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深究起來，碳纖復(fù)合材雖然的確性能優(yōu)異,，但同樣存在短板，并不是能完全替代原有材料,。
糟糕的抗沖擊性能
碳纖復(fù)合材料的抗拉強度很好,，比之鋼鐵、鈦合金,、鋁合金都要高出一截,。但它的層間剪切性能非常糟糕，因為碳纖復(fù)合材料的層與層之間的結(jié)合力非常弱,。下圖是碳纖復(fù)合材料層剪強度與合金的剪切性能對比（使用的常見品種的中位值）
層間性能差帶來的后果是遭受沖擊載荷之后,，層間容易出現(xiàn)破壞，進而向?qū)觾?nèi)擴散,，讓碳纖復(fù)合材料的性能大打折扣,。所以，碳纖復(fù)合材料耐拉性能優(yōu)于合金,，耐沖擊性就差些意思了,。而且危害碳纖復(fù)合材料并不需要高速沖擊，而是遍布制造,、搬運,、使用、維修過程中的低速沖擊,。
低速沖擊破壞的隱藏性也對檢測技術(shù)是一個挑戰(zhàn),，因為它往往是肉眼難以觀測到的。即使是碳纖復(fù)合材料表面沒有痕跡，內(nèi)部也很有可能產(chǎn)生了大量的裂痕并在層間擴散,。
即使內(nèi)部微小的裂痕,，也會導(dǎo)致碳纖復(fù)合材的承載能力大幅削減，對于構(gòu)件的失效造成威脅,。生活中也有這樣的例子,，我們拿出一張普通的A4紙，拿著它的兩端使勁拉,。如果要把它拉斷的話,，還是要費點勁的。不過,，如果你在紙上撕一個非常小的口子,，再拉的話就非常輕松了。
因此,，提高樹脂基復(fù)合材料的抗沖擊性能和檢測技術(shù)是復(fù)合材料中的熱門課題,，并已經(jīng)一定程度上得到了解決。
耐高溫性能
碳纖維本身耐高溫性能較好,，可耐數(shù)千度,，不過架不住它有一個“豬隊友”——樹脂。環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料通常使用在130度以下,，而更耐高溫的雙馬來酰胺樹脂復(fù)合材料通常使用溫度在150-230度之間,。所以，飛機上的耐高溫結(jié)構(gòu)件這塊地盤,，樹脂基復(fù)合材短期內(nèi)是奪不走了,。
對了，即使是耐高溫的碳纖維在大氣環(huán)境下也只能耐300-400度,，之后就會氧化,。
耐濕熱性能差
樹脂基復(fù)合材料的耐腐蝕性能非常優(yōu)異，替代鋼材可以減少很多防腐蝕工作,。不過,，樹脂基復(fù)合材料卻容易受濕熱環(huán)境影響而導(dǎo)致力學(xué)性能下降，這種情況稱之為濕熱老化,。
這又是為什么呢,？問題還是出在樹脂基體上。樹脂具有一定的極性,，在濕熱的環(huán)境中容易吸入水分,。一來水分對基體有塑化和溶脹作用；二來不同水分的樹脂基體的熱膨脹系數(shù)不一樣,，容易與纖維的熱膨脹系數(shù)不匹配,，如此產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,，導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)裂；第三,，濕熱環(huán)境同樣會通過水解反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)等方式使界面產(chǎn)生滲透壓,，造成界面性能的弱化,；而化學(xué)降解也會造成基體和纖維性能的下降,。
所以，對于樹脂基復(fù)合材料的耐濕熱老化,，同樣也是一個熱門研究方向,。
相比于汽車，航空業(yè)對輕量化更積極一些,。因為輕量化帶給后者的經(jīng)濟效益更直觀,。因為兩者的油耗不在一個級別上。乘用車的百公里油耗在個位數(shù)升,，即使降低20%也省不了幾塊錢（輕量化投入?yún)s是實實在在的）,。而一架747的油耗是百公里每乘客3.1L，按滿員的416個座位,，747每跑100公里油耗1300L,。如果采用輕量化降低油耗20%，就又可以多坐80多位乘客,。而且,，油耗也對發(fā)動機壽命也有很大的影響，那更是一個寶貝疙瘩,。正因如此,，碳纖維復(fù)合材料成為了飛機制造商的“寵兒”。
但正如前面所講述的那樣,，碳纖維復(fù)合材料相比鈦合金,、鋁鋰合金、鋁合金,、高強鋼其他輕量化材料有自己的優(yōu)勢,，但同樣有劣勢或者不足，反之亦然,。采用更多的復(fù)合材料,，的確可以達到更好的輕量化效果，但同時也要承擔(dān)相應(yīng)的成本和為此帶來的風(fēng)險控制,。為了經(jīng)濟效益,，飛機制造商也會在材料選擇上謹(jǐn)慎對待。所以,，大可不必將材料的應(yīng)用比例將飛機的技術(shù)水平對等起來,。
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樓主: 老鷹
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發(fā)表于 2015-11-4 16:35:36
