碳纖維增強複合材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強體，以樹脂、陶瓷、金屬、水泥、碳質或橡膠等為基體所形成的複合材料。在眾多輕量化材料中具有較高的比強度、比剛性，輕量化效果十分明顯，在航空航天、軍工產品中得到廣泛套用。套用在車身結構件中，減輕質量效果尤為明顯，比鋼鐵材料輕50%，比鋁材輕30%，因此得到國內外各大汽車公司的廣泛關注。
基本介紹
- 中文名：碳纖維增強基複合材料
- 外文名：Carbon Fibre-reinforced Polymer
- 簡稱：CFRP
- 原材料：樹脂、陶瓷、金屬、水泥
特性,碳纖維增強複合材料套用,複合原理,加工方法,加工工藝,傳統工藝,樹脂轉移模塑工藝,真空輔助樹脂傳遞模塑和樹脂浸漬模塑工藝,發展,
特性
碳複合材料的特性主要表現在力學性能、熱物理性能和熱燒蝕性能三個方面。
（1）密度低（1.7g/cm3左右）在承受高溫的結構中，它是最輕的材料；高溫的強度好，在2200℃時可保留室溫強度；有較高的斷裂韌性，抗疲勞性和抗蠕變性；而且拉伸強度和彈性模量高於一般的碳素材料，纖維取向明顯影響材料的強度，在受力時其應力-應變曲線呈現“假塑性效應”即在施載入荷初期呈線性關係，後來變成雙線性關係，卸載後再載入，曲線仍為線性並可達到原來的載荷水平。
（3）耐熱燒蝕的性能好，熱燒蝕性能是在熱流作用下，由於熱化學和機械過程中引起的固體材料表面損失的現象,通過表層材料的燒蝕帶走大量的熱量,可阻止熱流入材料內部，C-C材料是一種升華-輻射型材料。
碳纖維增強複合材料套用
碳纖維增強複合材料的優異的力學性能和熱物理性能，使它廣泛的套用於核反應堆，固體火箭噴管，熱交換器和制動盤。而C-C材料的熱燒蝕性能廣泛套用於燒蝕型防熱材料。如：用於火箭的噴管喉襯和遠程飛彈頭錐；其次，在電子電器工業可作電極板，醫療中可作人工心臟瓣膜閥體。
碳纖維
碳纖維複合原理
它以碳纖維或碳纖維織物為增強體，以碳或石墨化的樹脂作為基體。
複合以後的這種材料在高溫下的強度好，高溫形態穩定，升華溫度高，燒蝕凹陷性，平行於增強方向具有高強度和高剛性，能抗裂紋傳播，可減震，抗輻射。
加工方法
碳複合材料的成型加工技術包括碳纖維的坯體製造、碳基體的製造和基體與纖維的複合。
首先，將碳纖維或碳纖維織物製成坯體，根據原料形式不同分為：長纖維纏繞法；碳氈短纖維模壓或噴射成型；石墨布疊層。目前，其坯體研製以三向織物為主，三向織物以X、Y、Z方向互成90o正交排列，各方向的碳纖維在織物中保持準直，因此能較好的發揮纖維的力學性能。
其次，製作複合材料的基體。碳-碳複合材料的基體有樹脂碳和熱解碳兩種，樹脂碳是由合成樹脂或瀝青經碳化和石墨化獲得，熱解碳是由烴類氣體的氣相沉積獲得。
最後，把坯體與基體複合成型。
方法有兩種
一、把來源於煤油和石油的熔融的瀝青在加熱加壓的條件下浸漬到碳纖維坯體的結構縫隙中，然後使其熱解，再反覆浸漬-熱解直到複合材料達到要求密度。
二、通過氣相化學沉積法在熱的基質材料上形成高強度熱解石墨。
加工工藝
傳統工藝
樹脂轉移模塑工藝
傳統成型工藝一般生產效率低，生產周期長，工作環境差，對大批量生產往往不太合適。目前，樹脂轉移模塑（RTM）成型工藝受到越來越廣泛的關注。
RTM工藝是複合材料較為常用的一種成型工藝，該工藝是將纖維增強材料或預成坯鋪放到閉模模腔內，用壓力將樹脂液注入模腔，浸透纖維或預成型坯，然後固化，脫模成型製品。其工藝特點為，可以製造兩面光潔的製品，成型效率高，適合於中等規模（年產量為2萬~5萬件）的複合材料產品生產，為閉膜成型技術，不污染環境，增強材料可根據產品受力情況任意鋪放。生產設備投資少，屬於低成本、高性能複合材料成型技術，尤其適合於小批量、多品種汽車結構件、覆蓋件的生產，國外已普遍套用。
真空輔助樹脂傳遞模塑和樹脂浸漬模塑工藝
RTM技術在國際上有較快的發展，不斷派生出新的成型方法。其中真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）和西曼複合材料公司樹脂浸漬模塑法（SCRIMP）是目前用得較多的較典型的派生技術。該兩項成型技術利用真空輔助加壓浸漬，使纖維增強材浸漬速度快、面積廣、更均勻，產品質量更趨穩定並提高。真空輔助成型工藝（VARI Vacuum Assisted Resin Infusion）是一種新型的低成本的複合材料大型製件的成型技術，它是在真空狀態下排除纖維增強體中的氣體，利用樹脂的流動、滲透，實現對纖維及其織物的浸漬，並在室溫下進行固化，形成纖維增強材料的工藝方法。對於大尺寸、大厚度的複合材料製件，VARI是一種十分有效的成型方法；採用以往的複合材料成型工藝，較大的模具選材困難，而且成本昂貴，製造十分困難，尤其是對大厚度的汽車結構件。VARI 成型工藝和傳統工藝相比，不需要熱壓罐，即可在室溫下固化，經裁邊和表面噴塗等後處理可在較高的溫度下使用；也比手糊方法製造的製件空隙率低、性能好、纖維含量高。
發展
目前，碳-碳複合材料的發展立足於新工藝、新設備的研製與發展，努力降低生產成本，而且努力的想辦法克服自身的缺點。如：碳-碳複合材料的抗氧化的性能差，目前改善的方法有：浸漬樹脂時加入抗氧化劑；氣相沉碳時加入其它抗氧化元素等等。碳-碳複合材料還有其它固有的缺點，如在加工方面製造加工的周期太長、可塑性太差、成本太高，這些不足之處在以後的發展中將會得到解決。
