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碳纤维复合材料的基础信息介绍-襄阳玻璃钢配件、襄阳复合材料配件商
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碳纤维是一种含碳量在9 2% 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、 高模量、耐高温、 耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不仅是21世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能, 然而, 它属于脆性材料, 只有将它与基体材料牢固地结合在一起时, 才能利用其优异的力学性能, 使之更好地承载负荷。因此, 碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷, 而目前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料, 广泛应用于航空航天领域、体育休闲领域以及汽车制造、新型建材、信息产业等工业领域。
碳纤维增强复合材料是以各种树脂、碳、金属、陶瓷为基体材料的塑料，其根据基体材料可分为树脂基复合材料(CFRP)、陶瓷基复合材料(CMC)和金属基复合材料(MMC)。碳纤维增强环氧树脂基复合材料的强度、刚度、耐热性能是其它材料无法比拟的，其比强度、比模量均高于其他材料，拉伸强度比铝、钢都大，弯曲、压缩、剪切等机械性能优良。以树脂和金属为基体的复合材料在车身上的应用较为成熟。
（一）碳纤维复合材料特性
碳纤维增强复合材料具有应用于车身制造的诸多优势。为了确保足够的安全性能，在主承载车身结构件上汽车厂商通常要选择强度，刚性及耐冲击性能均很高的材料用于制作主承力结构件，这时环氧树脂碳纤维增强复合材料就成为理想的材料选择。环氧树脂碳纤维增强复合材料具有可设计性、质轻高强、与同体积的铝合金构件相比减重可达50%，耐冲击，耐腐蚀抗疲劳,材料寿命长，此类材料制作的主承载车身结构件，不仅大大提高了汽车的安全性，而且降低了车重减少了燃油消耗，提高了经济性，另外还改善了美观性。
1、碳纤维复合材料具有极高的比模量和比强度，是目前常用材料中最高的。 密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5-2g/ , 相当于钢密度的1 /4、铝合金密度1/2，用其制成与高强度钢具有同等强度和刚度的构件时，其重量可减轻70%左右。
表1、碳纤维—环氧增强塑料与几种材料特性的比较
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材料种类
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纤维含量体积比/%
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密度/(g·cm-3)
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拉伸强度/Mpa
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弹性模量/Mpa
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比强度/m
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比模量/km
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钢
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—
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7.8
|
1000
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214000
|
1.3
|
0.27
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高级合金钢
|
—
|
8.0
|
1280
|
210000
|
1.6
|
0.26
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铝
|
—
|
2.6
|
400
|
70000
|
1.5
|
0.27
|
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2A12铝合金
|
—
|
2.8
|
420
|
71000
|
1.5
|
0.25
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玻璃增强塑料
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60单向
|
2.0
|
1100
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40000
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5.5
|
0.2
|
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碳纤维环氧塑料
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高强度型
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60单向
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1.5
|
1400
|
130000
|
9.3
|
0.87
|
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高模量型
|
60单向
|
1.6
|
1100
|
190000
|
6.2
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1.2
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碳纤维复合材料具有比玻璃纤维更低的密度和更高的强度，因此比强度很高。另外，由于其密度方面的压倒性优势，替代钢材后，车体质量将是钢材的25%左右，却10倍于钢强度。
2、纤维复合材料的抗疲劳性能极佳。由于在疲劳载荷作用下的断裂是材料内部裂纹扩展的结果，碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体间的界面能有效阻止疲劳裂纹扩展，具有较高的断裂韧性和假塑性，而外加载荷有增强纤维承担因而疲劳强度极限比金属材料和其他非金属材料高很多。如下是三种材料疲劳强度的比较。
3、碳纤维复合材料是汽车金属材料最理想的替代材料，在碰撞中对能量的吸收率是铝和钢的4～5倍，减轻车身质量的同时，还能保证不损失强度或刚度，保持防撞性能。下面是碳纤维复合材料和其他材料的对比结果。
碳纤维复合材料的工艺性和可设计性好，调整CFRP材料的形状、排布、含量，可满足构件的强度、刚度等性能要求，能用模具制造的构件可一次成型，减少紧固件和接头数目，可以大大提高材料利用率。
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