关于碳纤维你可能不知道的五件事

1. 并非所有碳纤维都是平等的

大多数碳纤维部件从干布开始，与液体树脂结合。树脂固化形成固体聚合物，使布保持其形状并成为刚性碳纤维部件。关于碳纤维，首先要知道的是，并非所有碳纤维都是平等的。这种说法不是指不同的织物编织类型或纤维数量，如 3k、6k 或 12k，而是纤维等级和布料本身的质量。碳纤维通常以编织布卷的形式出售。有许多不同的布编织图案可供选择，以适应不同的应用。布本身由称为“丝束”的纤维束组成，这些纤维束被编织或缝合在一起。每个纤维束中都有比人类头发还小的单个碳纤维长丝。这些细丝根据其等级进行分类。等级是决定碳纤维零件强度和刚度的重要组成部分。东丽和Hexcel等碳纤维制造商提供一系列具有不同强度和刚度的不同纤维等级。在频谱的低端是“商业级”碳纤维，这是相当普遍的。它通常是成本最低的，但与高级碳纤维相比，它的强度和刚度也较低。在为飞机、火箭或卫星等航空航天应用制造零件时，通常使用更坚固、更硬的更高级碳纤维。在下表中，经常用于航空航天应用的几种光纤以绿色突出显示。每个纤维制造商都有自己的碳纤维命名法，因此在选择布料时要密切注意。布料的质量也很重要。质量是衡量布料缺陷数量的指标。缺陷可以是任何东西，从断裂或磨损的股线到编织缺陷，如编织图案中的间隙或跳跃。较高等级的布料限制了缺陷的数量，而较低等级或二级的布料则允许更多的缺陷。由于并非所有碳纤维都是一样的，因此了解纤维的等级和布料的质量至关重要，尤其是在结构应用中。了解纤维等级和布料质量令人兴奋，因为它可以更好地优化零件。例如，可以在不增加重量的情况下使零件更坚固、更硬。

2. 树脂与纤维一样重要

如前所述，碳纤维最初是干布，只有以复合材料的形式与树脂结合才能成为刚性部件。复合材料的树脂成分的专有术语实际上是“基体材料”或只是“基体”，但在本文中，它将被称为树脂。一个简化的类比是将碳纤维复合材料与混凝土和钢筋进行比较。纤维承受类似于钢筋的拉伸载荷，树脂允许布保持其形状并承受类似于混凝土的压缩载荷。桥梁或建筑物不会仅由混凝土或钢筋建造。两者都需要达到结构所需的全部强度。在碳纤维部件的情况下，情况也是如此。没有树脂，就无法制造刚性碳纤维部件。从这个意义上说，树脂是任何碳纤维部件中真正的无名英雄，选择合适的树脂与选择合适的碳纤维一样重要。

重要的是不要只关注碳纤维，然后忘记将使用哪种树脂类型。说明树脂选择重要性的一个例子来自DarkAero 1的开发历史。耐高温能力是飞机中使用的树脂系统的性能要求之一，并进行了测试以验证候选材料。测试了一种树脂，声称可以保持高达300F的强度，但是当它在高温下进行测试时，它会软化并允许零件在低至200F的温度下弯曲。碳纤维在发挥作用，但树脂没有。该测试表明，当选择错误的树脂时，碳纤维部件可能会失效。重要的一点是要像关注碳纤维等级和织物质量一样关注树脂。

3.碳纤维可涂覆，提高附着力

碳纤维制造商在其织物中添加特殊的偶联剂（也称为“整理剂”或“上浆剂”），以帮助树脂粘附在织物上。根据选择的树脂，它可能不希望弄湿碳纤维并与其化学结合。这在原理上类似于油和水不会混合的方式。当碳纤维和树脂结合时，同样的情况是不可取的，因此在纤维上涂上偶联剂以使两种材料一起工作。偶联剂的具体化学性质通常被碳纤维制造商保密。它们会掩盖特定的涂层，而只会披露涂层与之相容的一般化学成分。

4. 过程决定属性

有许多不同的方法来制造碳纤维部件，如湿铺层、灌注、预浸料，甚至 3D 打印。这些方法都将使零件具有不同的纤维与树脂的比例和不同数量的缺陷，这将导致最终零件具有不同的强度和刚度特性。零件固化的温度也会影响最终零件的性能，没有官方的“最佳”方法来制造碳纤维零件。最好的方法实际上取决于零件的设计和制造目标。每种方法都有优点和缺点。例如，湿法叠层成本低且易于操作，但与其他复合材料制造技术相比，它通常会导致零件具有不一致的物理性能，并且通常更重。预浸料碳纤维可以生产高质量、轻质的零件，但这种方法通常需要更昂贵的工具，如储存冷冻机和高压灭菌器。可供选择的树脂和编织组合也更少。预浸料树脂还具有保质期，这意味着预浸料可能会过期，如果在保质期内。要记住的重要一点是，选择将碳纤维和树脂结合在一起的过程将部分决定最终零件的性能。

5. 物理测试至关重要

碳纤维不像金属。金属通常是各向同性的，这意味着它们在所有方向上都具有相同的性质，这简化了设计和分析。此外，对于普通金属合金，测量的机械性能已经确立。复合材料的标准化程度有限，复合材料中的材料和工艺变量范围很广，因此情况并非如此。这意味着需要进行测试以验证复合材料部件是否满足其所需要求。在航空航天领域，对复合材料进行测试的最佳方法之一是遵循“构建块方法”。此方法首先测试通用试样和元素，以创建材料属性数据库。这些数据用于驱动较大组件的设计和测试，然后是子组件，最后是完整结构。每个测试物品必须代表最终结构中使用的材料和工艺。有一种误解，认为碳纤维部件仅通过仿真就可以验证。有限元分析（FEA）等分析工具可以帮助指导复合材料零件设计，但它们依赖于必须准确的材料属性输入才能获得可靠的结果。获得这些输入变量的准确数字的最佳方法是对具有代表性的复合测试样本进行物理测试。如果没有准确的输入，分析结果的效用将有限。必须在设计中添加较大的安全裕度，以考虑材料特性的未精制量化。这增加了重量，最终击败了最初选择复合材料的主要原因之一。因此，确实没有办法完全消除优化复合材料结构设计过程中的物理测试。所有这些测试所涉及的工作量可能看起来过多，但如果一开始没有执行测试，设计仍将在使用中进行测试，这是确定它是否会失败的糟糕时机。