【技术干货】碳纤维增强复合材料的优势和成本因素分析
摘 要
纤维增强复合材料已经有超过50多年的应用史，但是直到最近它们才在消费类应用中变得普遍，尤其是碳纤维增强塑料（CFRP），现已广泛用于超级跑车和高性能运动器材以及国防应用中。
除了美学价值外，碳纤维复合材料还可用于制造重量更轻的零件和坚固的结构，并获得卓越的性能。本文简要分析了碳纤维增强塑料的优势以及成本相对较高的原因。
CFRP通常是以碳纤维为增强体，热固性树脂（以环氧树脂居多）为基体制备的复合材料，纤维比树脂基体具有更优异力学性能。
编织碳纤维增强板材的比强度和模量与金属铝、木材（橡木）、钢和塑料（高密度聚乙烯）对比如图1所示，碳纤维板材的强度几乎是铝的四倍、比硬木和钢更是高出近一个数量级。
图1 编织碳纤维增强层压板的比模量和强度与6000系列铝、橡木、低碳钢和高密度聚乙烯对比
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材料特性对比研究
在一些必须要轻量化的应用领域，可使用碳纤维代替铝。另外，由于碳纤维比铝具有更高的模量或刚度，因此零件通常可以用更少的材料制成。因此，高性能的自行车车架几乎全部是碳纤维。它的密度较小，并且框架可以做得更薄。最终的性能提升两倍。而且，可以针对框架的各个部件来定制刚度。最后，碳纤维为大多数应用增加了美学价值，在表面上展现出独特的编织图案。
橡木单位重量的强度仅是碳纤维的10％，但木材成本低，因此多用于需要考虑成本的领域。实际上，木材与天然纤维复合材料非常相似，并且与复合材料一样，其显示的特性在不同方向上也有所不同。木材是可再生的且可生物降解。但是，CFRPs比木材更耐用，并且对水分的耐受性和中等的热循环性能都很高。
钢材作为原材料便宜很多，易于制造、连接、维修和循环利用，并且可以进行合金化和热处理以产生广泛的材料性能。但是，低碳钢的密度大约是碳纤维的五倍，比强度只有8％。因此，两种材料的应用很少重叠。
顾名思义，“碳纤维增强塑料”是指聚合物基复合材料，其中纤维承担大部分载荷。如图1所示，CFRP的比模量比高密度聚乙烯高60倍以上，比强度几乎高20倍。大多数CFRP由热熔胶或固化时发生不可逆化学变化的聚合物制成。HDPE是一种热塑性塑料，在高温下会熔化，但在冷却后会恢复其原始状态。热塑性塑料的制造便宜得多，特别是大批量生产时更容易加工和回收。但是，热塑性塑料的机械性能通常不如环氧树脂和其他热固性塑料。
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可行性与成本分析
制造CFRP零件会面临着一些挑战。由于碳纤维单丝直径约为人发直径的十分之一，通常碳纤维束是由成千上万根单丝捆在一起形成丝束，然后将其编织，展开成带状或简单地缠绕成线轴。
航空级碳纤维在应用时，将树脂施加到丝束织物（或胶带）上制成预浸料。但是，许多应用是从干碳纤维开始的，并且必须通过称为湿法铺网的过程或类似的液体成型技术来手动施加树脂。图2显示真空袋工艺，真空袋用于去除残留的空气，并在固化过程中实现碳纤维层的压实和树脂固化，可通过去除空气和挥发物来减少最终零件的孔隙率。
图2 普通真空袋的横截面
对于一些特殊领域的工业应用，复合部件也可以在高压釜中进行固化，这些主要用于要求最高性能的航空航天工业，但由于高昂的资本和运营成本，通常很少在其他工业领域使用，飞机机身采用真空袋压工艺（图3）。
由于必须手动放置和装袋层，因此复杂的零件需要耗费大量劳动力，此外，由于厚度超过两英寸的零件很难固化，从而限制了CFRP在某些领域应用。最后，后期加工也变得很困难，因为基本切削刀具磨损很快，必须经常更换，否则各层之间可能会分层，从而损害了零件的结构完整性。
对于平板而言，原材料占了大部分成本。图4显示了使用真空袋压制造的0.1平方米和2.5平方米CFRP板的成本明细。对于一块2.5平方米的面板，单单是原材料一项的成本就超过95％。按照理论模型计算，一块0.1平方米CFRP面板的成本超过150美元，而相比之下6英寸x 24英寸（0.09平方米）的铝制6061面板成本约为30美元。
图4 在基准条件下生产航空级碳纤维零件的成本组成明细
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结束语
近年来，碳纤维在越来越多的领域中实现了应用并广受欢迎，其原因在于在这些应用中，由于部件更轻、强度更高超过了额外的加工成本。因此，CFRP零件与比钢、铝、木材和高性能塑料相比，具有明显的高比强度和高模量。然而，由于所需的原材料和劳动力成本很高，它们仍然很昂贵。
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