了解碳纤维成本组成及其复合材料性能影响因素

1 碳纤维生产成本组成

碳纤维生产成本组成如图1所示,主要包括原丝生产成本、装备与设施折旧、劳动力、能耗等,其中近一半成本来自于原丝生产,而接近三成成本在于装备与设施折旧费用。除了上述成本以外,其实影响碳纤维价格还有其他多种因素,如环境安全、质量安全、产品质量稳定性等。

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▲ 图 碳纤维生产成本组成

目前工业级碳纤维价格一般为10-25美元/kg,以用于汽车工业的50k大丝束碳纤维落地价为例(图2),不同国家生产成本不同,主要原材料和设备成本基本不变,能源、劳动力和其他成本成为影响产品价格差异的关键因素,总体而言,目前汽车行业用工业级碳纤维成本从大约15-17美元/公斤。

2 碳纤维复合材料性能

PAN基碳纤维按照力学性能可以分为标准模量碳纤维(T300、T700等)、高强中模碳纤维(T800、T1000等)、高模碳纤维(M35J、M40J等)和超高模量碳纤维(M55J、M60J等),其中超高模量碳纤维是指拉伸强度高于500GPa的碳纤维。

碳纤维类型不同,其增强复合材料力学性能也不同,碳纤维/环氧树脂单向复合材料主体性能与金属对比如下表所示。无论何种类型碳纤维,对环氧树脂基体进行增强后,复合材料的拉伸强度性能均具有一定的优势。

金属钢拉伸模量达到210GPa,而超高模量碳纤维由于模量高,因此增强复合材料的拉伸模量要显著高于金属钢,因此超高模量碳纤维复合材料刚度优势明显。此外,碳纤维复合材料另一明显优势在于材料体密度小,具有轻质高强特点。

3 碳纤维复合材料性能影响因素

由于碳纤维复合材料为各向异性材料,因此其力学性能除了取决于方向之外,还有其他多种影响因素:

◆ 碳纤维和树脂的类型

◆ 碳纤维与树脂的比例(纤维含量,纤维体积等)

◆ 碳纤维形式 – 单向,织物,编织,短切纤维

◆ 碳纤维取向 – 纤维铺层设计

◆ 质量 – 纤维分布均匀,空隙等

虽然碳纤维复合材料性能影响因素较多,但是碳纤维复合材料较之金属材料却有着无法比拟的优势,因为使用碳纤维和树脂基体可以针对应用特性来进行专业化定制设计,如可以依据目标产品的强度、刚度,或者热膨胀系数等性能,通过碳纤维类型、纤维含量、纤维取向等设计,改变材料结构并获得理想性能,而金属材料可以改变的只有金属的等级、厚度或形状。

免责声明:本文转载自@碳纤维及其复合材料技术    ,不代表CompositesPlus的观点和立场。

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