解读:碳纤维复合材料(CFRP)的优劣势

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CFRP复合材料是一种轻便,坚固的材料,广泛应用于生产制造我们日常生活中使用的多种产品。碳纤维增强复合材料,简称碳纤维复合材料,是指使用碳纤维作为主要结构成分的一种纤维增强复合材料。应当指出的是,在CFRP复合材料中的“P”不仅可以代表“聚合物”,亦可表示“塑料”。

在一般情况下,CFRP复合材料中常常使用热固性树脂,如环氧树脂,聚酯,或乙烯酯。尽管热塑性树脂也应用于CFRP复合材料,但是,“碳纤维增强热塑性复合材料”通常被命名为CFRTP复合材料,代表英文名称Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composites的首字母缩写。

当我们与复合材料打交道时,了解一种材料专用的术语和缩写是很重要的。然而更重要的是,必须理解FRP复合材料以及其各种增强材料,比如碳纤维的性能。

碳纤维复合材料的性能

碳纤维增强复合材料,不同于其他使用传统纤维,如玻璃纤维或芳香族聚酰胺纤维等的FRP复合材料,CFRP复合材料的优良性能包括:

重量轻——传统玻璃纤维增强复合材料采用连续的玻璃纤维,其含量为70%(重量玻璃/总重量),每立方英寸的密度通常为0.065磅。

强度高——CFRP复合材料尽管重量轻,然而相比于玻璃纤维复合材料,每单位重量的CFRP复合材料却具有更高的强度和更大的硬度。而与金属材料相比时,这一优势则更加突出。例如,经验告诉我们,CFRP材料相比于钢材,在等强度条件下,其重量只有钢的1/5。可以想像为什么所有汽车制造企业都在研究使用碳纤维来代替钢材,从而提高其产品性能。

当CFRP复合材料与铝,质量最轻的金属之一,相比较时,根据基本假设,等强度的铝材,其重量约为碳纤维体的1.5倍。

当然实验中也存在许多其他变量,可能会影响对比结果,比如,材料的档次和质量不同,复合过程,生产过程,纤维结构及品质也需要被考虑在内。

碳纤维复合材料的缺点

成本高——尽管CFRP复合材料性能优异,为什么碳纤维没有广泛地应用于产品生产呢?目前,CFRP复合材料生产成本过高。根据当前的市场情况(供给和需求),碳纤维的种类(航天VS商品级),纤维束的大小不同,纤维的价格也判若云泥。

每磅碳纤维原材料的价格,可达5-25倍玻璃纤维价格不等。而相比于钢材,CFRP材料的高成本性就更加突出了。

导电性——这既可以作为碳纤维复合材料的优势,也可能成为实际应用中的一个缺陷。碳纤维导电性极强,而玻璃纤维是绝缘的。许多产品使用玻璃纤维,而不能用碳纤维或金属替代,是因为其要求具备严格的绝缘性。

在公用设施生产中,许多产品都需要使用玻璃纤维。例如,梯子的生产使用玻璃纤维作为梯架,原因在于:当玻璃纤维梯子与电力线接触时,触电的可能性会降低许多。而碳纤维梯子导电性极强,后果则不可想象。

尽管碳纤维复合材料的成本居高不下,然而伴随着科技进步,更多高效益产品的涌现指日可待。或许有生之年,我们将有望见证高性能碳纤维产品在消费市场,工业生产和汽车制造中的大范围应用。

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