【科普讀物】碳纖維複合材料的奇妙之處

06-09

輕質高強的特性是材料發展永恆的主題，它是推動社會、經濟、科技發展，國防建設和增強國家競爭力的重要基礎。在材料的輕質高強化進展中，以碳纖維複合材料為代表的纖維增強複合材料是最成功的典範。如導彈發動機殼體、武裝飛機、航母、艙外宇航服、裝甲、大飛機、汽車減重、高速列車、海洋開發、風能發電、光纖增強等離不開高性能纖維及其複合材料。過去的幾十年，它在世界強國的發展進程中起到非常重要的作用，不僅在航空、武器研發、國防建設中具有不可替代的地位，而且在科技進步、經濟建設和體育運動等領域發揮重要的作用。高性能纖維及其增強複合材料幾乎已成為世界強國國家實力的象徵之一（如圖1所示）。

圖1 碳纖維的相關應用

碳纖維複合材料本身具備了較高的比強度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕、成型工藝性好及可設計性強等特點，現已成為汽車和飛機結構中與鋁合金、鈦合金和鋼並駕齊驅的四大結構材料之一，是21世紀汽車、航空製造技術新材料發展的主流方向之一，已被國家納入重點支持產業方向。據中國複合材料「十二五」發展初探，全球複合材料行業的重心正在從歐美髮達國家轉向亞洲，亞洲複合材料產量高速增長是行業發展最明顯的趨勢之一，產量到2015年有望翻番，達1000萬噸。預計亞洲在全球複合材料市場所佔比重將從本世紀初的25%提升至2013年的51%。由此可見，複合材料成型工藝及設備研究在推動汽車、航空製造業乃至多個工業發展方面都具有舉足輕重的作用。由於其顯著的抗衝擊韌性優勢，近年來熱塑性複合材料開始在航空部件中應用：荷蘭Fokker公司基於碳纖維/聚苯硫醚（PPS）熱塑性複合材料，設計並開發了飛機尾翼部分、方向舵和升降舵；用於美國Gulfstream航空航天公司的G650 型商務機並已於2009年11月試飛成功，榮獲了2010年JEC 複合材料展覽會航空航天創新獎；Ticona公司製備機翼主緣，用於空客A340和A380飛機的機翼、副翼結構。

圖2 碳纖維複合材料在A380 上的應用情況

圖3 碳纖維複合材料在B787 上的應用情況

智能複合材料構造的研究開發無疑是21世紀材料構造領域的重要課題。中文的「智能」一詞大致地說對應於英文「Smart」，「Intelligent」或「Adaptive」。早在20世紀50年代人們已提出「Adaptive system」（自適應系統）這一概念。 20世紀80年代「Smart materials and structures」（機敏材料與結構）得到廣泛認可，同時以此為主題的國際會議也被定期舉行，相應的雜誌也逐漸增對。現階段的智能材料大多是根據需要從而選擇兩種或多種不同的材料來複合或是集成製成的。即在使用材料構件中埋入某種功能材料或器件，使這種新組合材料具有智能特徵。從構造上看，現階段的智能材料是複合材料的一種，故在此稱之為智能複合材料。耐衝擊形狀記憶樹脂混合層合板是一個很好的示例，其原理如圖4 所示。

圖4 形狀記憶高分子材料的記憶和回復機理

利用乾式成膜法可以將SMP製成薄膜，然後與其他複合材料複合，從而得到混合率不同的層合板。由於SMP 單體具有優良的減振和耐衝擊效果，所以由 SMP 複合的層合板可望對原複合構造的減振和耐衝擊性能有較大的改善。圖5顯示了所開發的幾種層合板試料，是由CFRP（carbon fiber reinforce plastic）預製薄膜層及CF織物和SMP薄膜疊積而成，其SMP 層厚度分別占板厚的25%、50%等。

圖5 形狀記憶樹脂混合層合板

另外，還可利用碳纖維的導電性給所開發的層合板通電，讓其內部發熱至SMP的Tg以上，然後來比較分析各條件下的耐衝擊性能，從而使SMP 得到更好的減振耐沖作用。

圖6 層合板通電電流與板溫的關係

圖7 各層合板衝擊能量的比較

圖6 顯示了層合板通電時通電流與板溫度的關係。當電流在1.5A以上時，層合板的溫度可達Tg以上，在此條件下對上述層合板做貫通衝擊試驗，用整個衝擊過程中所消耗的能量Et作為評價指標，其衝擊性能的評價結果如圖7所示。由圖可見，層合板中SMP 的含量為25%時，其吸收能是全CFRP板的兩倍。當SMP從25%增加到50%時，吸收能增加了20%左右。由此可見，SMP可大大提高材料的耐衝擊性能。另外，當給同層合板通電時，其吸收能達約5J/mm，與沒有通電相比有很大的提高。同時，在SMP的Tg溫度以上，SMP複合層合板顯示出更好的耐衝擊性能。

來源：中國材料研究學會