实现节能减排的碳纤维复合材料应用进展

碳纤维复合材料(CFRP)具有轻质、高强度、高刚度、抗疲劳和耐腐蚀等优异性能.为了解决全球气候变暖、温室气体排放的环境问题,碳纤维复合材料在大型飞机、风力发电叶片、汽车部件、石油开采抽油杆、电力输送电缆等领域的应用将推动节能减排的实现.碳纤维复合材料的使用实现了材料的轻量化,从而达到了节能减排的目的,碳纤维复合材料在这些领域的实际应用代表了其技术的成熟度和水平.随着国产化碳纤维制造关键技术的成熟,通过突破碳纤维复合材料的低成本制造技术,实现国产碳纤维复合材料在节能减排方面的应用是现实的.     

国产碳纤维在风电叶片产业中的机会——七论国产碳纤维产业化之路

近来,全球风电叶片碳纤维年用量超过2万t的现象在业内引起了大量关注,从碳纤维生产企业到复合材料生产厂家都纷纷涌入风电行业,希冀在这个行业捞到一桶金。笔者希望通过本文与大家分享对碳纤维复合材料在风电叶片中大量应用的分析,并再一次共同探讨国产碳纤维产业化之路。     

风力发电机组叶片材料综述

介绍了木质叶片、合金钢叶片、铝合金叶片,以及目前主要使用的玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料,概述了风机叶片材料的研究及使用情况。阐述了随着风机的大型化,碳纤维增强乙烯基树脂因具有性价比高、工艺性能好等优点,将逐步取代目前普遍采用的碳纤维增强环氧树脂材料。     

复合材料风电叶片技术现状及趋向

本文首先介绍了风力发电的重要性,其次从风力发电叶片的研究、叶片的设计、玻璃纤维和碳纤维所制作的复合材料的风电叶片各自的优缺点及风力发电叶片所存在的问题等几个方面进行论述,最后提出解决的对策以及复合材料风电叶片的未来趋势。     

面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材料关键技术

轻量化技术已成为汽车实现节能、减排的重要途径,碳纤维复合材料为汽车轻量化提供了重要材料基础。由于材料特性与制造工艺的特殊性与复杂性,采用碳纤维复合材料实现汽车轻量化时需要克服多项关键技术。结合汽车产品特点,从低成本碳纤维技术、材料-结构-性能一体化技术、高效成型技术、多材料连接技术、循环利用技术几个方面阐述了碳纤维复合材料在汽车轻量化应用中的关键技术,展望了未来汽车用碳纤维复合材料的发展趋势。     

高铁用碳纤维复合材料防静电技术及标准研究

随着轨道交通用热塑性碳纤维复合材料需求的增长,以重点围绕轨道交通用碳纤维增强热塑性复合材料关键技术与应用示范项目在2018年获批立项,项目以突破热塑性碳纤维复合材料的材料设计与优化、部件结构设计、快速成型成套设备关键工艺等关键技术,实现轨道交通等领域用热塑性碳纤维复合材料零部件的高效批量制造和典型应用验证。高速状态下,车体表面与干燥空气摩擦,对静电的产生创造了良好的条件,摩擦会加剧电荷集聚,当车体静电电位达到几千伏以上时,会对司乘人员有很大危害。所以碳纤维复合材料防静电技术及其标准研究,对于保障行车安全、人身安全、驾乘的舒适感,具有重要的意义。     

碳纤维树脂基复合材料及成型工艺与应用研究进展

目的 碳纤维树脂基复合材料的可设计性和性能优越性使得碳纤维及其树脂基复合材料的应用范围不断拓展.文章简述了碳纤维的性能、发展和分类,研究碳纤维树脂基复合材料的性能影响因素、成型工艺及应用领域,探索其未来研究的发展方向.方法 采用文献调研法,梳理和汇总国内外关于碳纤维树脂基复合材料的制备及应用研究,分析国内外关于其性能影响因素、成型工艺和应用领域的研究进展.结论 碳纤维树脂基复合材料性能受碳纤维含量、基体和碳纤维界面结合性能等因素的影响.国内碳纤维树脂基复合材料的成型技术主要以传统成型工艺为主,不同性能要求和结构特点的构件采用不同成型工艺.应用范围从航空航天、军工领域不断拓展至民用领域,生产制备的高效能化和低成本化是其未来发展方向.此外,环境问题及碳纤维的回收利用是未来碳纤维及其复合材料应用的关键问题.     

碳纤维环氧复合材料与金属电偶腐蚀的研究进展

综述了碳纤维环氧复合材料与金属电偶腐蚀与控制方法的研究进展，着重介绍了碳纤维环氧复合材料的基本特点，碳纤维复合材料与金属电偶腐蚀行为、现代表现分析技术在复合材料电偶腐蚀研究中的应用，对防止电偶腐蚀的防护措施与理论进行了初步的探讨。     

先进复合材料从飞机转向汽车应用的关键技术

轻量化是汽车工业实现可持续发展的重要途径,先进复合材料(Advanced Composite Materials,ACM)特别是碳纤维增强聚合物基复合材料具有质轻高强的性能特点,是最为重要的轻量化材料之一。ACM在航空工业已有四十年的技术和应用积累,但汽车工业的产业特点明显不同于航空,其中最突出的就是对成本和生产效率的要求更高。因此,将ACM的技术特点与汽车工业的重要需求相结合,本文首先介绍了碳纤维复合材料用于汽车结构的最新应用进展,列举了发达国家的相关研发计划。在此基础上,从复合材料设计制造一体化、低成本碳纤维、复合材料高效制造和材料循环利用等四个方面讨论了制约汽车用ACM规模化应用的关键技术。以期为研究发展适合我国汽车工业的复合材料高技术提供一点粗浅见解。     

碳纤维表面处理对水泥砂浆性能的影响及其发展方向

阐述了碳纤维表面处理的常用技术,介绍了表面处理对碳纤维的表面结构与性能的影响,重点阐明了碳纤维的表面处理在水泥基复合材料中的应用,指出了碳纤维表面处理及其水泥基复合材料进一步发展的趋势。     

A parametric study of skin laminates used in the composite layup of large-scale wind turbine blades

To reach an optimal design solution for the composite layup of large-scale wind turbine blades, subjected to various design load conditions, while, fulfilling numerous design requirements, is a challenging task to accomplish. Since, a large-scale blade is a slender beam structure, therefore, its thin composite layup can be assumed to be under plane stress condition. Consequently, a parametric study of the skin laminates used in the blade composite layup, is conducted to explore and identify the possible design improvements. The results show that the use of off-axis fiber angles of the skin laminate lower than the conventional 45° are more favorable to achieve higher laminate stiffness, strength, bucking stability, fatigue resistance, and bend-twist coupling value, thereby, demonstrating the potential improvements to the existing composite layup design of large-scale wind turbine blade.     

高模量碳纤维在中国宇航结构产品上的应用现状及实现自我保障的建议

实现高模量碳纤维复合材料的自我保障对中国国防建设与航天事业发展具有重要的战略与实践意义.重点介绍了高模量碳纤维在中国宇航结构产品上的应用现状及需求,阐述了高模量碳纤维的特点、制备工艺、关键技术及研究现状等,分析了现阶段中国高模量碳纤维发展存在的主要问题,有针对性的提出了实现自我保障的建议.     

聚酰亚胺纤维与碳纤维缠绕复合气瓶性能对比研究

本文主要研究高性能国产聚酰亚胺纤维在复合材料气瓶上的应用,并表征其与进口碳纤维的性能差距.采用国产聚酰亚胺纤维进行缠绕成型工艺优化与复合材料性能测试分析,在测试数据及工艺优化基础上针对其进行了复合材料气瓶的强度设计.分别采用聚酰亚胺纤维、进口T300、T700以及T800碳纤维缠绕成型复合材料气瓶,进行水压爆破压强的测试,并引进声发射检测技术对其在水压过程中的损伤信号进行监测分析.结果表明聚酰亚胺纤维缠绕工艺性良好,与树脂界面结合优异,适用于湿法缠绕成型工艺.复合材料拉伸强度达到1 708 MPa,纤维的强度发挥率高达80%,相比于碳纤维复合材料其呈现出较好的断裂韧性,有利于减少复合材料气瓶在水压下的应力损伤.缠绕成型的聚酰亚胺纤维复合材料气瓶容器特征系数(PV/W)高达32.2 km,其在航空航天、医用、汽车、核工业等领域具有广阔的应用前景.     

Hybrid composite rods subjected to excessive bending loads

Glass fiber/carbon fiber/epoxy hybrid composite rods were investigated in this research for their resistance to excessive bending. The rods are presently being used as the load bearing component of the Aluminum Conductor Composite Core/Trapezoidal Wire (ACCC/TW™) design. The ACCC/TW™ design is one of the most serious candidates to replace the existing conductor designs based on steel and aluminum wires. The effects of mandrel size and thickness of the insulating glass fiber composite sheath on the axial compressive stress state during bending of the ACCC rod were numerically investigated by performing non-linear finite element analyses of the conductor wrapping process. In addition, two sets of compression experiments were performed on composite specimens in order to determine the ultimate compressive strength of the ACCC rod and of the carbon fiber composite alone. During the compression tests, acoustic emissions were monitored from the specimens to determine if a different failure process exists for the hybrid composite as opposed to a traditional uni-directional long fiber composite. Proof tests, and subsequent Scanning Electron Microscope (SEM) work of each type of composite were also performed to better understand the failure process. It was clearly demonstrated in this research that ACCC rods will be mechanically damaged by excessive bending over small diameter mandrels used for transportation and installation purposes. This work should be of great help to the manufacturers and potential users of the ACCC conductors around the world.     

Development of a carbonization-in-nitrogen method for measuring the fiber content of carbon fiber reinforced thermoset composites

Carbon fiber reinforced thermoset composites such as carbon fiber epoxy composites are widely used in aircraft and aerospace, and are being increasingly used in automotive applications because of their lightweight characteristics, high specific strength, and stiffness. The carbon fiber content in the composite plays a critical role in enhancing structural performance. The carbon fibers contribute to the strength and stiffness; therefore, the mechanical properties of the composite are greatly influenced by the carbon fiber content. Measurement of carbon fiber content is essential for product quality control and process optimization. In this work, a novel carbonization-in-nitrogen (CIN) method is developed to characterize the fiber content in carbon fiber thermoset composites. A carbon fiber composite sample is carbonized in a nitrogen environment at elevated temperatures, alongside a neat resin sample. The carbon fibers are protected from oxidization while the resin (the neat resin and the resin matrix in the composite sample) is carbonized under nitrogen environment. The neat resin sample is used to calibrate the resin carbonization rate and calculate the amount of the resin matrix in the composite sample. The new method has been validated on several thermoset resin systems, and found to yield accurate estimation of fiber content in carbon fiber thermoset composites.     

连续碳化硅纤维增强钛基(SiCf/Ti)复合材料的制备技术及界面特性研究综述

连续碳化硅纤维(SiCf)由于具有比强度、比模量高,耐磨性、热稳定性好等性能优点,常作为增强体制备SiC纤维增强钛基复合材料。与钛合金基体相比,其具有密度更低、强度更高、疲劳蠕变性能大幅提升等优点,但横向性能却明显下降。因此,该类材料常被设计制作成单向增强性部件,广泛应用在航空航天等领域,如发动机的传动轴、整体叶环、盘类及风扇叶片等多种复合材料的结构件。碳化硅纤维增强钛基复合材料的性能主要由碳化硅纤维的性能、基体性能及纤维与基体之间的结合界面性能决定。目前批量生产的SiC纤维性能较差,界面结合状态与复合材料性能之间关系的研究开展较少,还不能为钛基复合材料构件设计提供足够的数据支持。因此,近年来研究者们主要从SiCf/Ti基复合材料力学行为的研究角度出发,探究不同基体及纤维类型、复合材料制备工艺方法、界面特性及产物对SiCf/Ti基复合材料界面结合力及破坏机制的影响,获得了大量有价值的数据,以期开发出成本低、产物稳定性好、可批量生产SiCf/Ti基复合材料的制造工艺方法。目前较为成熟的碳化硅纤维有英国DERA-Sigma公司提供的Sigma系列SiCf及美国Textron公司提供的SCS系列SiCf,后者强度最高达到6 200 MPa。SiCf/Ti基复合材料的制备工艺包括金属箔-纤维-金属箔工艺(FFF)、单层带工艺(MT)、基体-涂层纤维工艺(MCT)等,制备复合材料的工艺根据零部件的用途来定,FFF适用于制备板材等大尺寸构件,MCT适用于制备叶环、轴、管、叶片等复杂结构件。界面是增强体与基体之间的纽带和桥梁,界面结构设计、界面反应控制及反应产物均影响着界面的力学特性。在SiCf/Ti基复合材料的纤维和基体之间添加过渡层能够减缓它们之间的相互扩散及化学反应,过渡层选用反应层和惰性涂层组成的双层涂层较好。界面反应产物受涂层成分、基体组织、复合和热处理工艺、环境因素等的影响,增强纤维及基体性能、优选制备工艺、控制界面反应及产物有利于提高复合材料的力学性能。本文总结了连续SiC纤维(SiCf)增强钛基复合材料的应用研究现状,详述了SiCf/Ti基复合材料的钛合金基体材料、SiCf的种类及性能,SiCf与SiCf/Ti基复合材料的制备方法,分析了SiCf/Ti基复合材料界面结构设计及反应产物,阐明了界面力学特性与复合材料性能的关系,指出国内SiCf/Ti基复合材料发展的重点应放在高性能SiC纤维的研究与开发、界面层设计及界面与性能的关系以及复合材料分析检测手段三个方面,为SiCf/Ti基复合材料的制备及其今后的实际应用提供了参考。     

基于遗传算法的大型风机复合材料叶片根部强度优化设计

为了提高复合材料叶片承担载荷的能力, 尤其是承受最大弯矩的叶片根部的承载能力, 研究了遗传算法的优化原理并将遗传算法应用到复合材料叶片根部铺层的优化设计中。针对复合材料层压结构遗传算法优化设计中, 层压结构参数具有离散型的特点, 提出了适合复合材料层压结构遗传算法优化设计的整数编码策略, 以整数来表征层压结构参数。在分析层压结构强度的基础上, 针对结构强度优化的目标构造了可用于遗传算法的适应度函数。同时参考了一定的铺层规则, 在铺层角度限制为工程中常用的四种角度的前提下, 应用遗传算法对叶片根部进行了铺层优化设计。结果表明, 由于遗传算法特有的处理离散型问题的优势, 在叶片根部的铺层优化设计中应用遗传算法是可行和可信的。     

基于锥形量热法的典型碳纤维/环氧复合材料燃烧特性

采用锥形量热仪实验研究环氧树脂基体、T300碳纤维/环氧复合材料及T300碳纤维/环氧-泡沫层合板(上下层为T300碳纤维/环氧复合材料,中间层为4mm厚的Divinycell H60泡沫芯材)在不同火灾环境下的燃烧性能。对比分析其点燃时间、热释放速率、总烟气释放量和CO生成速率等燃烧特性参数的变化规律。利用SEM测试T300碳纤维/环氧复合材料燃烧前、后表面形貌图像和环氧树脂基体和T300碳纤维/环氧复合材料燃烧形成炭层的形貌图像,分析碳纤维在碳纤维/环氧复合材料热解、燃烧过程中的影响作用。结果表明,随热辐射强度的增加,三种实验样品的平均点燃时间均缩短,热释放速率峰值和300s内热释放速率均值均增大,峰值出现时间提前,燃烧后残余率均降低。碳纤维对环氧树脂热解和燃烧起到抑制作用,其点燃、放热及达到热释放速率峰值的时间延后,T300碳纤维/环氧-泡沫层合板中泡沫芯材的燃点较低,使其平均点燃时间、热释放速率峰值出现时间及CO开始释放时间提前。T300碳纤维/环氧复合材料和T300碳纤维/环氧-泡沫层合板燃烧后均出现明显的分层现象,力学性能丧失,整体结构被破坏。碳纤维的存在能够有效抑制碳纤维/环氧复合材料的热解及燃烧,并能有效抑制在燃烧过程中产生融滴、喷溅和大量黑烟。     

基于RTM技术的碳纤维/聚酰亚胺复合材料舵面一体化制备与验证

设计了一种碳纤维/聚酰亚胺复合材料舵面结构,采用PAM-RTM软件模拟了舵面在注胶过程中的树脂流动,根据模拟结果设计了成型模具,并通过树脂传递模塑(RTM)工艺制备了耐高温碳纤维/聚酰亚胺复合材料舵面,对其进行了力学试验,并将三维有限元分析结果与试验结果对比。试验结果表明,碳纤维/聚酰亚胺复合材料舵面在150%的使用载荷下保持了结构的完整性,骨架的最大应变为2 408×10–6,复合材料蒙皮的最大应变为2 371×10–6。有限元分析结果表明,金属骨架的最大应力出现在舵轴根部圆弧过渡区,而碳纤维/聚酰亚胺复合材料蒙皮的最大应力出现在与垫片外圆弧接触处;碳纤维/聚酰亚胺复合材料舵面的初始破坏为蒙皮单向带横向拉伸失效。