超酷的碳纤维复合材料
传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维复合材料（CFRP）由于比重小、刚性好和强度高，被广泛的应用于到建筑、桥梁、医疗器械、汽车、船部件、电脑、手机、箱包、体育用品等行业。
一、碳纤维复合材料的优点
纤维复合材料吸收外力的方式有三种：纤维断裂、纤维拔出、树脂断裂。纤维长度增加，则纤维拔出消耗更多的能量，故有利于冲击强度的提高。常见的纤维复合材料就是钢架混凝土，它是现代高楼大厦及城市的基础。碳纤维因优异的性能使其复合材料特点更明显。
常用结构材料强度、模量比较
拉伸强度/MPa
拉伸模量/GPa
比强度[MPa/(g/cm3)]
比模量/[GPa/(g/cm3)]
密度
铝合金
393
72.0
141.3
25.9
2.78
结构钢
1197
206
152.6
26.3
7.85
钛合金
712
116.7
157.5
25.8
4.52
玻璃纤维/聚酯复合材料
1245
48.2
623
24.1
2.0
高强度碳纤维/双马来酰亚胺复合材料①
696
60.7
480
41.9
1.45
高强度碳纤维/双马来酰亚胺复合材料②
1548
135
1068
93.1
1.45
中模量碳纤维/双马来亚酰胺复合材料③
1233
73.4
811
48.3
1.52
中模量碳纤维/双马来亚酰胺复合材料④
2741
163
1803
107.2
1.52
高强度碳纤维/环氧树脂复合材料⑤
1470
137.3
1014
94.7
1.45
高模量碳纤维/环氧树脂复合材料⑥
1049
235
656
146.9
1.6
有机纤维/环氧复合材料⑦
1373
78.4
981
56.0
1.40
①QY8911/T300，铺层为0 ° ，±45 °,90 °；比例40%，50%， 10%。
②QY8911/T300，铺层为0 ° 。
③QY9511/T800H,铺层为0 °，±45 °，90 °；比例40%，50%，10%。
④QY9511/T800H,铺层为0 °。
⑤T300碳纤维，0 °铺层。
⑥M40碳纤维，0 °铺层。
⑦Kovlar-149，0 °铺层。
从上表可以看出碳纤维复合材料优势明显，所以随着轻量化的普及碳纤维复合材料的应用也越来越广泛。
二、制品的基础
1、 编织布
碳纤维的特性，可以进行编织，但因为碳纤维非常细，所以不像其他纤维那样可以单根编织，而是一束一束编织，这就是我们常听到的1K布、3K布等。
按织造方式分
1、机织碳纤维布，主要有：平纹布，斜纹布，缎纹布，单向布等
2、针织碳纤维布，主要有：经编布，纬编布，圆机布(套管)，横机布(罗纹布)等
3、编织碳纤维布，主要有：套管，盘根，编织带，二维布，三维布，立体编织布等
4、碳纤维无纺布，非织造布，即碳纤维毡，碳毡，包括短切毡，连续毡，表面毡，针刺毡，缝合毡等。
碳纤维布很少单独使用，而是和树脂一起配合使用。
1、 预浸料
由碳纤维、树脂等材料，经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺加工而成的复合材料称为碳纤维预浸料，又名碳纤维预浸布。预浸料之所以叫“预”浸料，就是在加工制品之前预先在纤维便面涂覆一层树脂，并由线性，变为平面利于后道加工。
预浸料可以使用碳纤维丝、也可以使用碳纤维布进行预浸，预浸用的树脂可以采用热固性树脂，也可以采用热塑性树脂，但目前大多数采用热固性的环氧树脂。
编织布优点：美观、受力均匀
编织布缺点：强度低、贵 (编织需要花钱)
单向布优点：强度高且稳定，叠层角度可设计，价格便宜，
单向布缺点：成型后外观看不出是碳纤维，单层无法应用
预浸料几个重要概念：克重、树脂含量
1、 碳纤维改性粒子
纤维改性的粒子使用热塑性树脂和碳纤维改性而得，这里的热塑性树脂可以使用几乎所有的塑料材料，纤维可以使用短纤和长纤维，这一点类似于玻纤改性。碳纤维改性粒子大的优势就是可以应用于注塑产品，但纤维含量不能太高。
三、材料和工艺比较
1、热固性和热塑性复合材料
热固性复合材料使用环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂、双马来酰亚胺树脂等热固性树脂。
热固性复合材料优点是耐温好，纤维含量高，且可以在加工温度可以低于其耐受温度，缺点是不可回收利用，且需要冷藏保存。
热塑性复合材料使用包括通用树脂、工程塑料、特种树脂在内所以热塑性树脂。
热塑性复合材料优点是可以重复使用，加工形式多样，缺点是纤维含量较低，且加工温度较高，要在树脂的熔点以上。
2、预浸料
纤维：碳纤维丝、碳纤维布（3K）见二（1）
树脂：热固性树脂、热塑性树脂 见三（1）
工艺：湿法、干法
湿法既溶液浸渍法：
溶液浸渍法是把树脂基体各组分按规定的比例,溶解于低沸点溶剂中,使之成为一定浓度的溶液,然后将纤维束或织物以规定的速度通过树脂基体溶液,使其浸上定量的树脂基体。溶液浸渍法的优点是增强材料容易被树脂基体浸透，可以制造薄型预浸料, 也可制造厚型预浸料，并且设备造价相对较低。缺点是需要干燥炉除去溶剂或进行溶剂回收。处理不当会引起燃烧或引起环境污染。预浸料往往残留一定量的溶剂,成型时易形成空隙,影响复合材料性能。该方法在发达工业已逐步被热熔法取代。
干法既热熔法
热熔法是溶液浸渍法的基础上发展起来,以免去溶液浸渍法因溶剂带来的诸多不便。专业化预浸料公司大都采用热熔法制备预浸料,特别是主承力结构用的预浸料。热熔法因其工艺步骤不同,又可分为直接热熔法（也称一步法）和膜胶压延法（也称两步法）。前者是将树脂基体置于胶槽中,加热到一定温度、使树脂熔融,然后将纤维束依次通过展开机构、胶槽、多组挤胶辊、重排机构后收卷。
该工艺要求树脂基体有良好流动性,在不高的温度下呈流动态,以利浸润纤维。膜胶压延法是目前广泛采用的方法,是生产预浸料的选择。该法一般包括制膜和预浸两个步骤。制膜是先将树脂基体置于混合器中充分混合,待加热到佳涂膜温度后,用电机驱动的计量泵或通过压力将树脂基体输送到涂胶辊,调节涂胶辊的间距和离型纸的运行线速度,可以制得不同厚度的胶膜。通过无损检测仪控制胶膜的厚度或胶膜的面密度,利用冷却板降低胶膜的温度,尽量减少其固化程度,随后收卷、包装,存放于冷库待用。预浸过程包括从纱架引出纤维,调节张力后,通过蓖子集束、展平到规定的宽度、从上、下胶膜辊引出预先制好的胶膜,与纤维形成夹芯结构,依次通过多组热压辊,使树脂基体熔融,纤维嵌入树脂基体中。经过冷却段、降低预浸料温度和覆盖聚乙烯薄膜后,切边、收卷,制得预浸料。热熔浸渍法的优点是工艺过程线速度大、效率高树脂含量容易控制，没有溶剂,预浸料挥发分含量低,工艺安全不需要干燥炉、减少了环境污染。制膜和浸渍过程可以分步进行，减少了材料特别是昂贵增强材料的损失，且这种工艺预浸料的外观质量优于其它方法。
预浸料的生产多为两步法，步为涂胶，第二步为含浸。
3、碳纤维制品
目前碳纤维制品，主要是热固性复合材料，其中大部分是以碳纤维布和预浸料作为基础，进一步加工。随着进一步的发展，对碳纤维热塑性复合材料的需求也逐渐增加。
更多信息请关注复合材料信息网www.cnfrp.com
一、碳纤维复合材料的优点
纤维复合材料吸收外力的方式有三种：纤维断裂、纤维拔出、树脂断裂。纤维长度增加，则纤维拔出消耗更多的能量，故有利于冲击强度的提高。常见的纤维复合材料就是钢架混凝土，它是现代高楼大厦及城市的基础。碳纤维因优异的性能使其复合材料特点更明显。
常用结构材料强度、模量比较
拉伸强度/MPa
拉伸模量/GPa
比强度[MPa/(g/cm3)]
比模量/[GPa/(g/cm3)]
密度
铝合金
393
72.0
141.3
25.9
2.78
结构钢
1197
206
152.6
26.3
7.85
钛合金
712
116.7
157.5
25.8
4.52
玻璃纤维/聚酯复合材料
1245
48.2
623
24.1
2.0
高强度碳纤维/双马来酰亚胺复合材料①
696
60.7
480
41.9
1.45
高强度碳纤维/双马来酰亚胺复合材料②
1548
135
1068
93.1
1.45
中模量碳纤维/双马来亚酰胺复合材料③
1233
73.4
811
48.3
1.52
中模量碳纤维/双马来亚酰胺复合材料④
2741
163
1803
107.2
1.52
高强度碳纤维/环氧树脂复合材料⑤
1470
137.3
1014
94.7
1.45
高模量碳纤维/环氧树脂复合材料⑥
1049
235
656
146.9
1.6
有机纤维/环氧复合材料⑦
1373
78.4
981
56.0
1.40
①QY8911/T300，铺层为0 ° ，±45 °,90 °；比例40%，50%， 10%。
②QY8911/T300，铺层为0 ° 。
③QY9511/T800H,铺层为0 °，±45 °，90 °；比例40%，50%，10%。
④QY9511/T800H,铺层为0 °。
⑤T300碳纤维，0 °铺层。
⑥M40碳纤维，0 °铺层。
⑦Kovlar-149，0 °铺层。
从上表可以看出碳纤维复合材料优势明显，所以随着轻量化的普及碳纤维复合材料的应用也越来越广泛。
二、制品的基础
1、 编织布
碳纤维的特性，可以进行编织，但因为碳纤维非常细，所以不像其他纤维那样可以单根编织，而是一束一束编织，这就是我们常听到的1K布、3K布等。
按织造方式分
1、机织碳纤维布，主要有：平纹布，斜纹布，缎纹布，单向布等
2、针织碳纤维布，主要有：经编布，纬编布，圆机布(套管)，横机布(罗纹布)等
3、编织碳纤维布，主要有：套管，盘根，编织带，二维布，三维布，立体编织布等
4、碳纤维无纺布，非织造布，即碳纤维毡，碳毡，包括短切毡，连续毡，表面毡，针刺毡，缝合毡等。
碳纤维布很少单独使用，而是和树脂一起配合使用。
1、 预浸料
由碳纤维、树脂等材料，经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺加工而成的复合材料称为碳纤维预浸料，又名碳纤维预浸布。预浸料之所以叫“预”浸料，就是在加工制品之前预先在纤维便面涂覆一层树脂，并由线性，变为平面利于后道加工。
预浸料可以使用碳纤维丝、也可以使用碳纤维布进行预浸，预浸用的树脂可以采用热固性树脂，也可以采用热塑性树脂，但目前大多数采用热固性的环氧树脂。
编织布优点：美观、受力均匀
编织布缺点：强度低、贵 (编织需要花钱)
单向布优点：强度高且稳定，叠层角度可设计，价格便宜，
单向布缺点：成型后外观看不出是碳纤维，单层无法应用
预浸料几个重要概念：克重、树脂含量
1、 碳纤维改性粒子
纤维改性的粒子使用热塑性树脂和碳纤维改性而得，这里的热塑性树脂可以使用几乎所有的塑料材料，纤维可以使用短纤和长纤维，这一点类似于玻纤改性。碳纤维改性粒子大的优势就是可以应用于注塑产品，但纤维含量不能太高。
三、材料和工艺比较
1、热固性和热塑性复合材料
热固性复合材料使用环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂、双马来酰亚胺树脂等热固性树脂。
热固性复合材料优点是耐温好，纤维含量高，且可以在加工温度可以低于其耐受温度，缺点是不可回收利用，且需要冷藏保存。
热塑性复合材料使用包括通用树脂、工程塑料、特种树脂在内所以热塑性树脂。
热塑性复合材料优点是可以重复使用，加工形式多样，缺点是纤维含量较低，且加工温度较高，要在树脂的熔点以上。
2、预浸料
纤维：碳纤维丝、碳纤维布（3K）见二（1）
树脂：热固性树脂、热塑性树脂 见三（1）
工艺：湿法、干法
湿法既溶液浸渍法：
溶液浸渍法是把树脂基体各组分按规定的比例,溶解于低沸点溶剂中,使之成为一定浓度的溶液,然后将纤维束或织物以规定的速度通过树脂基体溶液,使其浸上定量的树脂基体。溶液浸渍法的优点是增强材料容易被树脂基体浸透，可以制造薄型预浸料, 也可制造厚型预浸料，并且设备造价相对较低。缺点是需要干燥炉除去溶剂或进行溶剂回收。处理不当会引起燃烧或引起环境污染。预浸料往往残留一定量的溶剂,成型时易形成空隙,影响复合材料性能。该方法在发达工业已逐步被热熔法取代。
干法既热熔法
热熔法是溶液浸渍法的基础上发展起来,以免去溶液浸渍法因溶剂带来的诸多不便。专业化预浸料公司大都采用热熔法制备预浸料,特别是主承力结构用的预浸料。热熔法因其工艺步骤不同,又可分为直接热熔法（也称一步法）和膜胶压延法（也称两步法）。前者是将树脂基体置于胶槽中,加热到一定温度、使树脂熔融,然后将纤维束依次通过展开机构、胶槽、多组挤胶辊、重排机构后收卷。
该工艺要求树脂基体有良好流动性,在不高的温度下呈流动态,以利浸润纤维。膜胶压延法是目前广泛采用的方法,是生产预浸料的选择。该法一般包括制膜和预浸两个步骤。制膜是先将树脂基体置于混合器中充分混合,待加热到佳涂膜温度后,用电机驱动的计量泵或通过压力将树脂基体输送到涂胶辊,调节涂胶辊的间距和离型纸的运行线速度,可以制得不同厚度的胶膜。通过无损检测仪控制胶膜的厚度或胶膜的面密度,利用冷却板降低胶膜的温度,尽量减少其固化程度,随后收卷、包装,存放于冷库待用。预浸过程包括从纱架引出纤维,调节张力后,通过蓖子集束、展平到规定的宽度、从上、下胶膜辊引出预先制好的胶膜,与纤维形成夹芯结构,依次通过多组热压辊,使树脂基体熔融,纤维嵌入树脂基体中。经过冷却段、降低预浸料温度和覆盖聚乙烯薄膜后,切边、收卷,制得预浸料。热熔浸渍法的优点是工艺过程线速度大、效率高树脂含量容易控制，没有溶剂,预浸料挥发分含量低,工艺安全不需要干燥炉、减少了环境污染。制膜和浸渍过程可以分步进行，减少了材料特别是昂贵增强材料的损失，且这种工艺预浸料的外观质量优于其它方法。
预浸料的生产多为两步法，步为涂胶，第二步为含浸。
3、碳纤维制品
目前碳纤维制品，主要是热固性复合材料，其中大部分是以碳纤维布和预浸料作为基础，进一步加工。随着进一步的发展，对碳纤维热塑性复合材料的需求也逐渐增加。
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