對碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的認(rèn)識和研究

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1、第1章緒論1.1課題概述復(fù)合材料是指用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分，通過人工復(fù)合、組成多相、三維結(jié)合且各相之間有明顯界面的、具有特殊性能的材料，由基體、增強(qiáng)體及它們之間的界面組成。復(fù)合材料不僅具備各組分材料的性能，更具備各組分因協(xié)同效應(yīng)而產(chǎn)生的優(yōu)越綜合性能。其分類方法有多種，其中，按照基體材料的性質(zhì)通常分為金屬基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料。復(fù)合材料按照增強(qiáng)體的幾何形態(tài)分為四類，即纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、薄片增強(qiáng)復(fù)合材料和疊層復(fù)合材料。復(fù)合材料中常用的纖維狀增強(qiáng)體有玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維、硼纖維和金屬纖維等。碳纖維增強(qiáng)樹脂基

2、復(fù)合材料以樹脂為基體，以碳纖維及其織物為增強(qiáng)體，可做結(jié)構(gòu)材料，也可作功能材料。高性能樹脂基復(fù)合材料是其中最新和最重要的一類，其樹脂基體有環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺和酚醛樹脂等，因其高強(qiáng)度、高模量和低密度等特點(diǎn)，常作為結(jié)構(gòu)材料，其拉伸強(qiáng)度一般在3500MPa以上，是普通鋼拉伸強(qiáng)度的7~9倍；其密度約為鋁合金的60%，模量為230~430GPa，明顯高于普通鋼材，因此，其比強(qiáng)度就超過2000MPa/(g/cm3)，遠(yuǎn)高于普通鋼材的59MPa/(g/cm3)，比模量也遠(yuǎn)高于普通鋼材。相對金屬材料，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料更易實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件的成型，減少構(gòu)件之間鉚釘?shù)冗B接環(huán)節(jié)，并具有良

3、好的尺寸穩(wěn)定性[1-3]。隨著航空航天和現(xiàn)代武器的不斷發(fā)展，對所用材料提出了更高的要求。例如在設(shè)計(jì)導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、飛機(jī)的承載構(gòu)件時(shí)，越來越需要高比強(qiáng)度和高比模量的材料，于是輕質(zhì)、高強(qiáng)的先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在高科技領(lǐng)域和國防建設(shè)中占有越來越重要的位置[4-5]。19高性能碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不僅能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的剛度，還能有效地降低航天器自身的重量[6-9]，進(jìn)而減少燃料成本，提高飛機(jī)的攜帶能力，增強(qiáng)飛機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。航天器的發(fā)射成本是非常昂貴的，每公斤高達(dá)數(shù)十萬美元，因此有效地降低航天器自身重量成為了降低航天器有效載荷成本的關(guān)鍵所在。此外，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料可以

4、根據(jù)不同的需要滿足飛行器的吸波隱身、消音等功能，集結(jié)構(gòu)性和功能性于一體。航空航天領(lǐng)域，對材料的要求極其嚴(yán)格，復(fù)合材料并不能完全取代其他材料。從20世紀(jì)70年代起，美國開始把復(fù)合材料應(yīng)用于飛機(jī)制造，從最初的整流罩、擾流板到方向舵等受力較小的構(gòu)件，到80年代，發(fā)展到平尾等受力較大的構(gòu)件。從昂貴的B-2戰(zhàn)略轟炸機(jī)到小型無人戰(zhàn)斗機(jī)X-45A(UCAV)，CFRP被廣泛的用來制作飛機(jī)殼體、機(jī)架、機(jī)翼、橫梁、阻流板、尾翼舵、螺旋槳、起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)艙門等部件。波音公司的夢想客機(jī)B787復(fù)合材料用量達(dá)到50%，歐洲空中客車也一直致力于復(fù)合材料研究，先進(jìn)的大型客機(jī)A380其復(fù)合材料使用量

5、達(dá)25%。復(fù)合材料越來越受到各個(gè)發(fā)達(dá)國家的重視，復(fù)合材料的使用比例已成為衡量飛行器先進(jìn)性的指標(biāo)之一，也象征了一個(gè)國家航空航天工業(yè)的發(fā)展水平。隨著人們對碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的認(rèn)識和研究的加深，其也受到交通車輛、體育文化用品、土木建筑、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片等行業(yè)的關(guān)注。CFRP在國外交通車輛方面的應(yīng)用目前主要是高端的跑車及部分比賽、試驗(yàn)車輛。應(yīng)用比例最多的當(dāng)數(shù)高科技堆成的F1賽車，CFRP約占60%。單殼體和其它部件如懸掛、底盤、各種翼板及剎車盤主要由CFRP制成，保證了F1賽車能夠以超過300Km/h的速度行駛。大眾、寶馬等知名汽車生產(chǎn)商已經(jīng)推出各自的碳纖維復(fù)合材料概念車。

6、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，其研究也相應(yīng)的受到科研人員的高度重視。目前，T300等通用級碳纖維復(fù)合材料已有較多的研究與應(yīng)用，而對高性能T800碳纖維的研究主要集中在纖維表面狀態(tài)分析和復(fù)合材料成型工藝的兩方面。19本課題以T800為研究對象，采用微滴脫粘的方法測試其與TDE85環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度，并與進(jìn)口的T300碳纖維和國產(chǎn)的CCF300進(jìn)行對比分析，以此表征T800復(fù)合材料的界面性能，并分析影響其界面性能的因素，為材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。1.2碳纖維國內(nèi)外發(fā)展概況碳纖維是指碳含量占90%以上的纖維狀碳材料，在惰性氣體氛

7、圍中，由各種有機(jī)纖維高溫炭化制得[10]。有機(jī)化合物在惰性氣體中加熱到1000~1500℃時(shí)，其中的非碳原子將被逐步驅(qū)除，碳含量逐漸增加，同時(shí)發(fā)生系列的脫氫、環(huán)化、交聯(lián)和縮聚等化學(xué)作用，最終形成碳纖維[11]。1959年，日本的進(jìn)藤昭男第一次以聚丙烯腈原絲為原料制備得到碳纖維。1962年，日本東麗(Toray)公司開始用于碳纖維生產(chǎn)的專用優(yōu)質(zhì)原絲的研制，1967年成功獲得T300碳纖維。與此同時(shí)，英國皇家航空研究所Watt等，對碳纖維生產(chǎn)進(jìn)行技術(shù)改造，即在纖維熱處理過程中施加張力進(jìn)行牽伸；英國考陶爾公司(Courtaulds)隨后利用該技