碳纖維復合材料的案例
盤點車用碳纖維復合材料的廣泛應用
碳纖維復合材料在汽車應用中的優點：
1 輕量化
與其他材料相比，碳纖維復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計中的應用可以減少約35%的質量，降低燃料消耗，例如大眾新推出的XL1車型采用碳纖維復合材料車身和零部件只有795千克的總質量部分，結合混合動力技術，一百公里油耗僅0.9升。
2 耐久性
碳纖維復合材料主要由碳纖維束和樹脂材料組成，化學穩定性好，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構在高速碰撞碎片中轉化為較小的碎片，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對角線的交叉排列順序清晰可見，顯得致密規整。碳纖維復合材料應用于后擾流板、后視鏡、屋頂、儀表板、側板組成，門芯板和方向盤上創建可視化更高科學技術的車輛的運動和視覺效果。
碳纖維復合材料在汽車各系統的應用
隨著汽車輕量化發展理念的不斷發展，各大汽車廠商都在不斷地開發使用碳纖維汽車零部件。汽車已成為世界第四大碳纖維應用市場，并將在未來五年內迎來巨大的市場需求。
目前，碳纖維復合材料已廣泛應用于汽車車身及零部件的制造中。如：汽車車身、內外裝飾、底盤系統、動力系統等。
1 碳纖維在汽車車身中的應用
碳纖維增強聚合物基復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。碳纖維復合材料的應用可以降低汽車車身的質量40%～60%，相當于鋼結構質量的1/3 ～ 1/6。
展開 無人機應用碳纖維復合材料減重有妙招
從目前情況看，在無人機上使用碳纖維復合材料是減輕機體重量和增強機身機翼結構強度的有效途徑，但是這也需要適用于無人機的碳纖維復合材料在材料設計及工藝體系方面進行配合，才能最大化地體現和利用碳纖維復合材料的特殊優勢。（來源：新材料探路者）
我國碳纖維及其復合材料產業展望
近三年來，我國碳纖維及其復合材料的市場與產業均步入了高速發展時期。在剛剛過去的2018年中，我國碳纖維產業取得了豐碩的成果。市場方面，2018年國內碳纖維市場規模將達到65億元，國內碳纖維復合材料市場規模預計達到135億元，分別同比增長26%與19%。產業方面，碳纖維自給率逐年攀升，2018年將首次突破40%；碳纖維復合材料產值增速穩中有升，保持20%以上增速。展望2019，又將是機遇與挑戰并存的關鍵之年，中國碳纖維及其復合材料產業爆發“如箭在弦”。
圖1 2014-2018年中國碳纖維自給情況
數據來源：賽迪顧問，2018年12月
挑戰一：我國企業與國外龍頭企業尚有差距
國際碳纖維行業以日本東麗、德國西格里、日本三菱麗陽、日本東邦、美國赫氏五家企業領銜，其合計全球市場占有率高達七成以上。由于我國碳纖維產業起步較晚，多個品級產品存在生產瓶頸，尚未完全涉足復合材料和終端產品的設計環節，下游市場認可度較低，在核心技術（如高強高模碳纖維、高端大絲束碳纖維、高端裝備、核心助劑、復合材料設計）、應用（如汽車、航天領域）等方面均與國際領先企業存在較大差距，導致國內碳纖維市場仍有較低的自給率，2017年自給率僅為30.5%，預計2018年將略有上升，但浮動空間有限。
挑戰二：短期內部分高端應用領域的突破依舊困難重重
短期內國產碳纖維復合材料在高端領域應用仍存在一定困難，尤其在汽車領域，雖然碳纖維復合材料憑借著其優異的性能可大幅提高汽車安全舒適性、燃油效率和服役壽命，已被公認為汽車工業領域最理想的輕量化材料。
展開 不同樹脂基體的碳纖維復合材料在軍艦中的應用
當年，在“維斯比”級（VisbyClass）隱形護衛艦作為世界上第一個按照全隱形規范制造的戰艦服役于瑞典皇家海軍時，除了出色的隱形設計和強大的反艦、反潛和水雷作戰能力之外，其艦體超輕化的制作材料也引起了世界各國海軍國防部門的廣泛關注。據悉，該艦船沒有采用常規鋼材和常用的玻璃鋼材料，而是采用了碳纖維夾芯材料，由聚氯乙烯夾芯和碳纖維乙烯基酯層壓板構成，不但具有很高的強度和經久耐用性，還具有優良的抗沖擊性能。
事實上，利用碳纖維復合材料的輕量化效果提升軍艦的裝載力、航行速度和續航能力的歷史已長達半個多世紀了，雖然碳纖維復合材料在海軍艦艇上的應用已經非常廣泛，但是，大部分已經成熟的技術僅應用于相對較小的海軍艦艇，如巡邏艇、MCMV、護衛艦等的非結構、非關鍵性部件。
不過隨著科學的發展和技術的進步，碳纖維復合材料在海軍艦艇上的應用也在逐步深入，據國內資深的碳纖維制品企業無錫威盛新材料科技有限公司軍工產品部楊工介紹，為進一步提升艦體的綜合性能，目前，碳纖維復合材料在軍艦上的以下幾個部位中的應用有較大進展：
艦艙壁、甲板、艙門
使用碳纖維復合材料代替鋼材料制造艦艙壁、甲板和艙門，至少可以在質量上減輕40％以上，而且碳纖維復合材料具有更低的磁特性，火災時熱傳導低、阻聲性能更好。不過，在CFRP和周圍鋼結構的連接處需要有足夠的抗內部沖擊損壞的能力，因此在制造和安裝的成本上有一定的增加。
武器外罩、甲板防護板、遮護板
將碳纖維復合材料應用在武器外罩、甲板防護板以及導彈沖擊遮護板上，也是目前的發展方向之一。日本軍事技術專家對于如何提升軍艦的生存能力已做了具體研究論證，證明碳纖維復合材料作為外殼材料能有效降低高速射彈和榴散彈等對艦體造成的沖擊。
展開 
無錫智上新材開發出無人機用超輕碳纖維復合材料
從目前情況看，在無人機上使用碳纖維復合材料是減輕機體重量和增強機身機翼結構強度的有效途徑，但是這也需要適用于無人機的碳纖維復合材料在材料設計及工藝體系方面進行配合，才能最大化地體現和利用碳纖維復合材料的特殊優勢。
碳纖維布https://www.hongyantu.com/index.php?r=new%2Fview&id=2505
軍用戰斗機中碳纖維復合材料的應用及材料選擇標準（一）：應力標準
另一方面，使用復合材料不是戰斗機的特權，復合材料在商用飛機上的首次重大應用是空客公司1983年在A300和A310的方向舵上的應用，然后是1985年在垂直尾翼上的應用。
圖1 歐洲臺風戰斗機中的主要材料
由于復合材料具有較高的比剛度和強度，因此在運輸應用中受到廣泛關注，而由于重量較輕，燃料消耗和排放量都可以減少。據悉，一架客機每增加一公斤，每年需要增加130升燃料。可以預計，碳纖維復合材料的使用范圍將達到幾乎所有的區域和約40%的結構重量將由碳纖維復合材料制成。在新型戰斗機的開發中，不斷提高性能的需求要求在載重結構上大幅度減輕重量。除了設計技術的改進（例如集成設計、優化），碳纖維復合材料以及更高效的施工方法具有顯著的減重潛力。
在本系列文章中將會介紹戰斗機用碳纖維復合材料的選擇標準，以便在重量、強度和成本方面選擇最合適的材料來滿足要求，本文首先介紹了飛機結構的應力標準。
Part 1:飛機結構的應力標準
碳纖維復合材料廣泛應用于許多現代戰斗機，如洛克希德·馬丁F-35閃電戰斗機、歐洲戰斗機、拉斐爾和薩博鷹獅。碳纖維材料是飛機承重結構中應用最廣泛的材料之一，例如：機翼蒙皮、襟副翼、垂直穩定器、 機身和尾翼等。
歐洲臺風戰斗機，約40%的結構重量是碳纖維增強復合材料（上圖1）。重量節省可以增加有效載荷范圍，提供在恒定性能水平下縮小子系統尺寸的機會，或者可提供更好的燃料效率。
再比如，美國第五代戰斗機F/A-22，作為全球最先進的飛機，它在機身、機翼和尾翼的最重要部分使用了碳纖維復合材料。事實上，這款軍機中的鈦合金占該總重量的40%，復合材料占34%。
此外，復合材料的結構強度和耐久性促使了其他飛機部件的開發。如今的隱形飛機是由碳纖維增強聚合物制成的，因為碳纖維具有優越的性能，有助于減少熱輻射和雷達反射。
展開 CF/PEEK碳纖維復合材料和傳統碳纖維復合材料在醫療行業的應用差異
層間結合強度好，江蘇君華生產的PEEK碳纖維復合材料不易分層。熱塑性在模壓成型時，熔融后結合到一體的結合強度高。所以不易分層。從PEEK與碳纖維結合角度說一些，PEEK和碳纖維之間的結合強度很高,因此纖維釋放現象大大減少或沒有。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-母體界面結合強度。
近倆年國內也陸續有一些單位開始開發CF/PEEK熱塑性碳纖維復合材料，江蘇君華就是其中的一家。目前江蘇君華生產的熱塑性PEEK碳纖維復合材料，已通過力學性能測試，被多家國內知名醫療器械單位用于醫療加工髓內釘器械的瞄準架。目前驗證下來發現，熱塑性CF/PEEK碳纖維復合材料加工的瞄準架透光性好，強度高，尺寸穩性定，100次消毒后依然可以精準定位。
展開 熱塑性碳纖維復合材料優勢比較及應用展望
通過碳纖維無人機、大型碳纖維輥軸、碳纖維機械臂等熱固性碳纖維復合材料產品在新工業領域建立地位的無錫智上新材料科技有限公司，計劃在三年內，調整企業的產業結構，將熱塑性碳纖維復合材料作為重點發展對象，大力推進碳纖維增強PEEK、PI、PPS等熱塑性碳纖維復合材料在高端醫療、精密機械、軌道交通和航空航天等領域的應用。
從短期看，碳纖維熱塑性復合材料的大批量市場應用尚未成熟，還有大面積的應用市場有待開發，但是隨著碳纖維熱塑性復合材料制品在工藝及質量穩定性、產品系列化、規格化與國外同類技術水平等方面差距的不斷縮小，相信只要緊密圍繞新興產業的巨大需求，抓住發展機遇，持續推進原料生產技術進步，加大碳纖維熱塑性復合材料體系、加工工藝、應用水平的研究，提高對系列化產品開發、市場培育等環節的支持力度，國內的碳纖維熱塑性復合材料產業必將迎來一個新的發展階段。
（來源：復合材料先行者）
展開 【科普】無人機應用碳纖維復合材料減重的妙招
因此，使用碳纖維復合材料制作無人機機體時，最好采用大面積的一體化成型工藝。而且，一體化整體成型還可以避免因分片制備部件、拼接組裝等帶來的連接問題和連接贅重，從而實現結構減重。
從目前情況看，在無人機上使用碳纖維復合材料是減輕機體重量和增強機身機翼結構強度的有效途徑，但是這也需要適用于無人機的碳纖維復合材料在材料設計及工藝體系方面進行配合，才能最大化地體現和利用碳纖維復合材料的特殊優勢。
碳纖維布https://www.hongyantu.com/index.php?r=new%2Fview&id=2469
展開 碳纖維復合材料結構設計要點
前些時候跟英國TWI的專家交流，探討了用碳纖維復合材料代替傳統金屬材料，尤其在制造重要的結構部件中的思路。發現需要考慮的因素太多，以致無法確定主次先后。今天就列一個清單，細數碳纖維復合材料結構部件的設計要點。
內容所有涉及的復合材料結構一般是指碳纖維預浸料鋪層結構。
強度與剛度
既然是結構部件，那么設計者首先要考慮的是強度和剛度。部件在外力載荷的作用下，有抵抗變形與破壞的能力，但是這個能力又是有限度的。
如何確定部件的使用載荷，不會超出部件的能力極限，是通過材料力學計算得出。而部件的這個能力極限，就是碳纖維復合材料結構設計者需要考慮的問題。
通過合理的搭配纖維和樹脂，優化纖維排布，用最少的材料，滿足設計需求，體現了復合材料設計者精湛的技巧。不過決定復合材料強度與剛度的因素，不但與纖維和樹脂的種類有關，還與碳纖維的鋪層方向以及層與層之間結合搭配有關。
所以，設計者在設計碳纖維復合材料結構部件時，需要考慮三個層級結構的力學性能。
由基體和增強材料復合而成的單層材料，其力學性能決定于組分材料的力學性能、相幾何(各相材料的形狀、分布、含量)和界面區的性能。
由單層材料層合而成的層合體，其力學性能決定于單層材料的力學性能和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪設方向、鋪層序列) 。
最頂層結構是指通常所說的工程結構或產品結構，其力學性能決定于層合體的力學性能和結構幾何。
穩定性
除了強度與剛度要求，設計者還需考慮復合材料部件的失穩，尤其是對一些細長桿結構，在受壓時，應該能夠保證其原有的直線平衡狀態。對于一些框架結構部件，如果鋪層不均勻，也會產生翹曲失穩，所以在制造過程中尤其注意。最好采用對稱鋪層，以防變形不均勻。
展開 全面解讀碳纖維復合材料感應熱固化技術
這兩天有一篇新聞受到大家關注，大眾旗下斯堪尼亞基金投資碳纖維公司Corebon。這被市場認為大眾公司開始向碳纖維復合材料輕量化進軍。雖然投資額僅僅380多萬美元，但這一投資的背后意圖被大大放大了。
在新聞稿中介紹，Corebon公司總部位于瑞典南部，其研發出一種開創性方法，以生產碳纖維增強型塑料部件，該類塑料部件適用于汽車、電信、航空航天和機器人等行業的各種產品。
Corebon公司何德何能受到大眾旗下基金投資？它的開創新技術究竟是個什么東西？這是否預示著大眾公司找到一種不為人知的碳纖維汽車輕量化路線？
今天就來解讀一下Corebon公司的技術創新。
技術背景
Corebon公司把這項創新技術命名為Corebon技術。碳纖維復合材料目前在汽車、機械、航空航天等領域應用越來越廣泛，但是碳纖維復合材料生產周期長，能量消耗大，效率低，制約了碳纖維復合材料部件的進一步擴展。
其中，目前碳纖維復合材料基體樹脂熱固化時間長、速度慢、溫度不均勻等缺點，是人們認為需要改進的一個很重要的技術點。
現在對碳纖維復合材料樹脂固化加熱方式，主要分兩種。一種是電阻加熱，這種加熱效率非常低，加熱的時候通常需要很長時間，所以設備占用時間長，生產周期長，成本自然而然會很高。
第二種加熱方式是感應加熱，主要利用交流電通過線圈產生磁場，在電磁作用下進行加熱，類似于家庭中應用的微波爐或者電磁爐。這種加熱方式優點是加熱效率高，能量損耗低，加熱快，與被加熱物體不用接觸，不會受到物體形狀的限制。
但是第二種缺點也很明顯，因為是電磁產生熱量，所以要求被加熱物體具有導電性。所以通常是加鐵粉來解決，但是很容易產生溫度不均勻的問題。限制了在大尺寸部件中的應用。
Corebon技術
Corebon公司開發了一種新型加熱裝置，來解決上述問題。
展開 
熱塑性CF/PEEK碳纖維復合材料優勢及應用展望
碳纖維材料是在上世紀六十年代末才首次投入市場，我國掌握碳纖維材料生產技術也是近十年的事情，但碳纖維材料憑借其獨特的性能優勢——高強度、高模量、耐磨、電性能、不易發生蠕變和疲勞、X射線透過性好、尺寸穩定、熱膨脹系數小、耐腐蝕、耐高溫等特點，成為性能廣、用途多的增強纖維之一，廣泛用于航空航天、軍工設備、精密儀器、醫學等各個領域。
熱塑性復合材料自開發以來，受到各國越來越多的重視，相關的研究及應用都十分活躍。航天、航空、汽車制造、石油化工、電子半導體等領域均是熱塑性復合材料應用和發展速度較快的領域。特別是近10年來，每年的消費量均以25%的速度增長，發展速度比熱固性復合材料高數倍。
與熱固性碳纖維復合材料相比，熱塑性碳纖維復合材料具有以下的應用優勢：韌性比較高、損傷容限大、介電常數比較好、維修方便、有類似于金屬的加工特性、成本低等優點。從制作工藝角度看，熱塑性碳纖維復合材料的原材料儲存期不受限制、不需低溫貯存、成型加工周期比較短、成型不需要熱壓罐等大型專用設備，尤其是它所具有的良好的可循環性、可回收、可重復利用和不污染環境等特性很好地適應了當今世界對材料產業所提出的環保要求。
因此，過去以熱固性碳纖維復合材料制品為主要方向的下游廠商開始轉變目光，把更多的資源傾向于發展熱塑性碳纖維復合材料制品方面。愈來愈多的新材料公司將熱塑性碳纖維復合材料作為重點發展對象，大力推進碳纖維增強PEEK、PI、PPS等熱塑性碳纖維復合材料在高端醫療、精密機械、軌道交通和航空航天等領域的應用。
展開 通過定制纖維鋪放（TFP）優化碳纖維復合材料
Inside Composites與ZSK USA Inc.的技術刺繡經理Topher Anderson博士討論了通過定制纖維鋪放（TFP）優化碳纖維復合材料的機會
碳纖維復合材料制造商在努力降低成本和優化流程方面面臨的主要問題是什么？
Topher Anderson：雖然碳纖維的價格近年來迅速下降，但它仍然是一種昂貴且備受追捧的材料。對于下一代節省燃料的運輸，越來越多地尋求諸如高強度重量比的碳纖維復合材料特性。減少車輛，飛機或航天器的重量會在其預期壽命期間顯著影響其燃料效率。碳纖維越來越多地被研究作為一些鋁結構的替代品，特別是由于它的重量減輕。然而，碳纖維復合材料的高前期材料成本可以阻止潛在的用戶適應。
此外，傳統碳纖維復合材料的制造需要比鋁更多的加工參與。
在諸如樹脂傳遞模塑（RTM）的工藝中，例如，編織的碳纖維織物在CAD中進行描繪，按比例切割，用基質材料潤濕并使其固化成形。然而，這些過程通常更加勞動密集，并且缺乏諸如金屬銑削或金屬板彎曲之類的競爭過程中所見的自動化。
您已經確定了TFP可以產生影響的一些特定領域，包括減少浪費。這有多少問題？
TA：許多傳統碳纖維復合材料構造技術的主要材料成本之一是產生大量廢料。在許多使用碳纖維編織材料的手糊工藝中，廢料可以容易地占所用碳總重量的50％或更多。在用基質材料浸漬之前，當織物最初被切割時產生這種廢物。在復合材料已經固化之后和在后處理步驟期間產生額外的廢物，其中形狀被進一步精制。
TFP的獨特之處在于它能夠減少廢料，從而優化材料成本。通過在將絲束材料縫合成所需幾何形狀時控制絲束材料的路徑，材料僅放置在最終預制件中所需的位置。在傳統的層壓板設計中必須切割的織物區域簡單地保持不被縫合。由于能夠符合復雜的幾何形狀，該過程減少了在切割機織織物時形成的初始廢物以及后處理廢物。
展開 通過定制纖維鋪放（TFP）優化碳纖維復合材料
Inside Composites與ZSK USA Inc.的技術刺繡經理Topher Anderson博士討論了通過定制纖維鋪放（TFP）優化碳纖維復合材料的機會
碳纖維復合材料制造商在努力降低成本和優化流程方面面臨的主要問題是什么？
Topher Anderson：雖然碳纖維的價格近年來迅速下降，但它仍然是一種昂貴且備受追捧的材料。對于下一代節省燃料的運輸，越來越多地尋求諸如高強度重量比的碳纖維復合材料特性。減少車輛，飛機或航天器的重量會在其預期壽命期間顯著影響其燃料效率。碳纖維越來越多地被研究作為一些鋁結構的替代品，特別是由于它的重量減輕。然而，碳纖維復合材料的高前期材料成本可以阻止潛在的用戶適應。
此外，傳統碳纖維復合材料的制造需要比鋁更多的加工參與。
在諸如樹脂傳遞模塑（RTM）的工藝中，例如，編織的碳纖維織物在CAD中進行描繪，按比例切割，用基質材料潤濕并使其固化成形。然而，這些過程通常更加勞動密集，并且缺乏諸如金屬銑削或金屬板彎曲之類的競爭過程中所見的自動化。
您已經確定了TFP可以產生影響的一些特定領域，包括減少浪費。這有多少問題？
TA：許多傳統碳纖維復合材料構造技術的主要材料成本之一是產生大量廢料。在許多使用碳纖維編織材料的手糊工藝中，廢料可以容易地占所用碳總重量的50％或更多。在用基質材料浸漬之前，當織物最初被切割時產生這種廢物。在復合材料已經固化之后和在后處理步驟期間產生額外的廢物，其中形狀被進一步精制。
TFP的獨特之處在于它能夠減少廢料，從而優化材料成本。通過在將絲束材料縫合成所需幾何形狀時控制絲束材料的路徑，材料僅放置在最終預制件中所需的位置。在傳統的層壓板設計中必須切割的織物區域簡單地保持不被縫合。由于能夠符合復雜的幾何形狀，該過程減少了在切割機織織物時形成的初始廢物以及后處理廢物。
展開 2017全球碳纖維復合材料市場報告（三）
6 全球碳纖維復合材料市場
6.1. 全球樹脂基碳纖維復合材料需求-年份
樹脂基碳纖維復合材料的需求量，根據纖維在復材中65%的比例計算的，建立一個規模概念。
6.2. 全球樹脂基碳纖維復合材料需求-應用（千噸）
總量：129.5千噸
6.3. 全球樹脂基碳纖維復合材料需求-應用(10億美元）
總金額：126.5億美元
2017年，樹脂基復合材料的主要收入，依然是航空航天，其中，波音、空客與美國的軍用航空航天占據絕大部分市場。這是個典型的高投入、高技術、高門檻、長周期、高收益的細分市場。一方面，我們期盼中國的航空、航天、兵工、核工、海工能為中國的先進復合材料形成一個較大的市場，另一方面，我也應清醒地認識到，這些是科技強國長期的積累與協作的成就，非一時之功，在投資決策上不要受之太多的誘惑。
風電行業，盡管碳纖維的用量已經超過航空航天市場，但是，復材的收入卻比航空航天低很多，甚至低于體育產業的收入。這是完全可以理解的，纖維采用低成本大絲束，成型采用最經濟的拉擠工藝與單向織物層灌注工藝。拉擠工藝中，拉擠板材每公斤的成本幾乎與每公斤的碳纖維成本相當，軸向把纖維的力學性能發揮到極致，這是其他工業應用需認真借鑒的。
對比風電，汽車復材不僅有低成本要求，還需要高節拍、自動化的制造工藝，經濟的維護要求等，其應用難度可想而知。
6.4. 全球樹脂基碳纖維復合材料需求-區域(10億美元）
總金額：126.5億美元
從上面的應用市場分析，我們就可以發現，美國因為有波音及軍用航空航天，成為最大的復材市場，而歐洲有空客、汽車、風電產業，盡管收入金額上小于美國，但碳纖維用量已經大于美國。
日本盡管在碳纖維領域執世界之牛耳，然而在復合材料及應用方面，日本于歐美的劣勢還是比較明顯的。
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