碳纤维强化聚合物

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碳纤维强化聚合物

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碳纤维强化聚合物又称碳纤维、碳复合材料 ,或简称为碳,是含有碳纤维的极其坚固且轻质的纤维增强塑料。 CFRP 的生产成本可能很高,但通常用于需要高强度重量比和刚度(刚度)的地方,例如航空航天、船舶上层结构汽车、土木工程、运动器材以及越来越多的消费者技术应用。

粘合聚合物通常是热固性树脂,例如环氧树脂,但有时也使用其他热固性或热塑性聚合物,例如聚酯乙烯基酯尼龙。 最终 CFRP 产品的特性会受到引入到粘合基质(脂)中的添加剂类型的影响。 最常见的添加剂是二氧化硅,但也可以使用其他添加剂,例如橡胶碳纳米管

碳纤维有时被称为石墨增强聚合物或石墨纤维增强聚合物(GFRP 不太常见,因为它与玻璃(纤维)增强聚合物冲突)。

属性

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CFRP 是复合材料。 在这种情况下,复合材料由两部分组成:基质和增强材料。 在 CFRP 中,增强材料是碳纤维,它提供了强度。 基质通常是聚合物树脂,例如环氧树脂,用于将增强材料粘合在一起。 由于 CFRP 由两种不同的元素组成,因此材料特性取决于这两种元素。

筋赋予 CFRP 强度和刚度,分别通过应力弹性模量来衡量。 与钢和铝等各向同性材料不同,CFRP 具有定向强度特性。 CFRP的性能取决于碳纤维的布局和碳纤维相对于聚合物的比例。 利用碳纤维和聚合物基体的特性控制复合材料净弹性模量的两个不同方程也可以应用于碳纤维增强塑料。 下面的等式,

E c = V m E m + V f E f

适用于纤维在施加载荷方向上取向的复合材料。 E c 是总复合模量,V m 和 V f 分别是矩阵和纤维的体积分数 在复合材料中,E m 和 E f 分别是基体和纤维的弹性模量。 复合材料的弹性模量的另一个极端情况是纤维横向于施加的载荷,可以使用以下等式找到:

E c = ( V m E m + V f E f ) − 1

碳纤维增强塑料的断裂韧性受以下机制控制:1) 碳纤维和聚合物基体之间的脱粘,2) 纤维拉出,以及 3) CFRP 片材之间的分层。 典型的环氧树脂基 CFRP 几乎没有可塑性,失效应变小于 0.5%。

因此,最近增韧 CFRP 的努力包括修改现有的环氧树脂材料和寻找替代聚合物基体。 PEEK 是一种很有前途的材料,它在弹性模量和拉伸强度相似的情况下表现出更高的韧性。 然而,PEEK 更难加工且更昂贵。

尽管其初始强度重量比很高,但 CFRP 的设计限制是缺乏可定义的疲劳极限。 这意味着,从理论上讲,不能排除应力循环失效。 虽然钢和许多其他结构金属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 的疲劳失效特性难以预测和设计。

碳纤维强化聚合物

因此,当将 CFRP 用于关键的循环载荷应用时,工程师可能需要设计相当大的强度安全裕度,以在其使用寿命内提供合适的组件可靠性。

温度湿度等环境影响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 表现出出色的耐腐蚀性,但在很宽的温度范围内水分的影响会导致 CFRP 的机械性能下降,尤其是在基质-纤维界面处。 虽然碳纤维本身不受扩散到材料中的水分的影响,但水分会使聚合物基体塑化。

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