增強PEEK復(fù)合材料，基于高溫流變行為對CF / PEEK復(fù)合材料的燒結(jié)機理進行了深入研究。通過將模擬溫度分布與粘度-溫度關(guān)系相結(jié)合來定義新的有效熔化區(qū)域，并用于預(yù)測工藝規(guī)劃。
圖2. 由PEEK和CF / PEEK（a-e）計算的有效熔化區(qū)域和PEEK（f）的熱重曲線根據(jù)計算結(jié)果，對CF/PEEK開展了SLS工藝實驗，結(jié)果表明，當(dāng)激光功率為18.5W、掃描速度3000mm/s、掃描間距0.12mm，分層厚度為0.1mm時，10%碳纖維含量的復(fù)合材料的拉伸強度達到109±1 MPa、拉伸模量為7365±468 MPa；5%碳纖維含量的復(fù)合材料的彎曲強度達到183±4 MPa，均遠高于PEEK的注塑件。
展開 CF/PEEK碳纖維復(fù)合材料和傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用差異
層間結(jié)合強度好，江蘇君華生產(chǎn)的PEEK碳纖維復(fù)合材料不易分層。熱塑性在模壓成型時，熔融后結(jié)合到一體的結(jié)合強度高。所以不易分層。從PEEK與碳纖維結(jié)合角度說一些，PEEK和碳纖維之間的結(jié)合強度很高,因此纖維釋放現(xiàn)象大大減少或沒有。另外,由于PEEK具有抗蠕變力,PEEK聚合物能夠長時間承受相對大的壓力,不會隨時間擴展,并且具有良好的纖維-母體界面結(jié)合強度。
近倆年國內(nèi)也陸續(xù)有一些單位開始開發(fā)CF/PEEK熱塑性碳纖維復(fù)合材料，江蘇君華就是其中的一家。目前江蘇君華生產(chǎn)的熱塑性PEEK碳纖維復(fù)合材料，已通過力學(xué)性能測試，被多家國內(nèi)知名醫(yī)療器械單位用于醫(yī)療加工髓內(nèi)釘器械的瞄準(zhǔn)架。目前驗證下來發(fā)現(xiàn)，熱塑性CF/PEEK碳纖維復(fù)合材料加工的瞄準(zhǔn)架透光性好，強度高，尺寸穩(wěn)性定，100次消毒后依然可以精準(zhǔn)定位。
展開 柔性再生碳纖維濕法取向仿真模擬及其復(fù)合材料性能研究
摘 要：基于珠鏈模型，采用離散單元法對纖維模型進行柔性化處理；通過搭建 EDEM-Fluent 耦合仿真模型，對柔性再生碳纖維在漸縮流場中的流動取向過程進行仿真模擬。采用濕法取向技術(shù)對 6 mm 纖維進行重新取向排布制備取向氈，將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比。采用模壓法制備了碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，對其力學(xué)性能進行表征。結(jié)果表明：在纖維跟隨流體運動的過程中，纖維會受到軸向剪切力的作用，發(fā)生不同程度的彎曲變形，并沿著流體流動方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而在移動過程中完成取向。利用二維方向張量對纖維氈取向度進行表征，其取向度為 98%；制備的取向復(fù)合材料彎曲強度和模量較未取向材料分別提升 70.6%和 88.5%。
關(guān)鍵詞：纖維取向；柔性纖維；離散單元法；漸縮流場；力學(xué)性能
0 前言
碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料(CF/EP)在航空航天、風(fēng)電、交通等大型承力構(gòu)件制造中得到廣泛應(yīng)用[1]，尤其在航空航天方面，常用來制造發(fā)動機殼體、蒙皮等重要部件，可以發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料輕量化、高強度等優(yōu)勢[2]。隨著碳纖維應(yīng)用范圍的不斷擴大，各領(lǐng)域?qū)?em>碳纖維需求量急速增加，制造中的廢棄邊角料和服役期滿碳纖維復(fù)材制品也隨之增長[3]。對廢棄碳纖維復(fù)合材料中的碳纖維進行回收再利用是解決碳纖維廢棄物堆積問題的最佳途徑，回收之后的再生碳纖維性能與原纖維相差無幾，回收成本卻遠遠小于生產(chǎn)成本[4]?；厥?em>碳纖維通常采用模壓工藝實現(xiàn)復(fù)材制品成型，并應(yīng)用于汽車外覆蓋件等部位。但是碳纖維作為一種各向異性的材料，其軸向力學(xué)性能優(yōu)于徑向力學(xué)性能[5]，隨機排列的短纖維大大限制了其應(yīng)用途徑。因此，有效的纖維取向技術(shù)成為回收碳纖維大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。
目前一些學(xué)者對纖維取向技術(shù)進行了相關(guān)研究。
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碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛哦！
一、航空方面應(yīng)用
碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料（CFRP）在軍用航空方面的應(yīng)用大體上可以分為三個階段(也有按四個階段分的，差異不大)。民機對安全性、經(jīng)濟性、可靠性要求高于軍機，因此在應(yīng)用上更加保守和延后，但也大體追隨了軍機的步伐。在此一并介紹。
第一階段——非承力結(jié)構(gòu)：20世紀(jì)60-70年代：由于1公斤CFRP大體可以替代3公斤鋁合金，性能滿足要求，因此開始用于非承力結(jié)構(gòu)，如艙門、前緣、口蓋、整流罩等尺寸較小的部件。對于民機，除了上述應(yīng)用外，機艙大量的內(nèi)飾也會用到復(fù)合材料，但其中有很多是芳綸或者玻璃纖維復(fù)材。
國內(nèi)方面：從難度上說，非承力結(jié)構(gòu)是航空復(fù)材的小case，但是應(yīng)用面卻最廣泛。國內(nèi)在技術(shù)上已無大的障礙，基本達到了國外類似的水平，需要的是大規(guī)模普及。相信ARJ21，C919和運20等大平臺和眾多無人機小平臺定型運營后，能夠為此提供廣闊的應(yīng)用空間。
這些一般應(yīng)用，大多用便宜的大絲束產(chǎn)品就夠了；而T300以上的產(chǎn)品，大多用在承力結(jié)構(gòu)上。
第二階段——次承力結(jié)構(gòu)：20世紀(jì)70-80年代：隨著力學(xué)性能的改善與前期應(yīng)用的效果提高了人們的信心，CFRP逐步擴展到飛機的次承力結(jié)構(gòu)，即垂尾、平尾、鴨翼、副襟翼舵面等受力較大、尺寸較大的部件。
其中，1971年美國F-14戰(zhàn)斗機把纖維增強的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成功應(yīng)用在平尾上，是復(fù)合材料史上的一個里程碑事件。波音B777也將CFRP應(yīng)用于垂尾、平尾等多處部件，共用復(fù)合材料9.9噸，占結(jié)構(gòu)總重的11%。
國內(nèi)方面：中國將CFRP用于軍機的舵面和翼面，也已經(jīng)開始成熟。
根據(jù)《玻璃鋼》等雜志的公開報道，早在“六五”期間，沈陽飛機設(shè)計所、航空材料研究院和沈陽飛機廠共同研制殲擊機復(fù)合材料垂尾壁板，比原鋁合金結(jié)構(gòu)輕21kg，減重30%。
展開 【技術(shù)干貨】一文詳解影響碳纖維及其復(fù)合材料壓縮性能的結(jié)構(gòu)因素（二）碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)及壓縮破壞
摘 要
碳纖維及其復(fù)合材料因其優(yōu)異的拉伸性能和輕質(zhì)特性而備受關(guān)注，但是，自從它們問世以來，碳纖維及其復(fù)合材料在壓縮載荷下的較差性能一直是制約其廣泛應(yīng)用的主要障礙。
在本系列專題文章中，將會從微觀結(jié)構(gòu)和宏觀角度系統(tǒng)地討論造成這一缺陷的原因，并就如何提高碳纖維及其復(fù)合材料的壓縮性能提出了建議。在上期文章中首先介紹了碳纖維壓縮強度的常見測試方法，而本文中主要介紹碳纖維微觀結(jié)構(gòu)及壓縮失效破壞。
附錄：碳纖維及其復(fù)合材料壓縮性能專題
《專題一：碳纖維壓縮強度的測試方法》
碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)
為了開發(fā)提高碳纖維壓縮性能的方法，了解碳纖維的加工過程及其最終微觀結(jié)構(gòu)是很重要的。生產(chǎn)碳纖維最常用的前驅(qū)體為聚丙烯腈（PAN）纖維，下圖1顯示了PAN纖維向碳纖維轉(zhuǎn)變過程的微觀結(jié)構(gòu)規(guī)律。
碳纖維是通過對PAN纖維進行高度可控的連續(xù)熱處理來制備的，典型的熱處理過程包括：預(yù)氧化（又叫熱穩(wěn)定化），低溫碳化和高溫碳化。PAN纖維的熱穩(wěn)定是在空氣氣氛中進行的，通常PAN纖維在不同溫度下經(jīng)受200至300°C的熱處理，并根據(jù)特定前驅(qū)體纖維的加工要求在規(guī)定的時間內(nèi)施加張力。
展開 美國宇航局先進復(fù)合材料技術(shù)之3D打印碳纖維復(fù)合材料
技術(shù)概述
美國宇航局格倫研究中心（NASA Glenn Research Center）的創(chuàng)新者與路易斯維爾大學(xué)和美國空軍合作，開發(fā)了一種增材制造技術(shù)，使用熱固性聚酰亞胺樹脂生產(chǎn)具有高溫性能的復(fù)合材料零件。
該工藝使用選擇性激光燒結(jié)（SLS）來熔融加工NASA新型RTM370酰亞胺樹脂的粉末狀產(chǎn)品，該樹脂填充有精細(xì)研磨的碳纖維。隨后可以對所得復(fù)合材料零件進行后固化，為高溫航空航天應(yīng)用做準(zhǔn)備，從而提供可承受300°C以上溫度的3D打印復(fù)合材料零件。
這是增材制造聚合物技術(shù)的重大進步，通過提供一種需要相對較低熔融溫度的SLS工藝，創(chuàng)建得到具有高溫能力的復(fù)合材料，從而能夠?qū)哂袕?fù)雜幾何形狀的零件進行3D打印，以實現(xiàn)高性能應(yīng)用。
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技術(shù)特征
NASA的這項技術(shù)是首個成功實現(xiàn)高溫碳纖維填充熱固性聚酰亞胺復(fù)合材料的3D打印技術(shù)。對碳纖維填充的RTM370進行選擇性激光燒結(jié)后進行后固化，以實現(xiàn)更高的溫度性能，從而獲得玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為370℃的復(fù)合材料部件。
▲NASA 通過SLS 工藝3D打印的熱固性聚酰亞胺復(fù)合材料，打印完成后需進行后固化。
SLS工藝通常使用熱塑性聚合物粉末，所得零件的有效溫度范圍為150-185°C，但與傳統(tǒng)加工材料相比，通常較弱。最近，高溫?zé)崴苄运芰弦呀?jīng)通過高溫SLS工藝制造成3D零件，需要380°C的熔化溫度，但這些部件的可用溫度范圍仍低于200°C。
NASA的熱固性聚酰亞胺復(fù)合材料在150-240°C之間可熔融加工，允許使用常規(guī)SLS 3D打印設(shè)備。隨后，使用多步驟循環(huán)對所得零件進行后固化，將材料緩慢加熱至略低于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，同時避免在過程中發(fā)生尺寸變化。
展開 赫氏復(fù)材將推出多種碳纖維增強材料
赫氏復(fù)材將在巴黎JEC復(fù)合材料展向觀眾全面展現(xiàn)其碳纖維和復(fù)合材料產(chǎn)品系列， 包括碳纖維增強材、多軸向織物、預(yù)浸料、膠膜、蜂窩、工程蜂窩、模壓材料和模具材料等。對于航空市場， 赫氏將推介HiTape 碳纖維增強材料，其可以通過自動鋪貼形成預(yù)成型件，然后采用非熱壓罐的樹脂注入工藝成型飛機結(jié)構(gòu)件。展示的航空部件包括了A320的LEAP 1A 發(fā)動機的短艙罩，所用原材料包括赫氏的碳纖維，結(jié)構(gòu)預(yù)浸料，干的織物和RTM6-2樹脂。赫氏還陳列了一個工程蜂窩部件，其體現(xiàn)了赫氏將普通的蜂窩加工成高精度的工程蜂窩，并用于制造高質(zhì)量部件的能力，為滿足市場的這種需求，赫氏還在摩洛哥的卡薩布蘭卡投資建立了新的工程蜂窩工廠，并在今年投入運營。
除了航空市場，赫氏還將聚焦汽車市場。 St Jean 工業(yè)采用赫氏的M77預(yù)浸料來增加原來鋁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架的剛性，其剛性比純鋁的產(chǎn)品增加了26%，而沒有增加產(chǎn)品的尺寸。 鋁/碳纖維復(fù)合材料混雜結(jié)構(gòu)可以在現(xiàn)有的空間內(nèi)優(yōu)化, 造福于汽車行業(yè). 借助于赫氏的FEM計算體系，通過優(yōu)化載荷分布，碳纖維復(fù)合材料可以提高部件的最大破壞強度。赫氏的材料可以在一分鐘內(nèi)生產(chǎn)預(yù)浸料預(yù)成形體，采用赫氏的Redux677膠膜可以將預(yù)浸料和鋁材料膠接在一起，這種快速固化的膠膜適用于批量生產(chǎn)的金屬/碳纖維復(fù)合材料的膠接。由于Redux677 是專門為自動化的模壓工藝設(shè)計的，和用于汽車結(jié)構(gòu)的快速固化的赫氏M77預(yù)浸料兼容，適用于M77預(yù)浸料和金屬，熱固性材料以及熱塑性材料的膠接。
赫氏還將推介商品名為Polyspeed 的碳纖維拉擠產(chǎn)品，這種新技術(shù)針對預(yù)固化的較厚的碳纖維部件應(yīng)用。為風(fēng)力發(fā)電葉片以及其它需要承載的工業(yè)應(yīng)用提供較為經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)增強材料。Polyspeed嚴(yán)格控制纖維和樹脂含量，在質(zhì)量、重量和機械性能間達到優(yōu)化；適用于非常大的部件而不受長度的限制。
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