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碳纤维强化聚合物

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以碳纤维强化聚合物制成的遥控直升机尾翼。

碳纤维强化聚合物（英语：carbon fiber reinforced polymer, CFRP），又称为碳纤维强化塑胶（carbon-fiber reinforced plastic, CRP）或碳纤维强化热塑性塑胶（carbon fiber reinforced thermoplastic, CFRTP）等，工业界常以日文音译称作卡梦[1]，是一种含有碳纤维、极其坚固和轻量的纤维强化塑胶。虽然碳纤维强化聚合物制造昂贵，但被广泛应用于强度重量比和刚性需求高的产业中，如航空、汽车、土木工程、运动器材等等。

聚合物基质一般采用热固性树脂（如环氧树脂），但其他热固性或热塑性聚合物（如聚酯、乙烯基酯或尼龙等）也时常被应用。除碳纤维外，其他也常被使用的纤维增强物有：芳香聚酰胺（如克维拉或特瓦伦（英语：Twaron）等）、金属铝、超高分子量聚乙烯（英语：Ultra-high-molecular-weight polyethylene）（UHMWPE）或玻璃纤维等。碳纤维强化聚合物的最终产品性能（导电度、导热度、韧性等）可能受到基质（树脂）添加剂种类的影响，而最常见的添加剂是二氧化硅，而其他种类的添加剂如橡胶或奈米碳管等也被使用。

碳纤维有时也被称为石墨增强聚合物 (graphite-reinforced polymer) 或石墨纤维增强聚合物 (graphite fiber-reinforced polymer)，但不会简称为 GFRP，因为它会与玻璃纤维增强聚合物 (glass fiber-reinforced polymer)重复。

性质

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碳纤维强化聚合物是一种复合材料，由基材和强化材等两部分组成。其中，碳纤维是强化材，提供复合材料的机械强度，而基质则通常是聚合物树脂（如环氧树脂），用于黏合强化材[2]。因此，CFRP 的材料性质取决于基质和强化材。

强化材赋予其强度与刚度；分别通过应力和弹性模数来测量。与钢铁或铝金属等等向性材料不同，CFRP 强度性质具有方向性。碳纤维强化聚合物的性能取决于碳纤维的走向以及碳纤维相对于基材的比例[3]。

对于复合材料的强度可以简单由两个方程式计算[4]，方程式分别为：

适用于碳纤维方向平行于施加负载方向的CFRP。是复合材料的总弹性模数， 和 分别是复合材料中基材和纤维的体积比例，以及 和 分别是基材和纤维的弹性模数。[4]而复合材料的弹性模数的另一个极端情况是，碳纤维走向与施加负载方向完全垂直，就须改用以下公式：

对于单方向 (Uni-Direction) 的碳纤维而言，这两个等式可以大略找出所制作的碳纤维强化复合材料的弹性模数范围。

CFRP的断裂韧性主要有三种机制：1）纤维和基材之间的脱粘，2）纤维拉出，以及3）每一层纤维布之间的分层。最常见的的环氧树脂基CFRP虽然具有高强度和弹性模量，却几乎没有韧性、破坏应变小于0.5%。由于脆性材料失效往往都是灾难性的，如何有效检测对工程师而言是一大挑战[5] 。因此，增加CFRP韧性是研究的一大方向，方法包括改性现有的环氧树脂基材和寻找替代的聚合物。PEEK就是满足此一研究方向的材料，它表现出更高的韧性，具有相似的弹性模数、拉伸强度，并有更高的耐热性质。然而，PEEK的加工难度要大得多，而且成本也更高[5]。

尽管 CFRP 的强度重量比相当惊人，但 CFRP 的设计局限性是它们缺乏可定义的疲劳极限。这意味着，不能排除应力循环造成失效的可能性。虽然许多其他结构金属 (如钢和铝合金) 确实具有可估计的疲劳或耐久极限，但复合材料的复杂失效模式意味着CFRP的疲劳失效性能难以预测和设计;然而，新兴的研究已经揭示了低速冲击对复合材料的影响。[6] 低速冲击会使碳纤维聚合物容易受到损坏[7][8][9]。因此，将CFRP用于循环负载应用的关键零件时，工程师在设计强度时可能需要相当大的安全裕度，以确保在使用寿命内元件的可靠性。

温度和湿度等环境因子会对聚合物基复合材料（包括大多数CFRP）产生深远影响。虽然CFRP具有优异的耐腐蚀性，但湿气可能会导致CFRP的机械性能下降，特别是在基体-纤维界面上。[10] 虽然碳纤维本身不受扩散到材料中的水分影响，但水分会塑化聚合物基质。[5] 这导致了 CFRP 的机械性质受基质影响产生显著变化，例如压缩、层间剪切和耐冲击性能。[11] 用于发动机风扇叶片的环氧树脂基体设计为不受喷气燃料、润滑剂和雨水的影响，复合材料部件上的外部涂料目的在减少紫外线造成的降解。[5][12]

当CFRP部件连接到铝或低碳钢上时会引起，不锈钢或钛则不会。[13]

碳纤维增强塑胶非常难加工，并会导致工具严重磨损。CFRP加工中的刀具磨损取决于切削过程的纤维取向和加工条件。为了减少刀具磨损，在加工CFRP和CFRP金属叠层时使用了各种类型的涂层刀具。[14]另外激光切割也是可以考虑的加工选项之一。

制造

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把碳纤维逐层铺上（每层铺上后要加上聚合物树脂如环氧树脂）模具，然后压制成型。

应用

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碳纤维强化聚合物应用广泛如：公路自行车，航空工业以及汽车制造业

参见

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参考资料

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  1. ^ [1]
  2. ^ Kopeliovich, Dmitri. Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites 互联网档案馆的存档，存档日期14 May 2012.. substech.com
  3. ^ Basic Properties of Reference Crossply Carbon-Fiber Composite 互联网档案馆的存档，存档日期19 June 2012.. Oak Ridge National Laboratory (February 2000)
  4. ^ 4.0 4.1 Courtney, Thomas. Mechanical Behavior of Materials. United States of America: Waveland Press, Inc. 2000: 247–249. ISBN 1-57766-425-6. 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 Chawla, Krishan. Composite Materials. United States of America: Springer. 2013. ISBN 978-0-387-74364-6. 
  6. ^ Liao, Binbin; Wang, Panding; Zheng, Jinyang; Cao, Xiaofei; Li, Ying; Ma, Quanjin; Tao, Ran; Fang, Daining. Effect of double impact positions on the low velocity impact behaviors and damage interference mechanism for composite laminates. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2020-09-01, 136: 105964. ISSN 1359-835X. doi:10.1016/j.compositesa.2020.105964. 
  7. ^ Liao, Binbin; Wang, Panding; Zheng, Jinyang; Cao, Xiaofei; Li, Ying; Ma, Quanjin; Tao, Ran; Fang, Daining. Effect of double impact positions on the low velocity impact behaviors and damage interference mechanism for composite laminates. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2020-09-01, 136: 105964. ISSN 1359-835X. doi:10.1016/j.compositesa.2020.105964. 
  8. ^ Ma, Binlin; Cao, Xiaofei; Feng, Yu; Song, Yujian; Yang, Fei; Li, Ying; Zhang, Deyue; Wang, Yipeng; He, Yuting. A comparative study on the low velocity impact behavior of UD, woven, and hybrid UD/woven FRP composite laminates. Composites Part B: Engineering. 2024-02-15, 271: 111133. ISSN 1359-8368. doi:10.1016/j.compositesb.2023.111133. 
  9. ^ Aminakbari, Nariman; Kabir, Mohammad Zaman; Rahai, Alireza; Hosseinnia, Amirali. Experimental and Numerical Evaluation of GFRP-Reinforced Concrete Beams Under Consecutive Low-Velocity Impact Loading. International Journal of Civil Engineering. 2024-01-01, 22 (1): 145–156. ISSN 2383-3874. doi:10.1007/s40999-023-00883-9 （英语）. 
  10. ^ Ray, B. C. Temperature effect during humid ageing on interfaces of glass and carbon fibers reinforced epoxy composites. Journal of Colloid and Interface Science. 1 June 2006, 298 (1): 111–117. Bibcode:2006JCIS..298..111R. PMID 16386268. doi:10.1016/j.jcis.2005.12.023. 
  11. ^ Almudaihesh, Faisel; Holford, Karen; Pullin, Rhys; Eaton, Mark. The influence of water absorption on unidirectional and 2D woven CFRP composites and their mechanical performance. Composites Part B: Engineering. 1 February 2020, 182: 107626 [1 October 2021]. ISSN 1359-8368. S2CID 212969984. doi:10.1016/j.compositesb.2019.107626. （原始内容存档于1 October 2021） （英语）. 
  12. ^ Guzman, Enrique; Cugnoni, Joël; Gmür, Thomas. Multi-factorial models of a carbon fibre/epoxy composite subjected to accelerated environmental ageing. Composite Structures. May 2014, 111: 179–192. doi:10.1016/j.compstruct.2013.12.028. 
  13. ^ Yari, Mehdi. Galvanic Corrosion of Metals Connected to Carbon Fiber Reinforced Polymers. corrosionpedia.com. 24 March 2021 [21 June 2021]. （原始内容存档于24 June 2021）. 
  14. ^ Nguyen, Dinh; Abdullah, Mohammad Sayem Bin; Khawarizmi, Ryan; Kim, Dave; Kwon, Patrick. The effect of fiber orientation on tool wear in edge-trimming of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) laminates. Wear (Elsevier B.V). 2020,. 450–451: 203213. ISSN 0043-1648. S2CID 214420968. doi:10.1016/j.wear.2020.203213. 

外部链接

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