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碳纤维复合材料范文1
本文以碳纤维增强热塑性树脂基复合材料为研究对象，对相关的概念和内容进行了梳理和总结。其中概括了碳纤维的性质性能，对复合材料的概念进行了阐述，最后对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能作了详尽的分析说明。
1.关于碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的概述
⑴复合材料的概念：面对传统、单一组分的材料已经难以满足现在应用需要的现实状况，开发研制新材料，是解决这个问题的根本途径。运用对材料改性的方法，来改善材料的性能是可取的。而材料改性的方法中，复合是最为常见的一种。国际标准化组织对于复合材料的概念有明确的界定：复合材料是指由两种或两种以上不同化学性质和物理性质的物质组成的混合固体材料。它的突出之处在于此复合材料的特定性能优于任一单独组分的性能。⑵复合材料的分类简介：复合材料的有几种分类，这里不作一一介绍。只介绍两种与本论文相关的类别划分。如果以基体材料分类，复合材料有金属基复合材料；陶瓷基复合材料；碳基复合材料；高分子基复合材料。本文讨论的是最后一种高分子基复合材料，它是以有机化合物包括热塑性树脂、热固性树脂、橡胶为基体制备的复合材料。第二，如果按增强纤维的类别划分，就存在有机纤维复合材料、无机纤维复合材料、其他纤维复合材料。其中本文讨论的对象属于无机纤维复合材料这一类别，因为碳纤维就是无机纤维复合材料的其中一种。特别值得注意的是，当两种或两种以上的纤维同时增强一个基体，制备成的复合材料叫做混杂纤维复合材料。实质上是两种或两种以上的单一纤维材料的互相复合，就成了复合材料的“复合材料”。
2.纤维增强树脂基复合材料的性能特点
纤维增强树脂基复合材料是指以高分子聚合物为基体材料，用纤维作增强材料复合制备而成的。基体材料和增强材料必然各自发挥自己的优势作用。之所以用纤维作增强材料是因为纤维具有高强度和高模量的优点，所以是承载体的“不二人选”。而采用高分子聚合物作基体材料，是考虑其良好的粘接性能，可以将纤维和基体牢固的粘连起来。不仅仅如此，基体还需发挥均匀分散载荷的作用，通过界面层，将载荷传递到纤维，从而使纤维承受剪切和压缩的载荷。当两者存在良好的复合状态，并且使结构设计趋于最佳化，就能最大程度上发挥复合材料的综合性能。⑴抗疲劳性能好：所谓疲劳破坏指的是材料在承受交变负荷时，形成裂缝继续扩大而引起的低应力破坏。纤维增强树脂基复合材料的疲劳破坏的发生过程是，首先出现裂缝，继而裂纹向进一步扩大的趋势发展，直到被基体和纤维的界面拦阻。在此过程中，纤维的薄弱部位最先被破坏，随之逐渐扩延到结合面。因此，纤维增强树脂基复合材料在疲劳破坏前存在明显的征兆，这与金属材料的疲劳发生截然不同。这也是它的抗疲劳性能好的具体表现。⑵高温性能好：纤维增强树脂基复合材料具有很好的耐热性能。将材料置于高温中，表面分解、气化，在吸热的同时又冷却下来。材料在高温下逐渐消失的同时，表面又有很高的吸热效率。这些都是材料高温性能卓越的物理特征。⑶高比强度和比模量：纤维增强树脂基复合材料具有高比强度和高比模量的特征。甚至在和钢、铝、钛等金属材料相比，它的力学性能也十分出色。这种材料在宇航工业中，受到极大的应用。⑷安全性能好：纤维增强树脂基复合材料中分布的纤维数量巨大，并且密度强，用数据来说明的话，每平方厘米的复合材料上的纤维数量少则几千根，多则达到上万根。即便材料超负荷，发生少量纤维的断裂情况，载荷也会进行重新分配，着力在尚未断裂的纤维部分。因此，短时间内，不会影响到整个构件的承载能力。⑸设计的可操作性强：当复合材料需要符合性能和结构的设计需求时，可以通过很多方法来实现。包括改变基体和纤维的品种，调整它们的含量比例，也可以通过调整纤维的层铺结构和排列方式来实现。因此，可以说，纤维增强树脂基复合材料有很强的设计可操作性。⑹成型工艺简单易成：成型工艺过程十分简单易成，因其制品大多都是整体成型，无需使用到焊接、切割等二次加工，工艺流程简单好操作。一次性成型不仅可以减少加工的时间，同时减少了零部件、紧固件、接头的损耗，使结构更趋于轻量化。⑺减震性能好：高的自振频率可以对工作状态下的早期破坏起到规避和防范的作用。自振频率和材料比模量的平方根成正比，和材料结构也息息相关。纤维增强树脂基复合材料的基体界面和纤维因为具有吸振能力，所以能够起到很好的减震效果。
3.碳纤维增强热塑料树脂基复合材料中碳纤维的性质
⑴对纤维的分类：纤维存在有机纤维和无机纤维之分。增强纤维共有五大类别，分别是：硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及芳纶纤维。除最后一种芳纶纤维以外，其他四种都属于无机纤维。碳纤维是五大纤维之冠，是增强纤维中最有活力的一种。碳纤维复合材料种类很多，但是应用最广泛的还要属碳纤维增强树脂基复合材料。⑵碳纤维的性质和性能：碳纤维是纤维状的碳素材料，它的性质包括导热、导电、耐温、耐磨、比重小且耐腐蚀性等。除此之外，它的性能也相当突出，具有热膨胀系数小、抗震动衰减、自性以及防原子辐射等。因为碳纤维的纤维属性，因此可以对其编制加工，缠绕成型。利用纤维状直径细的特点，是制成复合材料杂曲面构件部件的绝佳材料。碳纤维能够成为最有活力的增强纤维，它密度低，抗拉伸强度可以和玻璃纤维比肩，而碳纤维的弹性模量却是后者的4到5倍。在惰性气氛中，碳纤维的抗拉强度随温度的升高而攀升，表现出极佳的性能。因此，不得不说碳纤维是复合材料增强纤维的首选。⑶碳纤维的力学性质：碳纤维的力学性质主要通过轴向抗拉模量来体现。当热处理温度上升，碳纤维的模量随之攀升。细直径纤维在预氧化过程中，发生碳化，产生很多排列整齐的饿表皮结构。这些结构对碳纤维模量的增加又起到推波助澜的作用，促使它的模量进一步提高。碳纤维模量的变化趋势以施加负荷的方式作为判别标准，不是随应变的增加而增加，就是随应变的增加而下降，无非是这两种情况。
4.纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能研究
碳纤维复合材料范文2
关键词：复合材料车体；轻量化；轨道交通；成型工艺
碳纤维复合材料具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、可设计性强、方便整体成型等特点，在航空、航天等领域已经获得成熟应用。随着高速铁路的快速发展，对车体轻量化的需求也越来越明显，应用复合材料制造的车体，具备重量轻、强度高、刚性大等特性，在有效地较低车体重量的同时，也提高了车体运行的平稳性和稳定性。
复合材料是一种各向异性的材料，在设计过程中具有很强的灵活性，设计人员可以从选材、成型工艺、结构设计等方面综合考虑，充分发挥复合材料比强度、比模量高的特性，在满足强度要求的同时，通过结构的优化计算，减少材料的使用，从而达到减重、降低成本的目的，为复合材料在轨道车辆领域的应用提供了可能。
复合材料车体和金属车体相比存在一些需要解决的问题：碳纤维复合材料成本比较高、工艺成型技术水平要求高；复合材料车体需要达到和金属车体一样的防火要求，泡沫、树脂、预浸料要做防火处理；复合材料车体需要考虑车体接地和电气设备接地问题；车体大部件之间的连接方式要考虑满足车体强度、使用寿命、整体密封等要求；复合材料车体应避免开孔，或者避免在碳纤维连续传力的区域开孔；复合材料车体小件需要选择合适的连接方式。
1 国内外复合材料车体应用概况
复合材料除广泛用于航空航天领域外，在轨道车辆制造业也有一定的应用。有些国家已将复合材料广泛地应用到轨道车辆上，如法国国营铁路公司（SNCF）使用复合材料O计出了TGV双层挂车，对其耐火性、抗冲击强度进行了运行试验，证实了复合材料车体制造工艺是有效的，实现了CFRP车体结构的重大突破。韩国TTX碳纤维复合材料整体车身也于2010年投入运营。Schindler Waggon公司应用玻纤或碳纤维缠绕制成的轻型承载结构车体在联邦铁路线上进行运行试验，运行速度达到140km/h，也达到了满意的效果。德国AEG和MBB与德国联邦铁路合作开发的世界上第一个复合材料转向架构架，在运营了100多万公里后未检测出任何磨损及损坏，与原结构相比不仅重量大大减少，同时也提高了运行舒适度、降低了检修成本。此外，复合材料在车厢内饰件以及车头前端领域的应用也比较广泛。
国内复合材料在轨道交通中应用还处于试验阶段，主要应用还受限于车头前端和车厢内饰件，复合材料在整车的应用上还处于研究阶段。
2 材料性能和成型工艺
碳纤维复合材料车体各部件主要采用碳纤维-芯层结构（类似于三明治结构），碳纤维-芯层结构主要由两层碳纤维蒙皮中间加入泡沫或蜂窝夹芯组成，碳纤维-芯层结构不仅具有质量轻、弯曲刚度和强度大，还具有耐疲劳性、隔音隔热等优点。在车体设计时，需要根据车体结构承载要求，在夹层内部预埋纵、横加强梁，或者在承载区域做局部加强，在不承力区域可以做适当减薄处理。
复合材料成型工艺主要有手糊成型、喷射成型、拉挤成型、缠绕成型、真空热压罐成型及真空导入成型等成型工艺。手糊成型虽然工艺简单、价格相对比较便宜，但是由于生产效率很低、质量不稳定等因素不适于生产结构件。喷射成型为使用短切纤维和树脂经过喷枪混合后，压缩空气喷洒在模具上，然后经过按压固化成型，可用于制造过程中的过渡层。拉挤成型适合于生产各种截面形状的型材，如工字型、槽型等截面型材。缠绕成型可用于制造圆柱体、球体、筒形等回转体结构。真空热压罐成型工艺，需要将预浸料在磨具中按照设计要求铺好后，送入热压罐中加温加压固化成型。这种成型工艺方法生产的产品韧性好、结构强度高、尺寸精度较高、工艺稳定性好，但是对温度控制、设备成本、工艺水平等要求比较高，制造成本比较昂贵，所以此种成型工艺只适用于制造车体的一些承力件，比如底架边梁、牵枕缓结构。真空袋压成型工艺的特点是既能获得相较于手糊工艺的高强度重量比和尺寸精度，同时和热压罐成型工艺相比制造成本相对较低，所以此种方法适合于车体大部件的设计。
以车体底架为例，车体底架整体采用复合材料夹层结构，选用热压罐成型工艺，成型步骤如下：模具准备；底架上蒙皮铺贴；底架上蒙皮固化成型；加入包裹胶膜的泡沫，同时可以加入预埋金属件或复合材料预制件；泡沫与底架上蒙皮整体成型；在泡沫结构上铺贴底架下蒙皮；整体固化。
3 复合材料车体关键问题研究
3.1 防火要求
复合材料选用的材料，如预浸料、树脂、粘接剂、泡沫，要满足轨道车辆的防火要求，如果选用的树脂、预浸料，不满足防火要求，需要加入防火材料，满足整体的防火要求。
3.2 接地和电磁兼容要求
金属车体可以导电，所以只需要将车体上的接地设备先连接到车体上，通过车体连入转向架轮对导入大地，复合材料车体为不良导体，需要对设备统一做接地处理，可以考虑在夹层内部预埋铜板，然后在设备需要接地的位置通过螺栓连接到铜板，最后将整个铜板通过转向架轮对导入大地。
电磁兼容要保证整车电磁兼容的要求，对于车下磁场较强部位，需要作隔磁处理。
3.3 刚度要求
由于碳纤维-芯层结构为各项异性材料，车体刚度要保证在正常载荷和自然频率下，车体变形不超过运行条件所决定的极限值，需要在车体结构设计时，选择合适比重的芯层结构，并在车体变形比较大的区域做局部加强。
3.4 车体大部件连接方式
碳纤维车体不能像金属车体一样通过焊接方式来连接车体大部件，需要考虑通过胶粘或者螺栓、铆钉等紧固件的方式进行连接，在考虑连接强度的同时，还要重点考虑整车寿命要满足设计要求，以及连接后整车的密封和防水要求。
3.5 开孔问题
复合材料车体在做系统设计时，应避免在承力区域开孔，否则可能导致碳纤维传力的不连续。
3.6 车体小件连接方式
复合材料车体由于无法焊接，小件只能通过胶粘或者紧固件连接，小件材质若为金属材质，还要在复合材料夹层中预埋金属板，然后再通过紧固件进行连接。
4 碳纤维复合材料车体在轨道车辆领域的可行性分析
碳纤维复合材料车体主要受几方面的制约，主要包括：碳纤维材料成本比较高、成型工艺要求比较高、设计者需要具备一定的设计经验、量产料件如何保证工艺稳定性和产品质量。
碳纤维复合材料车体的应用还处于初级阶段，针对复合材料的设计准则、工艺规范、材料标准、产品检验和试验验证等工作还没有建立或完善，需要大量的试验研究和试验验证工作。这些因素也阻K了碳纤维复合材料在轨道交通领域的发展。
碳纤维复合材料车体如果想要在轨道交通领域很好的应用，就要在以下几个方便做考虑，首先材料选择上可以考虑在次承力结构上采用玻纤和碳纤混杂设计，充分发挥碳纤维材料强度高，玻纤价格便宜的优势，将减重和降低成本整体考虑；其次在设计过程中，考虑结构优化、系统集成，在提高复合材料隔声隔音前提下，就可以考虑将车体结构、内装结构集成在一起，去除防寒和隔音材料，这样就可以大幅度较少整车重量、降低成本；最后一定要优化工艺成型技术，简化工艺过程、提升工艺稳定性、提高生产效率。
5 结束语
随着对碳纤维复合材料研究的深入，逐步解决碳纤维复合材料车体设计中存在的问题，碳纤维复合材料在轨道车辆车体上的应用也会越来越广泛。
参考文献
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碳纤维复合材料范文3
关键词：汽车轻量化；碳纤维复合材料；高性能纤维
中图分类号：TB33 文献标志码：A
Current Situations of Carbon Fiber Reinforced Composites Used for Lightweighting of Automobile at Home and Abroad
Abstract： To meet the requirements of energy-saving， emission reduction and developing new energy vehicles， lightweighting of automotive materials is one of the most important targets for technological R&D in global auto industry. In this article， recent progress on using carbon fiber reinforced composites for automobile lightweighting has been systematically reviewed based on case study of leading auto manufacturers from home and abroad. Finally， the choke points for the development of automobile lightweihting in China are summarized.
Key words： automobile lightweighting； CFRP； high performance fiber
目前，全球生产石油的70% ～ 80%被用作汽车燃油，减少汽车燃油用量是改善全球气候问题的重要组成部分。世界多个国家和地区已经对汽车二氧化碳排放量进行了严格限制，我国也已颁布《节能与新能源汽车产业发展规划（2012 ― 2020年）》，要求到2020年乘用车平均燃料消耗量降至5.0 L/百公里，节能型乘用车燃料消耗量降至4.5 L/百公里以下。
轻量化技术是汽车降低油耗、减少排放、提高新能源汽车续航里程最有效工程途径之一。采用高性能纤维增强复合材料部分代替传统金属材料是目前汽车实现轻量化最有效的途径。德国宝马率先在i3、i8电动车、7系、5系等量产车中大量使用碳纤维复合材料（CFRP），轻量化效果显著，掀起了一场汽车产业材料革新的浪潮。目前全球几乎所有的汽车企业都制定了CFRP轻量化发展计划。CFRP用于汽车轻量化的优势主要在于：密度小，比强度、比模量高，轻量化效果明显；集成度高，减少零部件数量；可设计、造型自由，实现流线型曲面的成本低；吸收冲击性能是金属的 5倍，提高碰撞过程人员安全性；减震性能好；颠覆汽车生产流程，采用模压和粘结工艺代替冲压和焊接。目前CFRP作为汽车轻量化结构材料替代金属材料，其在性能上完全可以满足要求，关键是批量生产技术和成本。基于最新的行业报告数据及实践调研，本文将对国内外汽车轻量化用CFRP的发展现状进行概述。
1 国外汽车轻量化用碳纤维复合材料发展现状
自1953年世界第 1 台纤维增强复合材料汽车 ――GM Corvette制造成功以后，复合材料正式在汽车工业生产中登上历史舞台。发展至今，CFRP成为目前公认的汽车用复合材料未来发展趋势。欧美日等发达国家汽车生产巨头们一直是汽车轻量化用CFRP的引领者和推动者，下文将针对国外主要汽车生产商在CFRP应用技术方面的进展进行介绍。
德国宝马公司是CFRP在汽车领域应用的先驱，其在2008年宣布把CFRP带入汽车主流材料；2011年，法兰克福车展首次i3电动概念车和i8混动概念跑车；2014年，批量化生产i3和i8系列纯电动车在全球正式上市，为碳纤维产品在通用汽车领域的商业化普及应用迈出了重要的一步。i3和i8创新的车体架构由 2 部分构成：一部分是由铝合金材料制成、驱动车辆的Drive模块，集成了驱动系统、底盘、蓄电池、结构功能组件和防碰撞功能组件，另一部分是由CFRP制成、构成车厢主体的Life模块（图 1）。2015年7月1日，全新第六代BMW 7系汽车在丁格芬工厂正式投产，该车型所有创新都始终贯穿着车辆整体轻量化的概念，是宝马核心产品中第一款实现将工业制造的碳纤维材料、高强度钢材和铝材完美组合应用到车身的车型。这种独树一帜的车身结构被称为“Carbon Core高强度碳纤维内核”，不仅优化了车身重量，增强了车身的强度和抗扭刚度，还具有舒适的驾驶体检。
宝马公司还率先开启了CFRP在汽车领域的全方位应用模式，包括：车身、底盘、车顶、车门、头盖、引擎盖、尾翼、压尾翼、中控台、装饰条、仪表盘、传动轴、特殊动力传动系统、座椅、座椅套垫、前扩散器、尾扰流板、后扩散器、后视镜外壳、悬挂臂、前唇、侧裙、侧格栅、车用箱包、导流罩、A柱、遮阳罩、散热器面罩、侧护板、低位踏板、副保险杠等外部和车身、内饰和外饰配件等系统。宝马公司或将在未来 1 ～ 2 年内为旗下车型配备大量的碳纤维部件，特别是碳纤维轮毂，这将大幅度降低汽车的重量。宝马公司的CFRP轮毂是与i系列汽车同时开发的，包括全碳纤维轮毂和碳纤维轮辋+合金轮辐的轮毂。全碳纤维轮毂的重量比锻造合金轮毂轻35%，而合金+碳纤维轮毂比锻造合金轮毂轻25%，这将显著降低整车的重量，宝马公司有望在 2 年内把这种轮毂推向市场。此外，全碳纤维制造的传动轴还将作为单独配件配备新宝马M3和M4系汽车。宝马还在大力宣扬他们的碳纤维材料二次利用，例如i3和i8汽车的边角料可以用来取代传统铝镁合金材料制作仪表板支撑结构、座架以及备用车轮。
在生产工艺方面，为降低CFRP零部件的生产成本以及提高生产效率，宝马采用针对热固性CFRP快速制造开发了高压树脂转移模塑（HP-RTM）工艺（图 2）。该工艺首先将碳纤维织物进行初步的预成型，然后将碳纤维预制件放入到模具当中，在高压状态下将环氧树脂注入模具当中，通过精准的温度、压力和时间控制，使碳纤维和环氧树脂结合，并进行固化，最终形成具备优秀刚性的碳纤维板材。这个加工过程可以全程自动化进行，而高压、高温的处理过程仅需大约 5 min，传统制造工艺则往往需要几个小时。车身的组装工艺采取模块化连接，碳纤维部件的结合像堆砌模型一样采用胶水连接（图 3）。为了缩短固化时间，宝马专门研发了特种粘合剂，在涂敷到车身部件之后仅90 s就可以接受加工，然后产生粘性，在经过1.5 h后就已经固化。这使得车身组件具有完全的刚性，制造速度比普通工艺提升10倍。整个过程全部为自动化操作，包括粘合剂的涂抹、部件的对接等，除了节约人力之外，也减少了粘合剂中的化学成分对工人健康的危害。
纵观宝马几款碳纤维车身的生产过程，有几个明显的特点可谓贯穿始终。首先是颠覆传统汽车生产流程，如果说福特创建流水线生产是汽车行业的第一次革命，那么“碳纤维+新能源”可能是第二次汽车革命，碳纤维生产的车身不需要传统的冲压、焊接、涂装，变成了模压成型、粘结、涂装或塑料外壳；其次是高度的机械化，在整个生产过程当中，机器人的大量使用已经让生产过程基本实现自动化，人工操作仅局限在最低程度，不仅明显提高生产效率，减小制造误差，人力成本也得以大幅降低；最后是环保与可持续发展的理念，宝马大量使用可回收材料制造汽车部件，同时全面采用水电和风电等可再生能源。
除了宝马，丰田、大众、奔驰、现代等多家汽车制造商也都在开发汽车轻量化用CFRP，并应用于车身、轮毂、座椅、氢气瓶、前舱盖、底盘结构件、传动轴等部件。美国Morison公司为Dcna公司生产的CFRP汽车传动轴（图 4（左）），供通用汽车公司载重汽车用。福特1999 ― 2004野马载重车汽车也采用了CFRP传动轴（图 4（右））。采用CFRP可使原来 2 件简化合并成 1个传动轴，且与钢材料相比，可减重60% ～ 70%。英国GKN技术公司也开发了CFRP传动轴，重量减轻50% ～60%，抗扭性比钢大10倍，弯曲刚度大15倍。
2008年，日本Weds Sports公司在推出的概念车上第一次使用了碳纤维轮毂，但当时还是停留在概念阶段。2009年，澳大利亚Carbon Revolution公司开发出了CR9“一体式”全CFRP轮毂，相比铝合金轮毂，其重量减轻了40% ～ 50%，并且首次应用在Shelby Ultimate Aero跑车上。2012年该公司生产的CFRP轮毂成功地在保时捷911上使用。目前Carbon Revolution公司在筹备为兰博基尼、奥迪R8推出碳纤维轮毂。2015年初，美国福特了全新一代野马Shelby GT350R汽车，其采用的碳纤维轮毂再一次引起了关注。以福特Shelby GT350R Mustang所装备的碳纤维轮圈为例，将原本每个轮毂重14.98 kg的铝合金材质换为8.17 kg的碳纤维轮圈后，全车减重27.24 kg，这将显著地改善车辆的操控性能。另外，由于轮圈减重45%，轮圈+轮胎的转动角动量能约降低40%，也改善了加速和刹车的效能。
2011年4月，比利时Solvay公司开发了一种全新轻巧的CFRP Polimotor四缸发动机缸体（图 5）。被浇注的复合材料缸体是最终净形状，消除了二次加工的麻烦，且振动噪声显着减少，耐腐蚀。此外，和压铸工艺相比，模具工具成本减少50%。CFRP缸体比合金缸体重量轻20磅。第二代Polimotor全碳纤维发动机缸体项目在2015年有了新的进展，预计该发动机将于2016年预先应用于赛车、OEM汽车和卡车。该项目有望推动未来汽车领域的重大革新，使碳纤维发动机缸体有可能广泛地应用于商用车。
日产汽车株式会社旗下的2014款GT-R跑车采用了三菱丽阳生产的碳纤维后备箱车盖，该量产化车盖以碳纤维和固化时间为 2 ～ 5 min的热固性环氧树脂为原料，利用三菱丽阳开发的预浸料模压成型工艺生产。三菱丽阳称该工艺将单个部件的生产时间缩短了10 min，更适合汽车部件的规模化量产，而且模压成型的部件表面平滑，易于涂漆装饰。
日本东丽与丰田合作开发的碳纤维增强热塑性聚合物复合材料，可用作制造燃料电池反应堆框架（图6），目前已应用于丰田燃料电池汽车Mirai中，这是世界上第一次将热塑性碳纤维复合材料用于量产汽车结构部件。碳纤维增强热塑性聚合物具有成型时间短的优点，与热固性聚合物相比，生产效率更高，更适合大规模生产。
2015年东京车展上，雅马哈展出了仅重750 kg的全新概念跑车SportsRideConcept（图 7），该车身长3 900 mm，宽1 720 mm，高1 170 mm，超轻的车身得益于其iStream CFRP底盘。iStream碳纤维底盘由英国Gordon Murray Design公司开发，历经 2 年时间，材质由最初的玻璃纤维转变为碳纤维。iSteam采用了创新的“三明治”结构，蜂窝状的内核被 2 片碳纤维板夹在中间。相比超跑所采用的碳纤维单体壳结构，iStream碳纤维底盘的生产周期更短，生产过程可实现全自动化，周转时间仅为100 s，年产量可达1 000 ～ 350 000件。iStream碳纤维底盘同样具有轻量化、高刚性的特点，相比宝马7系仅关键部件为碳纤维材质，iStream碳纤维底盘的减重效果更加明显。这项技术的出现，或将成为入门级跑车爱好者的福音。
韩国现代最新推出的Intrado燃料电池概念车同样秉承了轻量化的设计理念，该车全车架、引擎盖以及侧板均采用CFRP制造，质量比传统钢板制造的汽车轻60%，大大提高了燃油效率，一次补充燃料可行驶644 km，百公里加速时间低于12 s。
2 国内汽车轻量化用碳纤维复合材料发展现状
得益于国家“十五”和“十一五”863计划碳纤维专项支持，我国碳纤维的产业化取得重大进展，通用型高强T300级碳纤维实现了产业化，T700级碳纤维实现了工程化，T800级碳纤维突破了关键技术，开始批量生产，高模型（M40）碳纤维也实现了关键制备技术的突破。国内相关碳纤维生产企业的大规模建设为汽车用CFRP的国产化和低成本化奠定了坚实的基础，一大批企业开展了碳纤维在汽车轻量化方面的应用研究。
江苏奥新新能源汽车有限公司于2015年1月成功研发了我国首辆碳纤维新能源汽车（图 8），并于2016年3月获得中国汽车生产许可证。奥新e25紧凑型A级车，具有核心技术自主知识产权，采用CFRP车身（图 9），轻量化效果明显：百公里耗能低于10 kW・h，续航能力强，充一次电最长可行驶440 km，0 ～ 50 km/h加速仅需4.7 s。目前奥新建立了完整的CFRP车身及其零部件结构设计、制造与评价体系，创造了第一个 2 万辆碳纤维纯电动汽车制造工厂、第一条电动汽车铝合金底盘机器人焊接线、第一条高温高压真空辅助碳纤维成型生产线 3 项中国第一。奥新正与东华大学等国内高校紧密合作，进一步优化零部件结构以及提高制造效率，研发自动化量产技术与装备。
北京汽车在推动汽车轻量化用CFRP方面，成功研发了用于碳纤维发动机盖覆盖件及车身功能件的一系列CFRP部件。在2016年其新型SUV车型上，将会搭载碳纤维发动机罩盖（图 10），相比钢质前机舱盖可减重17 kg（50%）。BJ40车型使用了玻纤、碳纤混杂复合材料车顶盖，较钢制顶盖减重48%。绅宝D60则采用了CFRP前格栅和尾翼，彰显运动和时尚特性。
奇瑞汽车开发了一款CFRP电动汽车（图11），该电动车是奇瑞首款采用PHEV（插电进行充电的混合动力汽车）的车型。其优势在于采用CFRP部件后的车身仅重218 kg，相比金属车身418 kg，车身减重48%。另外，CFRP部件的应用也显著提高了汽车的抗冲撞性能和操控性。奇瑞汽车目前正努力解决该车型实现低成本、批量化生产所面临着的诸多技术难题。
北京长城华冠汽车技术开发有限公司开发了一款名为前途（EVENT）的纯电动跑车概念车。该电动跑车以节能、环保为设计出发点，产品集成了众多汽车行业的前沿科技。长城华冠EVENT车体内外覆盖件整体采用CFRP，在大幅度减轻车体重量的同时，产品的力学及安全性能也优于传统金属钣金部件。该款车型目前已经在苏州建设生产车间，预计2017年开始生产。
上海汽车公司自2008年起，先后承担了多项国家级、上海市和地方的汽车轻量化项目，包括上海市科委科技创新计划项目“新能源汽车CFRP典型部件的开发与应用”、上海市科委重点攻关项目“新能源汽车轻量化技术开发”、上汽 ― 科委专项创新项目“轻量化技术在荣威E50纯电动轿车上的应用研究”，为汽车轻量化技术方面的研究与开发积累了良好的基础。
长安汽车开展了大量CFRP在汽车轻量化应用的探索工作，研发了准备在量产车应用的碳纤维传动轴和后举门。中国第一汽车集团公司开展了复合材料板簧、传动轴和CFRP前后盖的研究。复合材料传动轴采用碳纤维增强环氧树脂预浸料，经由卷搓/热压罐成型工艺制造，相比传统金属传动轴，碳纤维传动轴可减重40%，采用CFRP还可使原来由 2 件合并成 1 个单件传动轴。CFRP前后盖，采用T300碳纤维和环氧树脂，经由RTM工艺制造，相比金属材料可减重64%。
3 结语
碳纤维复合材料范文4
1 碳纤维复合材料高质量制孔工艺过程中存在的不足
其实，在碳纤维复合材料高质量制孔加工的过程中，由于其硬度相对较高，导热能力也相对较差，这样对高质量制孔工艺也带来了相对较大的难度。这样在碳纤维复合材料高质量制孔工艺的过程中，就会产生相应的问题，其主要表现在以下几个方面：
1.1 孔出口高质量制孔存在的不足
在碳纤维复合材料高质量制孔工艺的过程各种，孔出口是其中非常常见的问题之一，主要表现为撕裂和起毛等两种形式。从撕裂的角度进行分析，照比起毛的尺寸比例相对较大一些，例如：因此孔出口的不足主要是以撕裂位置。同时，孔出口是撕裂和起到等现象，一般都发生在最表层面，并且该现象逐渐向外延伸，一直延伸到纤维层，这也是碳纤维复合材料高质量制孔工艺中最为常见的一种问题，并且这种问题在发生和处理的过程中，相对较为直观，其问题产生的大小，也是碳纤维复合材料高质量制孔重要的决定因素。
1.2 分层存在的不足
分层是指层与层之间应力形式，和制造过层中所引起的不足，从而引起碳纤维复合材层之间形成风力的状态。在碳纤维复合材料高质量制孔工艺的过程中，材料层分离也是碳纤维复合材料高质量制孔工艺中的最主要的不足，也是困扰飞机装配钣金实际生产的效果和进程。其造成这样现象的主要的原有就是钻削力和钻削热，这样往往是导致分离的重要因素。
2 加强碳纤维复合材料高质量制孔工艺的几点措施
2.1 对钻头材料的选择
在碳纤维复合材料高质量制孔工艺的过程中，应当利用不同的钻头材料，一般情况下，其厚度为5mm，其含胶量为40%，进行碳纤维复合材料高质量制孔工艺中的钻孔工作。并且，在钻出面加上相应的塑料垫片，其钻头的直径一般为5mm，其后角为13°速度达到n=1400r/min。通过对钻头材料的分析和了解，这样才能在最大过程中，对碳纤维复合材料高质量制孔工艺的过程中，提供了重要的保障。另外，在碳纤维复合材料高质量制孔工艺的过程中，应当对钻头的使用情况，进行全面的了解和观察，避免对碳纤维复合材料层之间，造成较大程度上的摩擦。一般情况下，碳纤维复合材料层可以到达3.5mm，再利用硬度相对较强的钻头，这样可以在最大程度上避免摩擦的程度，从而在最大程度上提升制孔工艺的质量。
2.2 提升钻头的运行速度
在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中，对其钻头的速度也应当给予高度的重视。可以选用硬度相对较强的合金钻头，一般情况下，其厚度为5mm，其含胶量为40%，对碳纤维复合材料进行全面钻孔工作，并且相应的加强塑料垫片，其钻头的直径一般为5mm，顶角大约为118°。在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中，可以利用小组的形式，进行全面的制孔工作，每组大约为10个孔，这样在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中，不仅仅有效的提升了其质量，避免了分层等现象的发生，也相应在最大程度上降低了钻头摩擦的程度，为飞机装配半径的制造过程中，提供了相对便利的条件。
2.3 提升复合制孔的形式
在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中，可以利用的刀具的形式，其形式大致可以分为两种形式。并且，刀具孔径的不同，所使用的刀具也是不同的，可以从以下的几个形式，进行全面的分析：
（1）在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中能够，可以利用刀具点前端的形式，对钻头的形式，进行全面的加工，并且要在最大程度上大于刀具后端的砂轮直径底孔，这样在运行的过程中，就会产生相应的问题。因此，在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中，应当对底孔的直径进行全面的处理，并且在零件运行的过程中，应当做出及时反映，根据运行过程中状态，对刀具后端的砂轮径向，进行全面的调整，也只有这样才能在最大程度上提升碳纤维复合材料高质量制孔的质量。
（2）在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中，可以利用磨削加工的形式，最终完成碳纤维复合材料高质量制孔的工作，这样可以在最大程度上避免传统的制孔工艺，所带来的缺陷。因此，在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中，应当对新型的碳纤维复合材料高质量制孔工艺形式，进行全面的分析和了解，并且进行有效的应用。另外，在碳纤维复合材料高质量制孔加工以后，应当进行全面的光学对比，大孔的直径一般要大于和等于6mm，并且进行全面的分析和了解。也只有这样才能在最大程度上提升了碳纤维复合材料高质量制孔的质量，为我国的航空韩行业的发展，提供了相对便利的条件。
碳纤维复合材料范文5
关键词：粉末冶金 碳纤维铜基复合材料 摩擦性能 强度 电导率
引 言
随着现代科学技术的迅速发展，特别是航天航空技术的发展以及微电子工业的发展，对材料提出了日益增高的性能要求。如在宇航的动力构件中，必须用比强度，比模量高的材料制造；又如宇航飞行器在温度变化很大的环境中工作等，这些都给构件材料提出了更高的性能要求。而单一金属材料已很难满足这些要求，因此，人们越来越多地借助于复合材料来克服单一材料性能上的局限性，获得各种特殊的综合性能。
碳纤维增强铜基复合材料兼顾碳纤维和铜基体材料的性能而成为更为优异的工程结构材料和具有特殊性能的功能材料。由于具有高温性能好，比强度高，比模量高，导电、导热性能好，横向力学性能，层间剪切强度高，不吸湿、不老化等优点，使得此类材料已成为当今材料界研究的热点之一。
Cf-Cu复合材料的制备工艺主要有热压固结法、粉末冶金法、挤压铸造法、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法等，为了获得更高的热导率及较好的减摩、耐磨性能，本文采用粉末冶金法制备Cf-Cu复合材料。该类材料由于具有摩擦磨损性能好，比强度高，热导率高等优点，在减摩、耐磨材料中应用非常广泛。文中主要工作是研究Cf-Cu复合材料在电镀铜和电镀镍的情况下，添加剂钛粉对它的摩擦性能、强度及电导率的影响。
1、实验部分
1.1 实验原料
碳纤维（吉林碳素厂生产的PAN碳纤维）、铜粉（国药集团化学试剂有限公司生产）、钛粉、镍
1.2 实验设备
SXZ-10-12型箱式电阻炉、摩擦机
1.3 实验方法
1.3.1 Cf-Cu复合材料的制备
为了克服碳纤维和铜化学相容性差及二者不润湿也不反应的缺点，使得铜与碳纤维之间的界面结合力更强，首先在碳纤维表面镀铜处理，以增强碳纤维与铜基体的复合，再将经过电镀铜处理的碳纤维切割成短碳纤维，随后与铜粉按一定质量比均匀混合，压制成型，最后将坯体放入上海实验电炉厂生产的SXZ-10-12型号箱式电阻炉中处于真空状态下进行烧结，得到Cf-Cu复合材料。
1.3.2摩擦性能的测试
把压制好的柱状试样安放在摩擦机上并用螺钉固定，先进行干磨，每个试样磨5次，每次磨的时间为半个小时，磨完后把试样取出用洗衣粉清洗干净，然后再用纯水清洗，随后放入装满酒精的烧杯中浸泡5分钟取出，用纯水冲洗干净完后放入烘干箱中烘烤10分钟，最后取出让它空冷后，放入电子光学天平（型号MP100010最小精度为0.0001g）中称量出干磨完后的质量。干磨示意图如图1所示。
把所有试样干磨完成后进行湿磨这样可以最大限度的减少误差，湿磨即在转轮下面放一盆机油，实验过程与干磨一样。湿磨示意图如图2所示。
1.3.3强度的测量
本次试验主要测量碳纤维增强铜基复合材料的抗弯强度（即挠度），试验方法采用三点弯曲法测量，由于试样是圆柱体形，体积较大，不容易直接在试样上测量其强度，所以首先在试样上切下一小块，再利用XQ-2型金相试样镶嵌机镶嵌好试样小块，将其磨成长15mm，宽8mm，厚3mm的长条状，最后放在自制测量设备上弯曲，记录螺钉往下拧的深度（即挠度值）。三点弯曲法测量强度原理图如图3所示。
1.3.4电阻率的测量
采用惠根斯电桥法测量电阻R（Ω），再由公式：R=ρ×L/S，可求得电阻率ρ=R×S/L，再由公式G=1/ρ，可求得电导率G。测量电阻时先将试样切下一小片，利用XQ-2型金相试样镶嵌机镶嵌好试样小片，把小片磨成厚度0.5mm，再采用线切割切下小片中间一小条（宽度1mm），这样制好的电阻样条就相当于一个小电阻。
2、实验结果讨论
2.1 添加剂钛对电镀Ni和电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料的摩擦性能影响
以下曲线图分别是Cf-Cu复合材料在电镀Ni和电镀Cu的情况下，磨制时间（h）与磨损量（g）的关系曲线：
根据图4、图5可知，添加剂钛对电镀Ni处理的Cf-Cu复合材料在干磨时，坯体的重量在减轻，湿磨时，坯体的重量在增加，并且随着钛粉的加入，Cf-Cu复合材料的摩擦性能也在增强，从曲线图还可看出湿磨时，加入了添加剂钛粉的坯体的重量增加幅度较大。理论分析：a.在干磨时磨损了表面一层金属，使得重量下降，湿磨时虽然也会磨损，但由于坯体表面有裂痕，使得一部分机油会浸入坯体导致它的重量会随磨制时间延长而增加；b.添加了钛粉会促进铜基体与碳纤维的润湿，它可以使复合材料在烧结过程中由于扩散作用电子定向迁移的阻力减小；c.钛的加入在摩擦面上容易形成碳纤维膜，使磨损量减小。
根据图6、图7可知，钛粉对电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料在干磨时重量在减小，湿磨时重量在增加，但增加的幅度很小。当加入添加剂钛粉时，从图7还可看出，坯体的重量增加的较大。理论分析：a.在干磨时磨损了表面一层金属，使得重量下降，湿磨时虽然也会磨损，但由于坯体表面有裂痕，使得一部分机油会浸入坯体导致它的重量会随磨制时间而增加；b.添加钛元素是促进铜基体与碳纤维润湿的有效途径，它可以使复合材料在烧结过程中由于扩散作用电子定向迁移的阻力减小；c.钛元素在摩擦面上容易形成碳纤维膜，使磨损量减小；d.碳纤维具有耐磨损，热膨胀系数小，自和吸能抗震等一系列优点。
2.2 添加剂钛对电镀Ni和电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料的强度性能影响
以下曲线图分别是Cf-Cu复合材料在电镀Ni和电镀Cu的情况下，碳纤维含量（%）与其强度（Mpa）的关系曲线：
从图8、9看出，1）在一定范围内不管是镀镍还是镀铜处理的Cf-Cu复合材料，无论是添加钛粉还是不添加，它们的强度均随碳纤维含量的增加而增大；2）在镀镍处理的Cf-Cu复合材料中加入添加剂钛时，强度要比没有加钛时小，而在镀铜处理的Cf-Cu复合材料中相反。理论分析：a.碳纤维铜复合材料界面是一种以机械结合为主的物理结合，这种结合的界面结合强度低，但是在复合材料中镀镍或者镀铜处理，会使界面形成C-Ni或C-Cu互扩散结合特性。导致复合材料的强度增加；b.在电镀铜处理的Cf-Cu复合材料中钛元素与铜之间的润湿性更好。
2.3添加剂钛对电镀Ni和电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料的电导率的影响
以下曲线图分别是Cf-Cu复合材料在电镀Ni和电镀Cu的情况下，材料中碳纤维含量（%）与其电阻率（欧米）的关系曲线：
从图10、11可以看出，1）无论是镀镍还是镀铜处理的Cf-Cu复合材料的电阻率均随碳纤维含量的增加而增大。2）在碳纤维含量相同的条件下，不管在镀镍还是镀铜处理的Cf-Cu复合材料中加入添加剂钛，复合材料的电阻率会减小。理论分析：1）在碳纤维铜复合材料中加入镍或铜元素时，一方面镍（铜）是金属元素，金属镍（铜）元素电离出自由电子导致自由电子密度的增加。另一方面复合材料的几何界面减少，对自由电子的散射减少。使得复合材料的电阻率增加。2）当加入钛粉时，钛元素会在镀层界面上对镀层金属电离出来的电子的散射起促进作用，导致复合材料的电阻率减小。
3、结论
（1）加入添加剂Ti粉后，碳纤维铜复合材料的摩擦性能增强。
碳纤维复合材料范文6
关键词：微光夜视仪；结构设计；材料选择
微光夜视仪是一种应用于军事作战中的精密光学仪器，其中光学系统中光学元件的安装定位精度、杂光的干扰等，会直接影响光学系统的成像质量。机械系统是微光夜视仪的重要组成部分，由于该夜视仪是军事作战中用于头盔上的微光夜视成像系统，对重量、体积指标要求非常严格，所以在进行机械结构设计时，要在保证夜视仪性能的前提下，应尽力使其整个结构简单，重量轻。为提高我军作战能力，所以有必要对微光夜视仪做结构优化。因此，微光夜视仪结构设计的任务是按照光学系统设计的轴向要求、光学元件的间隔以及同心度要求，使微光夜视仪光学系统各部分组成一个稳定的整体，并保证光学系统的性能指标要求。同时镜筒结构设计应满足：不影响光学系统性能、光学元件的安装无应力、镜筒与光学元件的接口、消杂光、重量和体积等总体要求。但是由于质量和体积的限制，野战中严酷的高低温环境影响，使用传统的机械设计理念很难满足系统的要求。
本文对所有的机械零件选择使用同一种材料，以保证恶劣环境下机械零件均匀地膨胀和收缩，避免不同的膨胀会造成卡环松脱，并且保证微光夜视仪光学系统的正常工作。结构设计的最直接目标就是选择使用一种热膨胀系数近似于零的材料进行构架。微光夜视仪镜座和镜筒是保证微光夜视仪光学系统性能的关键部件，所以镜座及镜筒的材料选择、镜座的结构形式以及镜筒的设计对光学系统成像质量起着关键的作用；在满足微光夜视仪结构力学性能要求的前提下，还要尽量降低系统结构的质量，并且能适用于野战中严酷的高低温环境，所以镜座及镜筒材料的选择必须保证机械系统的精度及稳定性。（1）机械性能稳定性。一方面为了减轻结构质量，应该选择低密度的材料；另一方面，为了提高结构的刚性，应该采用高弹性模量的材料。所以，高比刚度是选择微光夜视仪结构材料的关键指标。并且为了在加工后能保证高精度，所选材料的尺寸稳定性应该良好。（2）热性能稳定性。应该选用低热膨胀系数的材料作结构材料，并考虑结构之间的热补偿，以使光学系统在野战恶劣的高低温环境下仍能保证良好的性能。另一方面，热导率高还可以使结构中的温度梯度较小，并使结构内部热平衡容易在短时间内达到。基于以上分析，本文微光夜视仪结构零件选择使用机械性能和强度可以和金属材料相媲美的复合材料。复合材料通过组元材料的协调作用，可以在很大程度上改善和提高单一常规材料的机械性能、物理性能和化学性能。非金属复合材料具有可设计性及密度小的显著特点，因此使用非金属复合材料不仅可以满足夜视仪机械性能和强度要求，而且可以减轻整个夜视仪的重量。几种典型复合材料和常用材料性能对比如表1。碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000～43000Mpa亦高于钢。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。碳纤维是20世纪50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。20世纪80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。
据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。碳纤维增强的复合材料这样的优异性能可以满足光学精密仪器高尺寸稳定性以及高结构精度的要求。采用碳纤维复合材料制造微光夜视仪可实现自身减重的目的。该复合材料已经在航空航天和战略武器等方面得到广泛应用，是不可取代的高级复合材料。几种材料的比刚度和热稳定性比较如图1所示。由表1和图1可知，碳纤维增强环氧树脂基复合材料具有如下特点:（1）密度小。碳纤维环氧树脂基复合材料的密度不及钢密度的五分之一，仅是钛合金密度的0.47倍，所以可知，尺寸相同的的结构件用碳纤维环氧树脂基复合材料制作，要比用钢制作轻80％，比用钛合金制作轻53％。（2）比刚度高。碳纤维环氧树脂基复合材料的比刚度约为钛合金材料的2倍，所以可知，在相同质量的前提下，碳纤维复合材料结构刚度要比钛合金的结构刚度提高一倍，因此适用于结构轻量化设计。（3）线膨胀系数小。碳纤维环氧树脂基复合材料的线膨胀系数比钛合金的线膨胀系数小一个数量级甚至更多。在微光夜视仪结构中，要求在严酷高低温环境下变形极小，所以只有采用碳纤维复合材料才能满足。并且其与透镜材料的线膨胀系数相近，这样就可以避免在温度升高或降低时，结构内部产生较大的温度梯度。从微光夜视仪的设计要求出发，考虑其特殊的军事作战环境，提出并详细地总结了微光夜视仪的结构设计中材料的选择，为以后的总体结构设计做了准备。
作者:张博 单位:黑龙江东方学院
参考文献
[1]徐永祥.夜视技术与军事应用[J].工科物理,1998，8(1):36-38.