环氧树脂碳纤维材料的应用案例解析

  环氧树脂碳纤维材料的特性主要取决于CF、EP及EP与CF之间的粘结特性。EP/CF 复合材料具有优异的性能,与钢相比,EP/CF复合材料的比强度为钢的4.8-7.2倍,比模量为钢的3.1-4.2倍,疲劳强度约为钢的2.5倍、铝的3.3倍,而且高温性能好,工作温度达400℃时其强度与模量基本保持不变。此外还具有密度和线膨胀系数小、耐腐蚀、抗蠕变、整体性好、抗分层、抗冲击等,在现有结构材料中,其比强度、比模量综合指标最高。在加工成型过程中EP/CF复合材料具有易大面积整体成型、成型稳定等独特的优点。

  1.飞行器的轻型化

  F-22战斗机中复合材料的用量已达到24%,新一代直升飞机的复合材料用量高达65%-80%。用树脂基复合材料来代替金属材料制造飞机零部件,可使零部件质量减轻25% -50%,先进复合材料在飞机上的用量及其性能水平已成为飞机先进性的重要考核指标之一。以复合材料在飞机发动机中的应用为代表,美国通用电器-飞机发动机事业集团公司(GEAEBG)和普惠公司等喷气发动机制造公司,以及其它一些二次承包公司都在用高性能复合材料取代金属制造飞机发动机零部件。如发动机舱系统的紧推力反向器、风扇罩、风扇出风道导流片等都用复合材料制造。如发动机进口气罩的外壳是用美国聚合物公司的EP/CF预浸料(E707A)叠铺而成,它具有耐177℃高温的热氧化稳定性,且表面光滑如镜面,有利于形成层流。又如FW4000型发动机有80个耐149℃高温的空气喷口导流片也是用EP/CF预浸料制造的。

  2.轻型机枪枪架

  在轻型自动武器的研制过程中,需要实现的极其重要的战术技术指标是大幅度减轻武器系统的质量,提高武器的机动性,同时保证轻武器的射弹散布精度,尤其是连发射击精度,以满足现代战争对轻武器的战技指标要求。目前使用的12.7mm大口径机枪仍较笨重,特别是枪架较重,而要实现大口径机枪轻量化,提高其机动性,主要靠采用新材料取代传统材料以及改进枪架结构等措施来实现。利用EP/CF复合材料的高比强度、高弹性模量、高阻尼,以及吸振性好、材料性能的可设计自由.度大等特点,可以设计出新型大口径机枪枪架,既能保持原有机枪的结构动力学特性,又可大幅度减轻质量,获得了良好的使用效果,从而开辟了树脂基复合材料在大口径机枪枪架上应用的新途径。

  3.新型连续抽油杆

  有杆泵抽油是当前国内外应用最广泛的机械采油技术,抽油杆是有杆泵系统中的关键部件,也是其中最薄弱的环节。因为抽油杆在工作过程中要承受交变载荷、振动载荷、冲击载荷以及与油管之间的摩擦等多种载荷作用,而且还要经受工作介质中的酸、碱、盐及沙砾的腐蚀与磨砺,工况十分恶劣。抽油杆失效常会引起油井事故。目前广泛使用的常规钢制抽油杆需要大量接箍连接起来才能使用,这些接箍在使用过程中与油管磨损严重,常常发生脱扣甚至断裂,同时接箍会引起活塞效应,加大了运行阻力。此外,钢制抽油杆密度大,对抽油机提升载荷要求高,而且能耗高。常规抽油杆尤其不能满足深井采油的需要。CF具有高强度、高模量、质轻和耐腐蚀的特点,且价格稳步下降,是制备新型连续抽油杆的理想材料。以CF增强EP为主要原材料,采用拉挤成型工艺制备的新型连续抽油杆具有连续无接箍、橫截面小和质轻等优点,完全克服了常规钢制抽油杆的缺点。

  4.高精度天线

  随着我国通讯业的发展,通信卫星日益显示出其重要地位。通信卫星上的通讯天线系统是其关键设备,为了提高通信卫星信号的收发效率,减少信号损失,对卫星天线的制造精度要求很高。卫星天线暴露在环境中,天线材料和天线结构必须经受住空间环境的考验。CF复合材料因其极小的线胀系数,弹性模量与密度、线胀系数之积的比值远高于金属材料,而被天线专家们誉为理想的天线结构材料。复合材料天线反射体的结构形式有夹层结构、薄板(壳)结构两种。夹层结钩天线是以一定厚度的内外蒙皮与轻质的蜂窝或泡沫材料为夹芯而形成截面较厚的均质结构,其特点是质轻、刚性好,有较好的抵御应力变形的能力,是保障天线型面精度的较佳结构形式,故多为天线设计者所采用。由于CF复合材料的比强度和比模量都很高,用其制备薄板式天线,强度、刚性远比铝质天线高,且薄板式结构的天线面板薄、导热快,阳光不均匀照射所造成的面、背和侧的温度梯度小,热应力变形小,更有利于恶劣环境下型面精度的保持。因此,薄板式结构也不失为抛物面天线的一种良好的结构形式。

  5.风电叶片

  洁净能源是全世界关心的问题,风力发电则是重要的洁净能源之一。 据估计2020年世界发电总量中,风力发电要占12%。世界风力发电进展迅速,这也为用于风力发电装置的复合材料提供了广阔市场。

  风力发电装置关键、核心的部分是转子叶片,叶片的设计及其采用的材料决定着风力发电装置的性能和功率,也决定着其电力成本及价格。复合材料在风力发电上的应用,实际上主要.是在风力发电转子叶片上的应用。风力发电转子叶片占风力发电整个装置成本的15%-20%,制造叶片的材料、工艺对其成本有决定性影响。因此,材料的选择、制备工艺的优化对风力发电转子叶片十分重要。风力发电转子叶片材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料,目前最普遍采用的是聚酯树脂/GF、EP/GF 和EP/CF。随叶片长度的增加,要求提高材料的性能,以减轻叶片的质量。同样是34m长的叶片,采用EP/CF比用聚酯树脂/GF质量降低34%。因此,叶片材料发展的趋势是采用EP/纤维复合材料,特别是随功率的增大、叶片长度的增加,更要求采用EP/CF复合材料。由于风力发电单位成本随风力发电的单机功率的增大而降低,目前世界风力发电进一步向大功率、长叶片方向发展,除了要求提高材料的性能,对转子叶片也不断提出更新设计要求,进而又对材料提出新要求。因此,EP/CF复合材料在风力发电上的应用必将不断扩大。

  6.导电复合材料

  导电材料由电绝缘性能较好的合成树脂和具有优良导电性能的填料及其它添加剂通过混炼造粒,并采用注射成型、挤压成型等方法制得。其具有防止带电、除去静电等用途,广泛用于半导体材料、抗静电材料、导电性材料等领域。其分为结构型和填充型两种导电材料。填充型导电材料因加工简单、成本低而得以迅速发展。

  CF与其它导电填料相比,具有密度小、力学性能好、导电性能持久等优点。CF的电磁屏蔽性能主要源于自身良好的导电性,其电导率随热处理温度的升高而增大,因此高温处理下得到的CF的导电率已逐步接近导体,具有较高的电磁屏蔽性能,如经高温处理后的PAN/EP/CF复合材料在频率500MHz时其屏蔽效果可达37dB。

  性能优异的EP/CF复合材料已经获得了广泛的应用。随着CF制备技术、CF表面处理技术的进-步发展以及EP制备工艺和固化技术的迅速发展,EP/CF 复合材料的综合性能还将会得到提高。随着EP/CF成型新工艺的不断研究和开发,采用环保、简便、快捷且价廉的成型工艺,生产性价比更高的EP/CF制品,将会极大地推动EP/CF复合材料的发展,并有效地拓宽EP/CF复合材料的应用领域。