碳纤维材料的几种应用方式

目前碳纤维材料常见的几种应用形式主要包括：连续长纤维、碳纤维织物、短切碳纤维及碳纤维预浸料。四种材料所常用成型工艺及应用领域图1所示。

▲ 图1 碳纤维材料应用形式及成型工艺

1

连续长纤维

连续长纤维即为目前碳纤维企业市售的碳纤维产品，纤维性能和规格主要取决于不同企业的技术水平和产业化能力。

连续长纤维主要成型工艺主要有缠绕成型、拉挤成型等，但严格意义上来说长纤维也并非单独使用，而是要在成型加工前先进行树脂浸渍处理，主要产品为压力容器，如宁波材料所自研纤维研发的高压储气瓶如图2所示（详见：宁波材料所新型高强高模碳纤维开发的高压储气瓶通过测试）。

▲ 图2 宁波材料所自研纤维为原料研发的高压气瓶

2

碳纤维织物

碳纤维织物是经过编织工艺，使得两束及以上碳纤维在斜向或纵向互相交织形成整体结构的预成形体，按照传统纺织概念，编织物可以包括机织物、针织物和无纺布，目前碳纤维织物通常采用机织物。

碳纤维机织物按照经向和纬向碳纤维交织规律可以分为平纹织物、斜纹织物和缎纹织物，如图3所示。平纹织物的特点是经向和纬向碳纤维以一上一下的规律交织，交织点最多，织物坚牢、耐磨、硬挺、平整，但弹性较小，光泽一般；斜纹编织纤维布具有与纤维束排布方向有一定夹角的斜向纹路；缎纹织物是经线（或纬线）浮线较长，交织点较少，它们虽形成斜线，但不连续，相互间隔距离有规律而均匀。

▲ 图3 不同织物经纬向纤维交织规律

为了从根本上克服传统碳纤维层合板层间剪切强度低而且易分层的缺点，近十几年来发展了碳纤维三维织物，它是由碳纤维布平面方向均匀铺设叠层增强，垂直方向由碳纤维连续纤维，通过特殊编织工艺，整体贯穿成一体，所构成的三维立体织物，结构示意图如图4所示。

▲ 图4 三维碳纤维编织物结构示意图

3

短切碳纤维

短切碳纤维顾名思义是由连续长纤维经机械短切制备的一种非连续碳纤维，其基本性能主要取决于连续碳纤维性能，长度通常是以mm为单位。

短切碳纤维较连续长纤维而言，最主要应用优势在于可以在基体内均匀分散、添加方式多样化，而且工艺极其简单。目前比较常用成型工艺为注塑成型。

　 

▲ 图5 短切碳纤维

影响短切碳纤维应用的关键是纤维均匀分散问题，因为碳纤维经过上浆处理后产生集束，短切后纤维单丝间仍然存在一定抱合力，为提高短切碳纤维分散性可以采用超声处理，溶液为水溶液，但效果最好为丙酮溶液，因为丙酮可以将纤维表面浆料清除。

4

碳纤维预浸料

碳纤维预浸料是由增强体，如碳纤维纱、树脂基体、离型纸等材料，经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺加工而成的复合材料，又名碳纤维预浸布，其主要性能特点强度高、密度小、可塑性好、成型容易、便于加工。

碳纤维预浸料主要有两种生产方式：一种为直接将树脂加热，以降低其黏度，便于均匀散布于纤维之间，称为热熔法。另一种为将树脂溶于溶剂中来降低黏度，待树脂含浸纤维后再加热使溶剂挥发，称为溶液浸渍法。

目前碳纤维预浸料常用的热熔法又可以分为一步法（图6）和两步法（图7）。在两步法中第一步需要先制备树脂膜，然后进行预浸处理，目前国内碳纤维预浸料约90%工艺采用热熔两步法。，

▲ 图6 碳纤维预浸料热熔一步法成型工艺

▲ 图7 碳纤维预浸料热熔两步法成型工艺

碳纤维预浸料的幅宽是按照加工设备尺寸而定，目前国内碳纤维预浸料主要尺寸规格包括300mm、600mm、800mm、1000mm等，图8为以宁波材料所国产M55J级碳纤维为原料加工生产的300mm、600mm幅宽预浸料。

▲ 图8 宁波材料所国产M55J级高强高模碳纤维预浸料

经国内专业机构评测，宁波材料所国产M55J高强高模碳纤维预浸料的表观质量可达到T300\T700碳纤维预浸料级别，而且国产M55J碳纤维复合材料主要力学性能已与日本东丽M55J碳纤维复合材料相当。

尾注：

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