高速钻削碳纤维复合材料钻削力的研究_张厚江
高速钻削碳纤维复合材料钻削力的研究＊
ＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＣｕｔｔｉｎｇＦｏｒｃｅｆｏｒＨｉｇｈＳｐｅｅｄＤｒｉｌｌｉｎｇＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅ
张厚江
北京航空航天大学机械工程与自动化学院樊锐陈五一陈鼎昌
［摘要］对能有效提高碳纤维复合材料钻孔质量的高速钻削的钻削力进行了试验研究，发现钻头转速、进给速度、进给量和钻头直径的变化对钻削力（轴向力和扭矩）有明显的影响。切削速度、进给速度之比ｖ／ｖｆ＝３０００～４０００是其对钻削力产生影响的门槛值，这一门槛值对生产中选定钻削切削速度和进给速度具有实际参考价值。
关键词：高速钻削碳纤维复合材料轴向力扭矩
［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］Ｓｏｍｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇｗｈｉｃｈｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅ．Ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄｏｆｄｒｉｌｌ，ｆｅｅｄｓｐｅｅｄ，ｆｅｅｄａｍｏｕｎｔａｎｄｄｒｉｌｌｄｉａｍｅｔｅｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇｆｏｒｃｅ（ａｘｉａｌｆｏｒｃｅａｎｄｔｏｒｑｕｅ）．Ｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄｔｏｆｅｅｄｓｐｅｅｄｖ／ｖｆ＝３０００～４０００ｉｓａｔｈｒｅｓｈｏｌｄｖａｌｕｅ．Ｔｈｉｓｔｈｒｅｓｈｏｌｄｖａｌｕｅｈａｓａｃｔｕａｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｓｅｌｅｃｔｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄｆｅｅｄｓｐｅｅｄｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＨｉｇｈｓｐｅｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇＣａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅＡｘｉａｌｆｏｒｃｅＴｏｒｑｕｅ
钻削加工是碳纤维复合材料最主要的切削加工形式之一，约占总切削加工量的一半以上。钻削力是钻削加工过程中最重要的参数之一，钻削力的大小直接影响着钻孔质量［１～４］，也是造成孔壁周围材料分层、孔出口撕裂的最主要原因［５～６］。
以往对钻削力的研究主要集中在一般钻削参数下钻削加工的钻削力［１～２］，而对能够有效提高钻孔质量的高速钻削［４］则还没有人做过详细的试验研究。本课题以高速钻削为研究对象，利用自己研制的复合材料高速钻削试验台进行钻削力的测定、分析等工作。
１钻削力测定试验方法
钻削力测定试验在卧式高速钻削试验台［７］上进行。钻头转速范围为３０００～２４０００ｒ／ｍｉｎ，取６个转速值进行试验；进给速度为２４～１２０．８ｍｍ／ｍｉｎ，取５个进给速度值进行试验；钻头采用硬质合金四面钻，直径取!４．８、!５．５、!６．０ｍｍ３个级别。试验钻削参数见表１。
测定试验中作为工件材料的碳纤维复合材料为多向铺层形式，见表２。
钻削力测定系统包括精密钻削测力仪、电阻应变仪、Ａ／Ｄ卡和计算机等。精密钻削测力仪将钻削力转变为电信号，电信号经电阻应变仪放大后，计算机通过Ａ／Ｄ卡将其采集、存储。微机内装有自己专门开发的切削力处理软件，可对采集到的切削力信号进行时域和频域多项分析。
２测定试验结果及讨论
在一个孔的钻削过程中，钻削力变化有如下规律性：钻头开始钻入后，轴向力和扭矩均由零逐渐增大，
北京林业大学工学院
＊航空基金项目（９５Ｇ５１０８９）；教育部２００３年度留学回国人员科研启动基金项目资助。
表１试验钻削参数及条件
钻头转速ｎ／（ｒ?ｍｉｎ－１）
３０００，６０００，９０００，１２０００，
１８０００，２４０００
进给速度ｖｆ／（ｍｍ?ｍｉｎ－１）２４，４４，６６，９１．２，１２０．８
钻头
材料：ＹＧ６Ｘ整体硬质合金
几何形式：四面钻尖
直径Ｄ／ｍｍ：!４．８，!５．５，!６．０切削液无（干钻）
表２试验用碳纤维复合材料
增强材料Ｔ３００碳纤维，直径７μｍ
基体材料环氧树脂
铺层形式
［＋４５°／０°／－４５°／＋４５°／０°／９０°／
－４５°／０°／９０°／０°］ｓ
纤维体积含量ｗ／％６０
厚度δ／ｍｍ２．５
其中轴向力增大的幅度快一些；当钻头主切削刃全部参加切削时，轴向力和扭矩达到最大值，在钻头未钻出前一直保持这一稳定状态，随着钻头开始钻出复合材料，轴向力和扭矩均开始下降，直到钻头完全钻出后变成零，其中扭矩的下降速度比轴向力的要滞后些。试验观察发现，这一规律在各种切削速度和进给速度下都是一样的。本文讨论的钻削力（轴向力和扭矩）指的是稳定钻削状态（即钻头横刃和主切削刃均参加切削）时钻
削力的平均值。
２．１钻头（主轴）转速、进给速度与钻削力的关系图１为钻头转速ｎ、进给速度ｖｆ与轴向力Ｆｚ之间
的关系曲线。由图可见，钻头转速越高，轴向力越小，在任何进给速度下都有这样的趋势；进给速度越大，轴向力越大。
图２为钻头转速ｎ、
进给速度ｖｆ与扭矩Ｍ之间的关系曲线。钻头转速和进给速度对扭矩的影响与对轴向力的影响有同样的趋势，只是在同一转速下进给速
度的影响程度小一些。
２．２进给量、切削速度与钻削力的关系
图３为进给量ｆ、切削速度ｖ与轴向力Ｆｚ之间的
关系曲线。其中，（ａ）为试验数据点线图，（ｂ）为试验数据双对数坐标图。（ｂ）中的直线为根据试验数据回归出来的回归曲线。由图３可以明显看到：
（１）在５１．８～４３２ｍ／ｍｉｎ宽的切削速度范围内，进给量与轴向力间的关系试验数据点集中在一条曲线附近，呈现了良好的一致性，这说明切削速度对轴向力的影响小到可以忽略的程度。
形成钻削力的主要因素是切削变形和摩擦。碳纤维复合材料属于脆性材料，脆性材料的切削变形在任何切削速度下均较小，而由于钻削温度较低，钻头与碳纤维复合材料间的摩擦基本不受切削速度的影响，摩
擦性质均为磨料磨损，钻削速度对钻削力几乎没有影响。
这个结论是在高速钻削碳纤维复合材料情况下得到的，而参考文献［１］中叙述了在普通切削速度下也有同样的现象。
图１钻头转速、进给速度与轴向力间的关系
Ｆｉｇ．１
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄ
ｏｆｄｒｉｌｌ，ｆｅｅｄｓｐｅｅｄａｎｄａｘｉａｌｆｏｒｃｅ
７０６０
５０４０３０２０１００
５
１０
１５
２０２５
ｖｆ＝２４ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝４４ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝６６ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝９１．２ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝１２０．８ｍｍ／ｍｉｎ
钻头转速ｎ／（１０３ｒ?ｍｉｎ－１）
轴向力Ｆｚ／Ｎ
图２钻头转速、进给速度与扭矩间的关系
Ｆｉｇ．２
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄ
ｏｆｔｈｅｄｒｉｌｌ，ｆｅｅｄｓｐｅｅｄａｎｄｔｏｒｑｕｅ
９．０
７．５６．０４．５３．０１．５０
５
１０
１５
２０
２５ｖｆ＝２４ｍｍ／ｍｉｎ
ｖｆ＝４４ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝６６ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝９１．２ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝１２０．８ｍｍ／ｍｉｎ
钻头转速ｎ／（１０３
ｒ?ｍｉｎ－１
）
扭矩Ｍ／（Ｎ?ｃｍ）
图３进给量、切削速度与轴向力间的关系
Ｆｉｇ．３
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｆｅｅｄａｍｏｕｎｔ，ｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄａｘｉａｌｆｏｒｃｅ
ｖ＝５１．８ｍ／ｍｉｎｖ＝１０３．６ｍ／ｍｉｎｖ＝１５５．４ｍ／ｍｉｎｖ＝２０７．４ｍ／ｍｉｎｖ＝３１０．９ｍ／ｍｉｎｖ＝４３２ｍ／ｍｉｎ
回归曲线
轴向力Ｆｚ／Ｎ
２３４５６７８９１０
２０３０４０
进给量ｆ／（μｍ?ｒ－１）ｖ＝５１．８ｍ／ｍｉｎ
ｖ＝１０３．６ｍ／ｍｉｎｖ＝１５５．４ｍ／ｍｉｎｖ＝２０７．４ｍ／ｍｉｎｖ＝３１０．９ｍ／ｍｉｎｖ＝４３２ｍ／ｍｉｎ
７０６０
５０４０３０２０１００
轴向力Ｆｚ／Ｎ
５
１０
１５２０２５３０３５４０
进给量ｆ／（μｍ?ｒ－１）（ａ）点线图
（ｂ）双对数坐标图
１０
２０７０６０５０４０３０
（２）进给量对轴向力的影响呈上凸曲线，进给量很小时，随进给量增大，轴向力增加很快；当进给量增大到一定程度（７～８μｍ／ｒ）后，随着进给量增大，轴向力的增加变得较平缓。人们注意到分界点进给量的大小与钻头切削刃刃口圆弧半径有关。硬质合金刀具刃口圆弧半径一般为ｒβ＝１０～１５μｍ，而刀具临界切削厚度ａｃｌ＝
（０．２５～０．３）ｒβ
［８］
，顶角约１２０°的钻头的临界进给量为ｆｌ＝
４３
!ａｃｌ
＝５．８～１０．４μｍ，这个数值基本相当于分界点进给量的值。
（３）由图３（ｂ）可以看到，对任何钻削速度，在试验所采用的进给量范围内，试验数据点近似集中在一条直线附近。忽略切削速度的影响，经双对数线性回归，根据进给量与轴向力间的关系可获得如下经验公式：
Ｆｚ＝１３．２ｆ０．４６，
式中，Ｆｚ的单位为Ｎ，ｆ的单位为μｍ／ｒ。
图４为进给量ｆ、切削速度ｖ与扭矩Ｍ之间的试验数据双对数坐标图。图中试验数据均分布在一条直线附近。图中直线为回归曲线，在忽略切削速度影响的条件下，根据进给量与扭矩间的关系可获得如下经验
公式：
Ｍ＝１．５５ｆ０．４５
，
式中，Ｍ的单位为Ｎ?ｃｍ，ｆ的单位为μｍ／ｒ。
２．３切削速度、进给速度之比与钻削力的关系切削速度的含义是单位时间钻头切削刃最外点通
过的距离，进给速度的含义是单位时间钻头轴向前进的距离，所以切削速度与进给速度之比ｖ／ｖｆ的含义是每钻削单位深度时钻头切削刃最外点通过的距离。
图５为切削速度、进给速度之比与轴向力和进给
速度关系图。其中，图５（ａ）为散点图，图５（ｂ）为双对数坐标图。由图５（ａ）可见，在不同进给速度下，反映两者关系的数据点几乎集中在一条曲线附近。随着ｖ／ｖｆ增大，轴向力减小；但在ｖ／ｖｆ≤３０００～４０００时，随ｖ／ｖｆ增大，轴向力减小很快；而在ｖ／ｖｆ≥３０００～４０００时，轴向力已降低到最大轴向力的１／３以下，随着ｖ／ｖｆ增大，轴向力减小幅度变慢，并且ｖ／ｖｆ值越大，轴向力减小幅度越慢。
由图５（ｂ）可以看到，试验数据在双对数坐标图中近似集中在一条直线附近，经回归计算总结出钻削多向ＣＦＲＰ的轴向力与切削速度、进给速度之比ｖ／ｖｆ间的关系为
Ｆｚ＝１１２２ｖ
ｖ
ｆ
$%
－０．４６
（Ｎ）。
图６为切削速度、进给速度之比ｖ／ｖｆ与扭矩Ｍ和进给速度的关系图。从这个图中也能看到与图５（ａ）相类似的变化规律，即试验数据均集中在一条曲线附近。经回归计算，归纳出钻削多向ＣＦＲＰ时的扭矩与ｖ／ｖｆ间的关系为
图４进给量、切削速度与扭矩间的关系
Ｆｉｇ．４Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｆｅｅｄａｍｏｕｎｔ，ｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄｔｏｒｑｕｅ
扭矩Ｍ／（Ｎ?ｃｍ）
进给量ｆ／（μｍ?ｒ－１）
ｖ＝５１．８ｍ／ｍｉｎｖ＝１０３．６ｍ／ｍｉｎｖ＝１５５．４ｍ／ｍｉｎｖ＝２０７．４ｍ／ｍｉｎｖ＝３１０．９ｍ／ｍｉｎｖ＝４３２ｍ／ｍｉｎ
回归曲线
９
８７６５４３２０
２３４５６７８９１０
２０３０４０
图５
ｖ／ｖｆ与轴向力、
进给速度间的关系Ｆｉｇ．５Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｖ／ｖｆ，ｆｅｅｄｓｐｅｅｄａｎｄａｘｉａｌｆｏｒｃｅ
ｖｆ＝２４ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝４４ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝６６ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝９１．２ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝１２０．８ｍｍ／ｍｉｎ
７０６０
５０４０３０２０１００
轴向力Ｆｚ／Ｎ
４．０
８．０
１２
１６２０
切削速度、进给速度之比（ｖ／ｖｆ）×１０３
（ａ）散点图
ｖｆ＝２４ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝４４ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝６６ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝９１．２ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝１２０．８ｍｍ／ｍｉｎ
回归曲线
４０３０轴向力Ｆｚ／Ｎ
７０６０５０２０
０
１０３
１０４
切削速度、进给速度之比（ｖ／ｖｆ）
（ｂ）双对数坐标图
Ｍ＝１１２．２
ｖ
ｖｆ
!"
－０．４４
（Ｎ?ｃｍ）。
不妨将ｖ／ｖｆ＝３０００～４０００这个值定名为“门槛值”。只要ｖ／ｖｆ值超过门槛值，则钻削力会很小，且钻削力受ｖ／ｖｆ的影响很小，这一规律对实际生产选取钻削参数具有指导意义。由于造成碳纤维复合材料孔加工缺陷的主要原因是钻削力，特别是轴向力过大，所以为了在保证加工质量的同时尽量提高钻削效率，可以在提高切削速度的同时提高进给速度，以两者比值不小于这一门槛值为限。
２．４钻头直径与钻削力的关系
图７、８分别是钻头直径与轴向力、扭矩和进给速
度间的关系曲线。由图可以看到，在其他条件相同的前提下，钻头直径越大，轴向力和扭矩越大。这是因为随钻头直径增大，钻头切削刃切削面积增大，而切削面积是决定钻削力大小最主要的因素之一，显然，切削面积增大会导致钻削力增高。
３结论
本课题通过对多向ＣＦＲＰ高速钻削试验钻削力的
测定和分析，得到了如下结论：
（１）钻头转速ｎ越高，钻削力越小；进给速度ｖｆ越大，钻削力越大。
（２）切削速度对钻削力几乎没有影响。
进给量对钻削力的影响呈现上凸曲线，进给量很小时，随进给量增大，钻削力增加很快；当进给量增大到一定程度（７～
８μｍ／ｒ）后，钻削力随进给量增大而提高的趋势变得较
为平缓。
（３）随着切削速度、
进给速度之比ｖ／ｖｆ增大，钻削力减小。当ｖ／ｖｆ≤３０００～４０００时，随ｖ／ｖｆ增大，钻削力减小很快；当ｖ／ｖｆ＞３０００～４０００时，钻削力已降低到最大轴向力的１／３；随ｖ／ｖｆ增大，钻削力减小幅度变慢，并且ｖ／ｖｆ值越大，钻削力减小幅度越慢。这一ｖ／ｖｆ门槛值在实际生产中对选定ｖ、ｖｆ具有重要参考价值。
（４）钻头直径越大，钻削力越大。
参
考文献
１胡
凡．复合材料钻削加工的研究：［学位论文］．北京：
北京航空学院，１９８５
２汪裕炳，张全纯．复合材料的结构连接．北京：国防工业出版社，１９９２
３张厚江．碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）钻削加工技术的研究：［学位论文］．北京：北京航空航天大学，１９９８
４
张厚江，陈五一，樊
锐，等．碳纤维复合材料高质量孔
的钻削．航空制造技术，２００４，（３）：５５～５７
（下转第８２页）
图６
ｖ／ｖｆ与扭矩、进给速度间的关系Ｆｉｇ．６Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｖ／ｖｆ，ｆｅｅｄｓｐｅｅｄａｎｄｔｏｒｑｕｅ
ｖｆ＝２４ｍｍ／ｍｉｎ
ｖｆ＝４４ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝６６ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝９１．２ｍｍ／ｍｉｎｖｆ＝１２０．８ｍｍ／ｍｉｎ
９８７６５４３２１０
４
８１２１６
２０
切削速度、进给速度之比（ｖ／ｖｆ）／１０３
扭矩Ｍ／（Ｎ?ｃｍ）
图７进给速度、钻头直径与轴向力间的关系
Ｆｉｇ．７
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｆｅｅｄｓｐｅｅｄ，ｄｒｉｌｌｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄａｘｉａｌｆｏｒｃｅ
轴向力Ｆｚ／Ｎ
"６．０ｍｍ
３０００ｒ／ｍｉｎ"５．５ｍｍ３０００ｒ／ｍｉｎ"４．８ｍｍ３０００ｒ／ｍｉｎ"６．０ｍｍ１８０００ｒ／ｍｉｎ"５．５ｍｍ１８０００ｒ／ｍｉｎ"４．８ｍｍ１８０００ｒ／ｍｉｎ
７０６０
５０４０３０２０１００２０
４０
６０
８０
１００
１２０
进给速度ｖｆ／（ｍｍ?ｍｉｎ－１）
图８进给速度、钻头直径与扭矩间的关系
Ｆｉｇ．８Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｆｅｅｄｓｐｅｅｄ，
ｄｒｉｌｌｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｔｏｒｑｕｅ
扭矩Ｍ／（Ｎ?ｃｍ）
"６．０ｍｍ
３０００ｒ／ｍｉｎ"５．５ｍｍ３０００ｒ／ｍｉｎ"４．８ｍｍ３０００ｒ／ｍｉｎ"６．０ｍｍ１８０００ｒ／ｍｉｎ"５．５ｍｍ１８０００ｒ／ｍｉｎ"４．８ｍｍ１８０００ｒ／ｍｉｎ
９
８７６５４３２１０
２０４０６０８０１００１２０
进给速度ｖｆ／（ｍｍ?ｍｉｎ－１）
由于火焰筒是回转体，采用柱坐标系Ｒ－θ－ｚ对火焰筒的简化模型进行分析，在θ＝０°、θ＝２６°两个平面保持周向位移为零，ｚ＝０平面轴向约束为零，裂纹面法向自由变形。所施加的边界条件能够如实反映火焰筒受力和变形情况。
对于瞬态温度场的升温过程，在文献［５］中已详细介绍。本课题利用有限元分析软件ＡＢＡＱＵＳ对火焰筒进行了热－力耦合分析，通过围道积分计算了图２所示的不同裂纹长度火焰筒的最大应力强度因子，如图５所示。
利用Ｐｅａｒｓｏｎ经验公式，结合图５所示的最大应力强度因子，计算了火焰筒裂纹扩展速率，不同裂纹长度下的裂纹扩展速率如图６所示。
４结束语
由图５可以看出，随着裂纹的不断扩展，火焰筒的
最大应力强度因子Ｋｍａｘ呈下降趋势。其主要原因是，随着裂纹长度的延长，裂尖的温度呈下降趋势。根据
Ｐｅａｒｓｏｎ经验公式得到的ｄａ／ｄＮ也随裂纹的伸长呈下
降趋势。图６表明，裂纹扩展量在２～４ｍｍ时裂纹扩展较快，然后以较慢的速率继续扩展。
需要指出，火焰筒裂纹扩展问题的研究关系到发动机的寿命、费用、可靠性等诸多问题，是一个十分重要的课题。
由于火焰筒的温度场、载荷谱较难测量准确，所以较难得到火焰筒热应力分析的精确结果，目前国内外对此研究甚少。本课题针对具体的火焰筒故障原因进行分析，所得结果与实际使用中观察的较为一致，但进一步分析还有赖于更为合理的瞬态温度场测试和计算。
参
考
文
献
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彬．环形燃烧室火焰筒壁面结构优
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ＰｅａｒｓｏｎＳ．Ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｎｍｅｔａｌｓ．Ｎａｔｕｒｅ，
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（责编
咏智）
（上接第７９页）
５
ＺｈａｎｇＨｏｕｊｉａｎｇ，ＣｈｅｎＷｕｙｉ，ＣｈｅｎＤｉｎｇｃｈａｎｇ，ｅｔａｌ．
Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｅｘｉｔｄｅｆｅｃｔｓｉｎｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｐｌａｔｅｓｃａｕｓｅｄｂｙｄｒｉｌｌｉｎｇ．ＫｅｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００１（１９６）：４３～
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８
胡永生，诸兴华．机械加工新技术．北京：机械工程师进
修大学出版社，１９８９
（责编
咏智）
５０
４５４０３５３０２５２０１５１０
０２４６８１０１２１４１６
最大应力强度因子
Ｋｍａｘ／（ＭＰａ?ｍ－１／２）
裂纹长度／ｍｍ
图５火焰筒气膜挡板不同长度裂纹的最大应力强度因子
Ｆｉｇ．５Ｋｍａｘｆａｃｔｏｒｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒａｃｋ
ｌｅｎｇｔｈｅｓｆｏｒｆｉｌｍｂａｆｆｌｅｏｆｃｏｍｂｕｓｔｏｒｌｉｎｅｒ
０
２４６８１０１２１４１６
裂纹的扩展速率
ｄａｄＮ
／ｍｍ（每个循环）裂纹长度／ｍｍ
０．３００．２５０．２００．１５０．１００．０５
图６
不同裂纹长度的裂纹扩展速率
Ｆｉｇ．６Ｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ
ｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒａｃｋｌｅｎｇｔｈｅｓ
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
《碳纤维复合材料》阅读练习及答案
阅读文章，回答问题。 碳纤维复合材料 ①2018年11月6日，两年一度的珠海航展上，中俄合作研制的280座远程宽体客机CR929，以1：1的展示样机首次亮相国际航展。在这款最新一代的大型飞机上，复合材料的使用比例有望．．超过50%。同样，在去年5月5日首飞的C919大客机上，使用的复合材料占到飞机结构重量的12%。这里的复合材料，主要就是碳纤维复合材料。 ②碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必 不可少的战略基础材料。它不存在腐蚀生锈的问题。由于使用碳纤维材料可以大幅降低结构重量，因而可显著提高燃料效率。采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的卫星、火箭等宇宙飞行器，噪音小，质 量小，动力消耗少，可节约大量燃料。 ③碳纤维还是让大型民用飞机、汽车、高速列车等现代交通工具 实现“轻量化”的完美材料。航空应用中对碳纤维的需求正在不断增多，新一代大型民用客机空客A380和波音787使用了约为50%的碳纤维复合材料。这使飞机机体的结构重量减轻了20%，比同类飞机可节省20%的燃油，从而大幅降低了运行成本、减少二氧化碳排放。碳 纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻、强度大。它的重量仅相当 于钢材的20%到30%，硬度却是钢材的10倍以上。所以汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化取得突破性进展，并带来节省能源的社会效益。 ④随着航空航天、汽车轻量化、风电、轨道交通等行业领域对碳
纤维的需求爆发，碳纤维工业应用开始进入规模化生产。业内预测， 预计到2020年，全球碳纤维需求量将超过16万吨，到2025年，将超过33万吨。面对如此巨大而重要的市场，国内企业既要通过掌握 关键技术来实现碳纤维的稳定批量生产和大规模工程化应用，同时也要瞄准国产新一代碳纤维及其复合材料及早研发和布局，2016年2月15日，中国突破日本管制封锁研制出高性能碳纤维。2018年2月，中国完全自主研发出第一条百吨级T1000碳纤维生产线，这标志着我国已经牢牢站稳全球高端碳纤维市场的一席之地。 101．阅读选文第①段和第③段，回答问题。 （1）选文第①段加点词“有望”能删去？请说出理由。 （2）选文第③段画线句运用了哪些说明方法？有何作用？ 102．随着科学技术的发展，请你设想一下生活中将会有哪些碳纤维 复合材料的产品。 【答案】 101．（1）不能删去，“有望”是有希望的意思，说明“在这款最新 一代的大型飞机上，复合材料的使用比例”未来有希望超过“50%”，该词体现了说明文语言的准确性和科学性。 （2）列数字、作比较，具体准确地说明了碳纤维作为汽车材料，最 大的优点是质量轻、强度大。 102．碳纤维复合材料制成的羽毛球拍、登山器械等体育休闲用品； 汽车、地铁等交通工具；以及碳纤维复合材料制成的衣服、家具等日
碳纤维复合材料芯导线在新建与改造线路应用技术经济分析
碳纤维复合材料芯导线 在新建与改造线路应用技术经济分析[摘要]碳纤维复合材料芯导线的出现为线路增容和减少输电走廊等问题的解决提供了一种途径。本文分析了其优点并调研了其在国内外的科研、应用情况。本文结合我国220kV改造线路和500kV新建线路的典型参数，计算分析了应用碳纤维复合材料芯导线的技术经济性，从结果可见碳纤维复合材料芯导线的应用从技术上讲是可行的，从经济上讲是合理的。 [关键词] 碳纤维复合材料芯导线，500kV新建线路，220kV改造线路，技术经济比较； 1.前言 随着我国经济的快速发展，电力需求不断增长，电力负荷不断增加。在土地资源日益稀缺、用电需求持续增长的情况下，如何使输电走廊尽可能少地占用土地资源，又能提高电网的输电能力，已经成为日益重要、亟待解决的难题，提高新建线路的单位输送容量和实施现有线路的扩容改造是两条有效的途径。 相比于同规格的钢芯铝绞线，碳纤维复合材料芯导线具有质量轻、抗拉强度大、线膨胀系数小、弧垂小、载流量大、耐高温、耐腐蚀等特点。[1]碳纤维复合材料芯导线的共同特点是芯主要由碳纤维和热硬化性树脂构成。碳纤维是由含碳量较高且在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的特种纤维。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，同时沿纤维轴方向表现出很高的强度，具有很高的比强度。碳纤维增强环氧树脂复合材料比重
小、刚性好、强度高，其比强度、比模量等综合指标在现有结构材料中是最高的，能够满足输电导线在强度、刚度、重量、疲劳特性等方面的严格要求。 [2]碳纤维复合材料芯导线技术的工程应用推广，符合国家电网公司推动“两型三新”线路建设的精神，不仅对于提高输电线路的输送容量和电网的安全可靠性，以及降低架空输配电工程总造价具有非常重要的意义;还将促进新技术、新工艺、新材料的研究;也势必推动国内相关产业的技术升级与进步。 碳纤维复合材料芯导线能否在新建线路和扩容改造工程中应用，不仅要在技术上可行还要在经济上合理，因此要结合具体的工程进行技术经济比较。 2 国内外研究和应用现状 2.1 日本的概况 20世纪90年代，日本昭和电线电缆株式会社、东京制纲株式会社和东北电力株式会社共同开发了一种称为ACFR(碳纤维芯铝绞线)的低驰度导线，主要用于解决既有架空输电线路导线弧垂过大、对地净距不足的问题。其基本思想是用相同直径的碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)代替一般钢芯铝绞线(ACSR)中的钢芯，结构和外观如图2-1所示。复合材料芯的质量是常规钢芯的约1/5，线膨胀系数约为1/12。试验证明，这种新型复合材料芯导线的抗拉强度远远超过了ACSR，在常温下的应力——伸长特性呈现弹性体，没有塑性变性，断裂时的伸长量比钢绞线小，约为1.6%。耐热性基本与ACSR相同。ACFR在提高导线强度、降低导线重量和驰度方面具有突出的优点，其迁移点温度约为70℃，运行温度达150℃，重量比相同直径的ACSR导线轻30%。当导电体采用耐热铝时，可以得到耐热性能更好的TACFR导线，在降低导线驰度的同时，提高导线的载流量[3]。ACFR是ACSR 一对一的材料替换，导线外形、结构构造形式和尺寸与传统导线完全一样。
ACCC碳纤维复合芯导线
ACCC碳纤维复合芯导线 ACCC碳纤维复合导线是目前全世界电力输变电系统理想的取代传统的钢芯铝铰导线、铝包钢导线、铝合金导线及进口殷刚导线的新产品，ACCC碳纤维复合导线与传统导线相比具有重量轻、强度大、低线损、弛度小、耐高温、耐腐蚀、与环境亲和等优点，实现了电力传输的节能、环保与安全。 ACCC碳纤维复合芯导线系列主要优点是： 1.强度为普通导线的2倍。普通钢丝的抗拉强度为1240Mpa-1410Mpa，而AC CC导线的碳纤维混合固化芯棒，是前者的两倍。 2.导电率高，节能6%。由于ACCC导线不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，而且在输送相同负荷的条件下，具有更低的运行温度，可以减少输电损失约6%。 3.低弧垂，降低2倍以上垂度。ACCC导线与ACSR导线相比具有显著的低弛度特性，在高温条件下弧垂不到钢芯铝绞线的1/2，能有效减少架空线的绝缘空间走廊，提高了导线运行的安全性和可靠性。 4.重量轻10-20%。碳纤维复合芯导线的比重约为钢的1/4，在相同的外径下,A CCC的铝截面积为常规ACSR导线的1.29倍。ACCC导线单位长度重量比常规AC SR导线轻10-20%，显示了ACCC导线重量轻的优点。 5、耐腐蚀，使用寿命高于普通导线的2倍。碳纤维复合材料与环境亲和，同时避免了导体在通电时铝线与镀锌钢线之间的电化腐蚀问题，有效地延缓导线的老化，使用寿命高于普通导线的2倍。 6、同样容量线路投资成本低于普通导线。由于ACCC碳纤维复合导线倍容量运行，而且抗拉强度高、弛度小、重量轻等特点，可使杆、塔之间的跨距增大，高度降低，同样容量线路成本比普通导线低。 7、节约一半铝材的消耗。按每年电力电路200万吨铝用量计算，能节约铝材近100万吨。从保护环境、改善人类生态环境方面来说，具有划时代的意义
碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势
国内外碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势 自上世纪60年代碳纤维首次商业化以来，产业规模不断扩大，产品品质不断提高，2014年全球碳纤维产能（365天连续生产12K/24K 碳纤维丝束计算）已达到12.6万吨。尽管碳纤维与传统的玻璃纤维在价格上仍不能相比，但高性能碳纤维以其高比强度、高模量、可设计、防腐蚀和抗疲劳等突出特点，具有玻璃纤维所不能比拟的优势，已成为发展先进武器装备的关键材料，并在航空航天、国防军工、风能产业、土木工程、体育休闲等领域得到了广泛应用。 当前，国际复合材料产业呈现蓬勃发展态势，据估计，未来5年，先进复合材料将以每年5%的增速发展，而随着民用航空、汽车工业等领域的快速发展，全球高性能碳纤维需求量的年增幅可达10%，亚太地区将会有更高的增长率，即碳纤维及其复合材料产业将面临前所未有的发展空间和机遇。 因此，在目前碳纤维产业快速发展的关键时期，我们更应该认清国际碳纤维产业的发展形势、对照国外先进企业找差距找问题，通过理性思考寻求解决途径，适时把握发展机遇，落实行动、注重实效，努力推进国内碳纤维及其复合材料产业的健康快速发展。 1、国外碳纤维产业现状及发展趋势 1）产业方面 根据前躯体原料的不同，碳纤维可分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基和粘胶基碳纤维等。由于粘胶基碳纤维在制备过程中会释放出毒
性物质二硫化碳，且工艺流程长、生产成本高、整体性能不高，因此目前，国际碳纤维产业领域，前两种碳纤维获得了更大规模的生产和应用。其中，PAN基碳纤维又占据绝对优势，国际市场占有率超过90%。PAN基碳纤维的九大生产商包括：日本东丽、东邦、三菱丽阳、美国赫氏（Hexcel）、氰特（Cytec）、卓尔泰克（Zoltek，已被东丽收购）、台塑、土耳其阿克萨（AKSA）和德国西格里（SGL）。沥青基碳纤维的生产和应用居其次，主要生产企业三家，分别是Cytec、三菱塑料和日本碳素纤维。 PAN基碳纤维分为小丝束（1-24K）和大丝束（36K及以上）两类。全球小丝束碳纤维市场主要被日本东丽、东邦、三菱丽阳三家公司所垄断，而来自中国、土耳其和韩国的企业，正不断扩充小丝束的全球产能，同时也降低了三家日本公司的市场份额。 大丝束碳纤维生产商主要有Zoltek、SGL和三菱丽阳三家。另外，中国国企蓝星集团英国分公司拥有大丝束碳纤维原丝的供应能力，Cytec于2014年与德国腈纶企业合作开展低成本大丝束碳纤维的研制开发。预计在未来10年中，其它制造商也会陆续加入大丝束碳纤维生产领域。 为满足高速发展的航空航天与汽车市场对碳纤维的需要，几乎所有的碳纤维巨头都宣布了扩产计划。例如，日本东丽拥有以日本本土为核心的日美法韩4个生产基地，目前已形成11000～12000吨/年的T700S和4500吨/年的T800碳纤维生产能力，并宣布PAN基碳纤维的总产能于2015年达到27100吨，2020年扩大至50000吨。另外，Hexcel
碳纤维材料的性能
碳纤维材料的性能及应用 摘要：介绍了碳纤维及其增强复合材料，详细介绍了碳纤维复合材料的分类和特性,着重阐述了碳纤维及其复合材料在高新技术领域和能源、体育器材等民 用领域的应用，并对未来碳纤维复合材料的发展趋势进行了分析。 关键词：碳纤维性能应用 0引言 碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料，不仅在国防战略武器建设中具有不可替代性，在绿色能源建设、节约能源技术发展和促进能源多样化过程中也将发挥极其重要的作用。若将先进碳纤维复合材料在国防领域的应用水平和规模视作国家安全的重要保证，则碳纤维复合材料在交通运输、风力发电、石油开采、电力输送等领域的应用将与有效减少温室气体排放、解决全球气候变暖等环境问题密切相关。随着对碳纤维复合材料认识的不断深化，以及制造技术水平的不断提升，碳纤维复合材料在相关领域的应用研究与装备不断取得进展，借鉴国际先进的碳纤维复合材料应用经验，牵引高性能碳纤维及其复合材料的国产化步伐，对于改变经济结构、节能减排具有重要的战略意义。 1碳纤维材料 1.1何为碳纤维材料 碳纤维是一种含碳量在9 2% 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不仅是21 世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。碳纤维分为聚丙烯睛基、沥青基和粘胶基 3种, 其中90 % 为聚丙烯睛基碳纤维。聚丙烯睛基碳纤维的生产过程主要包括原丝生产和原丝碳化两部分。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料, 广泛应用于航空航天领域体育休闲领域以及汽车制造、新型建材、
碳纤维增强复合材料概述
碳纤维增强复合材料概述 摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituent materials），它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8 μm 内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、
2016-2020中国碳纤维复合材料行业发展前景预测分析报告
深圳中企智业投资咨询有限公司
2016-2020年中国碳纤维复合材料行业发展前景 预测分析 (最新版报告请登陆我司官方网站联系) 公司网址: https://www.wendangku.net/doc/fb7796894.html, 1
目录 2016-2020年中国碳纤维复合材料行业发展前景预测分析 (3) 第一节2016-2020年中国碳纤维复合材料行业发展预测分析 (3) 一、未来碳纤维复合材料发展分析 (3) 二、未来碳纤维复合材料行业技术开发方向 (3) 2、自动化生产 (3) 3、大规模生产 (3) 4、碳纤维复合材料废旧部件的再生回用技术 (4) 三、总体行业“十三五”整体规划及预测 (4) 第二节2016-2020年中国碳纤维复合材料行业市场前景分析 (4) 一、产品差异化是企业发展的方向 (4) 二、渠道重心下沉 (5) 2
2016-2020年中国碳纤维复合材料行业发展前景预测分析 第一节2016-2020年中国碳纤维复合材料行业发展预测分析 一、未来碳纤维复合材料发展分析 碳纤维复合材料作为新兴的非金属材料具有广阔的应用前景。首先其广泛的应用于航空、航天等军事领域，并随着在军事领域应用的不断深入，相关的制造及使用技术日臻成熟，从而带动了碳纤维复合材料在民用领域应用的极大发展，主要应用在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等方面，并正在快速的取代传统金属材料成为结构用材的首选。 二、未来碳纤维复合材料行业技术开发方向 1、3D打印成型技术 3D打印技术技术是有望成为高效低成本制备各种碳纤维复合材料结构部件的创新工艺，为此近年来企业界、大学、科研院所、政府机构等，都在安排研发和改进3D打印技术，并取得了产业化成果。以往制备塑料和金属的3D打印机部件，能耗较高，尺寸有限，而应用于碳纤维复合材料时，不仅部件强度与刚性可提高，还可提高导热性和降低热膨胀系数，因此无需使用炉子，可消除所有尺寸限制。 2、自动化生产 汽车生产厂家现都采用机器人组装相对小和固定形状的部件，但这些机器人并不能加工大型碳纤维复合材料部件，因为这些部件缺乏形状固定性，因而多采用手铺制造和热压罐固化。如何加工大型碳纤维复合材料是未来重要的技术开发方向之一。 3、大规模生产 5年前日本公司在市场上导入了“Sereebo”长碳纤维增强热塑性树脂（CFRTP），并与GM汽车公司等合作开发其潜在市场。其中碳纤维的分布和取向是可控的，基材的各向同性可保持到最终部件，成型时间只有60s，它比铝合金轻20%～30%，并具有更好的耐疲劳性和抗冲击性而价格略高些，适用于汽车结 3
碳纤维复合材料
碳纤维复合材料 碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料。 碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。 (1)密度低(1.7g/cm3左右)在承受高温的结构中，它是最轻的材料;高温的强度好，在2200oC时可保留室温强度;有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性;而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现"假塑性效应"即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。 (2)热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。 (3)耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。 复合原理它以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。 复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。 碳纤维增强尼龙的特色 碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特色，与玻璃纤维比较，模量高3?5倍，因而是一种取得高刚性和高强度尼龙资料的优秀增强资料。碳纤维复合资料可分为长（接连）纤维增强和短纤维增强两大类。纤维长度可从300~400m 到几个毫米不等。曩昔10年中，大家在改善不一样品种的碳纤维复合资料加工办法和功能方面投入了许多的研讨。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型，在碳纤维复合资料及制品制造方面积累了许多成功的经历。当前普遍认为，长（接连）纤维有高强、高韧方面的优越性，短切纤维有加工性好的特色。因而，长碳纤维复合资料在加工上完善成型技术、短碳纤维复合资料进一步进步力学功能是碳纤维复合资料开展的方向。 依据碳纤维长度、外表处理方式及用量的不一样，还能够制备归纳功能优秀、导电功能各异的导电资料，如抗静电资料、电磁屏蔽资料、面状发热体资料、电极资料等。碳纤维增
碳纤维复合材料
碳纤维的研究现状与发展 摘要：碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，分子结构界于石墨和金刚石之间，含碳体积分数随品种而异，一般在0.9以上。 关键词：碳纤维复合材料性能与应用 正文 一、碳纤维的性能 1.1分类 根据原丝类型分类可分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基和粘胶基3种碳纤维，将原丝纤维加热至高温后除杂获得。目前，PAN碳纤维市场用量最大；按力学性能可分为高模量、超高模量、高强度和超高强度4种碳纤维；按用途可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维，其中小丝束初期以1K、3K、6K（1K为1000根长丝）为主，逐渐发展为12K和24K，大丝束为48K以上，包括60K、120K、360K和480K等。 1.2性能 碳纤维的主要性能：(1)密度小、质量轻，密度为1.5～2克/立方厘米，相当于钢密度的l/4、铝合金密度的1/2；(2)强度、弹性模量高，其强度比钢大 4-5倍，弹性回复l00%；(3)具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂；(4)导电性好，25。C时高模量纤维为775μΩ/cm，高强度纤维为1500μΩ/cm；(5)耐高温和低温性好，在3000。C非氧化气氛下不融化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，也不脆化；(6)耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。
通常，碳纤维不单独使用，而与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料，该复合材料也具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质，已在现代工业领域得到了广泛应用。 1.3应用领域 由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性，因此被广泛应用于土木建筑、航空航天、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域。此外，碳纤维在电子通信、石油开采、基础设施等领域也有着广泛的应用，主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极，在生化防护、除臭氧、食品等领域种也有出色的表现。碳纤维复合材料片。碳纤维复合材料片是采用常温固化的热固性树脂（通常是环氧树脂）将定向排列的碳纤维束粘结起来制成的薄片。把这种薄片按照设计要求，贴在结构物被加固的部位，充分发挥碳纤维的高拉伸模量和高拉伸强度的作用，来修补加固钢筋混凝土结构物。日本、美国、英国将该材料用于加固震后受损的钢筋混凝土桥板，增强石油平台壁及耐冲击性能的许多工程上，获得了突破性进展。碳纤维复合材料片具有轻质（比重是铁的1/4～1/5），拉伸模量比钢高10倍以上，耐腐蚀性能优异，可以手糊，工艺性好等优点。因此，碳纤维复合材料片在修补加固已劣化的钢筋混凝土结构物（约束裂纹发展、防止混凝土削落）和提高结构物耐力以及对用旧标准设计建成的钢筋混凝土结构物的补强、加固应用将越来越多。 二、生产工艺 通常用有机物的炭化来制取碳纤维，即聚合预氧化、炭化原料单体—原丝—预氧化丝—碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝，其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料，干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法。 2.1干喷湿纺法 干喷湿纺法即干湿法，是指纺丝液经喷丝孔喷出后，先经过空气层(亦叫干段)，再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条，纺出的纤维体密度较高，
碳纤维复合材料芯导线规模化应用工程 复合材料芯软铝型线绞线及配套金具-技术规范通用部分-16.09.07
国家电网公司集中规模招标采购 碳纤维复合材料芯导线规模化应用工程复合材料芯软铝型线绞线及配套金具 招标文件 (技术规范通用部分) 国家电网公司 二〇一六年九月
1总则 1.1一般规定 1.1.1投标人应具备招标公告所要求的资质，具体资质要求详见招标文件的商务部分。 1.1.2投标人须仔细阅读包括本技术规范（通用部分和专用部分）在内的招标文件阐述的全部条款。投标人提供的复合材料芯软铝型线绞线（以下简称导线）及其配套金具应符合招标文件所规定的要求。 1.1.3本技术规范提出了对导线及其配套金具的技术上的规范和说明。 1.1.4本技术规范提出的是最低限度的技术要求，并未对一切技术细节作出规定，也未充分引述有关标准和规范的条文，投标人应提供符合本技术规范引用标准的最新版本和本技术规范要求的全新产品，如果所引用的标准之间不一致或本技术规范所使用的标准与投标人所执行的标准不一致时，按要求较高的标准执行。 1.1.5如果投标人没有以书面形式对本技术规范的条文提出差异，则意味着投标人提供的产品完全符合本技术规范的要求。如有与本技术规范要求不一致的地方，必须逐项在投标人技术偏差表中列出。 1.1.6本技术规范将作为订货合同的附件，与合同具有同等的法律效力。本技术规范未尽事宜，由合同签约双方在合同谈判时协商确定。 1.1.7本技术规范中涉及有关商务方面的内容，如与招标文件的商务部分有矛盾时，以商务部分为准。 1.1.8本技术规范通用部分各条款如与技术规范专用部分有冲突，以专用部分为准。 1.2投标人应提供的资格文件 投标人应按下列内容和顺序提供详实的文件。投标人应保证所提交文件的真实性。 1.2.1 投标人应提供所投产品制造所依据的技术规范和工艺标准。 1.2.2 除以上内容外，投标人应对本技术规范书要求的其他内容明确应答或明确承诺。如果需要的话，投标人应免费提交招标人要求的供合理评标用的补充数据和资料。 1.2.3 投标人应提供有效期为5年（指试验报告出具日期至开标日小于或等于5年）的复合材料芯软铝型线绞线型式试验报告。型式试验报告的导线截面不小于所招标导线截面（型式试验报告中的复合材料芯棒厂家与本次投标的复合材料芯棒供应商应一致，大截面可代替小截面、高耐热等级可代替低耐热等级、高强度级别可代替低强度级别）。投标时应提供配套金具的制造商名称。 1.2.4投标人应承诺在供货前提供所招标导线型号规格一致的有效期为3年（指试验报告出具日期至开标日小于或等于3年）的导线、耐张线夹、接续管制造单位型式试验报告,。投标人应在供货前提供有效期为5年（指试验报告出具日期至开标日小于或等于5年）的悬垂线夹、间隔棒、防振锤、连接金具等配套金具制造单位的有效型式试验报告。耐张线夹、接续管、悬垂线夹、间隔棒、防振锤、连接金具等配套金具允许外购外协。 （a）复合材料芯软铝型线绞线型式试验包括绞线试验、芯棒试验和软铝型线试验。 绞线试验项目包括：常温拉断力、高温拉断力、应力-应变试验、线膨胀系数、弧垂-温度、常温蠕变、高温蠕变、过滑轮、振动疲劳、20℃直流电阻、截面积、外径、线密度、载流量、表面质量、节径比和绞向、平整度、紧密度、电晕及无线电干扰试验。 芯棒试验包括：外观、直径公差及f值、抗拉强度、线膨胀系数、密度、卷绕、扭转、固化度、径向耐压试验、玻璃化转变温度Tg、高温抗拉强度、弹性模量、耐荧光紫外老化、盐雾试验、玻纤层厚度。 铝单线试验项目包括：外观、尺寸偏差、机械性能、电性能。 （b）耐张线夹及接续管型式试验。
碳纤维复合材料在航空航天领域的应用
碳纤维复合材料在航空航天领域的应用林德春潘鼎高健陈尚开 （上海市复合材料学会）（东华大学）（连云港鹰游纺机集团公司） 碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性,纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。 可以明显看出，在航空航天领域碳纤维的用量有大幅度增加，2006年比2001年增长约40%，2008年增长约76%，2010年和2001年相比增长超过100%。 本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天领域应用的新进展。 1 航空领域应用的新进展 T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的 为拉伸强度达到5.5GPa，断裂应变高出T300 碳纤维的30％的高强度中模量碳纤维T800H 纤维。 （1）军品 碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材。 美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料：F-22的结构重量系数为27.8%，先进复合材料的用量已达到25%以上，军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人
碳纤维复合材料在新能源汽车行业中的应用
近几年来，随着低碳环保意识、高新技术的不断发展，尤其是当前汽车轻量化的发展环境中，碳纤维复合材料（CFRP）凭借其超强韧性、能量吸收性能、轻柔性、结构稳定、耐腐蚀与耐高温等特性，成为了当下汽车产业的原材料首选，在汽车上的应用日渐普及。本文将对碳纤 维复合材料（CFRP）所具有的特性、及其在汽车行业的运用情况进行了深入探讨，力求为碳纤维复合材料（CFRP）的未来运用提供一定的参考。 0 引言 随着社会经济的快速发展，低碳节能、高效低成本已经成为各个行业市场竞争的必然选择，低碳环保、节能减排也是当前政府非常重视与强调的，尤其是工业生产与汽车产业。在政府、社会相关宣传与个人环保意识不断提升的推动下，汽车等相关领域不断创新与发展，为新型 低成本三维复合材料带来发展契机。碳纤维复合材料不仅具有良好的性能，诸如：超强韧性、能量吸收性能、轻柔性、结构稳定、耐腐蚀与耐高温等，在提升性能方面具有不可替代作用，还能降低车身的总体成本，非常有利于汽车赢得消费者的青睐并抢占更多的市场份额。碳纤 维复合材料在汽车车身中的运用已经成为世界各国争相发展的一门关键技术，尤其是具有成 熟汽车产业市场的欧美国家与日本，这些国家各大车厂在进行汽车生产的过程中都大量选用 了碳纤维材料，实现优化车体结构、降低汽车车身生产成本以及提高汽车性能的目标。 本文将深入探讨碳纤维复合材料的特性及其在汽车行业运用现状，结合碳纤维复合材料在 汽车行业中的运用实例，分析碳纤维复合材料所具有的优势，展望碳纤维复合材料在汽车行 业中的运用前景。 1 碳纤维复合材料《CFRP）介绍 1.1碳纤维复合材料概念 碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新 型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处 理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且 具有耐腐蚀、高模量的特性。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可 加工性，是新一代增强纤维。碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成的结构材料简称 碳纤维复合材料。 1.2碳纤维复合材料的特征 （1）超强抗拉弹性 碳纤维复合材料具有超强抗拉弹性，通常情况下高于3 500 MPa、这种强度是钢铁的7倍。另外，不但抗拉弹性远远高于钢，其比模量也远远高于钢。 （2）耐高温、耐腐蚀 相较于其他的材料而言，CFRP具有轻量化、刚强、柔韧性外，还具有耐高温、耐腐蚀、 耐疲劳等超强性能。除此之外，独特的碳结构让其拥有大面积的整体成型特征，同时，它还 拥有良好的稳定性与设计可塑造性，正是这些独有的特征让其可以在车轻量化实现线性增长。 （3）能量吸收性能优越 优越的能量吸收性能是CFRP材料在汽车中被广泛运用的主要原因。CFRP材料是同类的 钢质零部件质量的一半不到，是同类铝制零部件质量的70％左右，质量轻，还能抵抗更大的 冲击，足见CFRP材料的优越性。 1.3碳纤维复合材料发展历史与发展现状 从20世纪70年代开始，CFRP材料开始受到世界各国相关研究人员的关注。在国内的发
碳纤维复合芯导线
1、前言 现代经济的飞速发展加速了电力工业的发展，也大大推动了输电线路的技术进步。架空输电导线作为输送电力的载体，在输电线路中占有极为重要的地位。为了安全可靠地多送电，各国有关科技工作者一直不断努力地寻求架空输电线路用导线，以取代各种传统的导线。长期以来，传统的架空输电导线主要使用钢芯铝绞线，为了提高防腐性能，开发了铝包钢芯铝绞线等。为了提高强度，开发了钢芯铝合金绞线，全铝合金绞线，铝包钢芯铝合金绞线等，为了提高导线的耐热性能和输送容量，开发了各种耐热铝合金导线；为了降低导线弛度，开发了用殷钢芯代替普通钢芯的低弛度导线等。 碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能，正逐步征服和取代传统材料。现已广泛应用于航天、航空和军事领域。世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。随着材料科学的不断进步，在上世纪90年代，人们尝试用碳纤维复合材料代替金属材料来制作导线的芯材，并取得了一定的成果，已开发出几种复合材料合成芯导线。 这种新型复合材料合成芯导线充分发挥了有机复合材料的特长，与现有各种架空导线相比，具有重量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、线损低、弛度低等优点。可以说，新型复合材料合成型导线是一种全新概念的架空输电线路用导线，它实现了电力传输的节能、环保与安全。 2、国际复合材料芯电缆产业现状及发展趋势 目前国际上在已取得一定成果的碳纤维复合材料芯导线中，日本的碳纤维芯铝绞线和美国的碳纤维和玻璃纤维混合芯铝绞线较为典型。其中日本一家碳纤维导线企业的产量就占到世界40%左右 日本是开发架空线路特种导线品种较多的国家。在新型复合合成芯导线方面，最早是作为一种改进型低弛度导线而提出的；而实际上新型复合材料合成芯导线的优点，远止低弛度一个方面。在架空输电线路中，由于周边环境的变化，有时会发生输电导线与线下被跨越物之间电气隔离距离不够的情况。为了确保隔离距离，通常需要迁移铁塔、改建或改造铁塔。但是，由于用地的制约以及铁塔造价等原因，解决电气隔离距离不够问题最好的办法是更换导线。早在20世纪70年代，在城网改造中，为了增加输电容量，对于架空送电旧线路导线对地距离和相间距离不够的问题，根据殷钢的线膨胀系数比普通钢小得多的特点，用殷钢芯代替普通钢芯，开发了作为低弛度导线的殷钢芯铝绞线。由于这种导线的结构与通常的钢芯铝绞线相同，原来的绝缘子和金具均可以照旧使用，施工工具也可以照旧使用，它能在于铁塔不变的情况下，仅更换导线就行。到了20世纪90年代，日本学者研究用碳纤维芯代替钢芯，开发出了一种新型复合材料合成芯导线，即碳纤维芯铝绞线。这种导线与通常的钢芯铝绞线具有相同的外径和强度，架线施工中不需要特殊的机具和方法。在这种导线中，通常的钢芯铝绞线的钢芯被用碳纤维制成的复合材料芯线所代替，这是一种重量轻、线膨胀系数小，具有良好弛度特性的
增强材料-碳纤维
碳纤维 碳纤维（Carbon Fibre, CF或Cf）的开发历史可追溯到19世纪末期，美国科学家爱迪生发明的白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生产的碳纤维，则出现在二十世纪50年代末期。 1959年美国联合碳化公司(Union Carbide Corporation，UCC)以粘胶纤维(Viscose firber)为原丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维(Rayon-based carbon firber)。 1962年日本炭素公司实现低模量聚丙烯脂基碳纤维(Polyacry lontrile--based carbon firber，PANCF)的工业化生产; 1963年英国航空材料研究所(Royal Aircraft Establishment，RAE)开发出高模量聚丙烯脂基碳纤维； 1965年日本群马大学试制成功以沥青或木质素为原料的通用型碳纤维； 1970年日本昊羽化学公司实现沥青基碳纤维Pitch-based carbon fiber的工业规模生产； 1968年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol”的酚醛纤维Phenolic fibers; 1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维(Fibrous activated carbon)投放市场。 1988年，世界碳纤维总生产能力为10054吨/年，其中聚丙烯腈基碳纤维为7840吨，占总量的78％。日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力约3400吨/年，占总量的43％。 美国的碳纤维主要用于航空航天领域，欧洲在航空航天、体育用品和工业方面的需求比较均衡，而日本则以体育器材为主。 碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。 碳纤维不属于有机纤维范畴，但从制备方法上看，它又不同于普通无机纤维。 碳纤维的分类 当前，国内外巳商品化的碳纤维种类很多，一般可以根据原丝的类型、碳纤维的性能和碳纤维的用途等三种方法进行分类。 ◆按前驱体纤维原料的不同，可分为粘胶基碳纤维、聚丙烯腈碳纤维、沥青基碳纤维和气相生 长碳纤维； ◆按纤维力学性能分类，可分为通用级碳纤维(GP)和高性能碳纤维(HF)，其中高性能碳纤维包 括中强型(MT)、高强型(HT)、超高强型(uHT)、中模型(1M)、高模型(HM)、超高模型(UHM)； ◆按照制造方法分类，可分为碳纤维(800-1600℃)、石墨纤维(2000-3000℃)、氧化纤维(预氧丝 200-300℃)、活性碳纤维和气相生长碳纤维； ◆按照碳纤维应用领域分类，可分为商品级碳纤维和宇航级碳纤维。 碳纤维制法 碳纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材料。它不同于有机纤维或无机纤维，不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机物为原料，采用间接方法制造。 碳纤维制造方法可分为两种类型，即气相法和有机纤维碳化法。 气相法是在惰性气氛中，小分子有机物(如烃或芳烃等)在高温下沉积成纤维。 用这种方法只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长丝。 有机纤维碳化法可以制造连续长纤维，它通常分为两步进行： ①将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维； ②在惰性气氛中，于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其它非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。 天然纤维、再生纤维和合成纤维都可用来制备碳纤维。 制备碳纤维时，选择的条件是加热时不熔融，可牵伸，且碳纤维产率高。 制作碳纤维的主要原材料有三种： ①人造丝(粘胶纤维)； ②聚丙烯腈(PNN) 纤维； ③沥青。
国内外碳纤维企业大汇总
国内外碳纤维企业大汇总 分享到：0分享到微信朋友圈打开微信。点击“发现”， 使用“扫一扫”即可将网页分享至朋友圈。 发布日期：2016-08-09 17:59 来源：碳纤维资讯世界碳纤维的生产主要集中在日本、英国、美国等少数发达国家和我国的台湾省。 碳纤维原丝原料主要有三种：粘胶丝、聚丙烯腈、沥青。 其中，以聚丙烯腈为原料的碳纤维占市场份额75%，技术主要集中在日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝，美国的ZOLTEK、阿克苏、ALDILI 等手中。 国际上，碳纤维最大生产商东丽、东邦人造丝、三菱人造丝的产量合计占全球产量的一半。 今天为大家盘点一下国内外的碳纤维企业。 1. 日本东丽工业株式会社 日本东丽株式会社设立在日本东京中央区日本桥，创立于1926年1月，是一家以合成纤维，合成树脂起家，现设计涵盖各种化学制品，信息相关素材的大型化学企业。 公司主要生产尼龙、聚氨酯、长丝纱丙烯酸纤维、短纤维、聚酯纤维、丙烯酸纤维、人造纤维与塑料产品原材料、碳纤维、碳纤维合成材料以及注塑产品等。 2. 日本东邦人造丝公司 东邦人造丝公司成立于1950年7月，本部位于东京都中央区日本桥3-3-9西川大厦，主产丙烯酸、人造丝，PAN系碳纤维等。 3. 日本三菱丽阳株式会社 三菱丽阳株式会社是日本最大的腈纶纤维生产商，该公司主要生产化学品，塑料和纤维。除了主要acryrilic纤维外，三菱人造丝也是一种高尔夫球杆顶部材料。 4. 美国卓尔泰克公司 美国卓尔泰克公司（Zoltek）是世界领先的碳纤维生产厂家，年产13000吨碳纤维，及4000吨予氧丝。 碳纤维广泛应用于风力发电，基础设施等。公司还生产碳纤维予浸料，多轴布，符合各种工程塑料用的短切碳纤维，预氧丝。 5. 台湾塑料工业股份有限公司 公司成立于１９５４年，在纤维制品方面，包括亚克力棉、碳素纤维，其中亚克力棉年产能
国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向
--] 诺贝尔学术资源网->材料资源->《转》国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向[打印本页] 登录->注册->回复主题->发表主题 romanceliu 2008-01-15 17:37 查看完整版本: [-- 《转》国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向 一．国外情况 １９９６年世界碳纤维生产能力１５０００ｔ，实际产量约１００００ｔ左右，其中日本约占６０％。日本有三家大公司从事碳纤维的生产、研究和开发，东丽公司、东邦人造丝公司和三菱人造丝公司是世界著名的碳纤维生产企业，它们都在积极扩展碳纤维生产，继续加强其在世界市场上的主导地位，并纷纷实现从原丝到下游复合材料一体化的配套生产体制，碳纤维及其下游产品己成为这些公司的支柱产业和新的经济增长点。 随着航空航天飞行器各项性能的不断提高，对结构件用材料的性能要求也越来越高。今后日本先进复合材料的发展方向是：在增强材料方面，进一步提高碳纤维的强度和模量，降低成本；在树脂基体方面，主要提高树脂的冲击后压缩强度和耐湿热性；在复合材料成型技术方面，进一步实现整体成型技术、固化监控、自动化技术及三维复合材料技术，从而同时提高复合材料性能降低制造成本。 美国是碳纤维生产大国，更是消费大国，世界碳纤维４０％以上的市场在美国。美国１９９６年碳纤维生产能力约为４５００ｔ，其中卓尔泰克（ＺＯＬＴEＫ）公司１９９７年在美国德克萨斯州的亚平伦城和匈亚利的布达佩斯附近建了５条碳纤维生产线，１９９７年的总生产能力达３０００ｔ左右，一跃成为世界上生产碳纤维的最大集团之一。 它的产品有许多特色，最主要是低成本、低价格、大丝束、采用纺织用的丙烯酸原丝和开发工业级碳纤维等。该公司生产的碳纤维价格已降至１７.６４＄/ｋｇ，而日本东丽同类产品大约３０＄／ｋｇ。在应用方面，美国摩里逊（Ｍｏｒｉｓｏｎ）公司为达纳（Ｄｃｎａ）公司生产汽车传动轴，供通用汽车公司用；采用碳纤维复合材料可使原来由两件合并成一个传动轴简化成单件，与钢材料相比，可减重６０％。美国斯道顿复合材料公司（Ｓｔｏｕｇｈｔｏｎ）开发碳纤维复合材料集装箱，重量轻、耐磨，在碳纤维价格降至１７.６＄/ｋｇ时，此集装箱的价格可与金属集装箱竞争。