离散系数

第一项先来说说离散系数,也就是我们经常提出的CV值。通常碳纤维厂商的产品参数表里面是不会有这一项的。这个只是行业内部进行交流的参数。不过这个参数确实影响着碳纤维的使用效果。我们通常所说国产碳纤维质量不稳定,说的也是离散系数太大。那么什么叫离散系数呢?离散系数又叫变异系数,表征的是两组数据偏离程度的参数。打个比方,今天生产出来的碳纤维测一测强度,和昨天生产出来的碳纤维测得的强度进行对比,如果两组数据相差过大,那就是离散系数太大,说明产品质量不稳定。由于是科普文,我也不准备列公式深入探讨,你只要记住一个形象的例子:打靶。打靶的时候我们的目标是靶心,但实际上打出来的位置都会有偏离,如果偏离靶心比较大,那就是离散系数大,偏离靶心小,那就是离散系数比较小。

可这些又有什么用呢?复合材料有一大特点就是结构可设计性,我们可以根据工件的要求不同,对其进行精确地纤维铺层等方面的设计,最高效的发挥材料的优势。这里的精确设计要求我们必须准确的知道材料的性能参数。但如果是离散系数过大的碳纤维,也就是我们说质量不稳定的碳纤维,那么精确设计就无从下手。就像用一双颤抖的手去穿针引线一样困难。可以说没有质量稳定的碳纤维,就没有高性能的复合材料。

CV值得重要性绝对不亚于我们通常关注的强度和模量。所以苏格拉伟(微信号:zahawe)的观点是,宁可强度不高,也不要质量不稳定。只要质量稳定,哪怕强度不高,我也可以通过结构设计去弥补,这才能体现复合材料的精确设计这一优势。

如果说做出碳纤维需要3-4年,那么将质量稳定则需要10-20年的摸索。这个质量稳定阶段将是碳纤维企业黎明前最黑暗的时刻,尤其对我们国内碳纤维生产企业来讲,更是如此。我们生产出T300,国外将同等级别碳纤维价格降得很低,而中国做不出来的碳纤维价格却很高,以此补贴低级别碳纤维。这样国内使碳纤维企业难以生存,大多数熬不过黎明前最黑暗的时刻。在摸索质量稳定这个阶段,既要保证开工率,又要忍受巨额亏损。个人力量不行,需要国家的扶持。有消息称日本东丽碳纤维CV值能做到1%以下,而中复神鹰目前做到5%已是相当不错的成绩了,希望这个黑暗时刻尽量短些,再短些。

当然,离散系数影响最大的还是作为结构部件的应用。那些喜欢开发外观件的朋友和制品企业,做包覆,做非结构件,可以选用国产碳纤维。也算是为国家碳纤维事业出一把力气。

上浆剂种类和上浆量

第二项说说上浆剂类型和上浆量。为了保证碳纤维在运输和使用过程中不被磨损,起毛,在碳纤维生产线最后都会给碳纤维加上浆剂用以保护碳纤维。上浆剂也承担着纤维和树脂结合的作用,起初用作复合材料的树脂大多为环氧树脂,所以东丽公司的上浆剂也多为环氧树脂。随着使用领域的要求变化,现在有不同的上浆剂类型的碳纤维可以选择。

上浆剂与前驱体是不同厂家碳纤维产品很重要的区分点,各家均有自己的配方,对外基本保密。通常上浆剂的量为碳纤维重量的0.5-5%,它可以保护碳纤维在编织、展纱、预浸过程中不受损坏磨损,也可以防止纤维起毛。更重要的是它是碳纤维与基体结合的纽带。通常来讲上浆剂的组分要与基体树脂相适应,才能更好的形成強结合。关于表面处理和上浆剂更深入的知识,可以参考张相一博士2015年1月22日晚上做客碳纤维理想联盟微信群所做的报告。更早时候安徽首文碳纤维公司的宋会青和东华大学材料学院吕永根教授均做过相关介绍,如果您感兴趣可以查看“碳纤维资讯“微信平台(cfrp888)的历史文章,或者加苏格拉伟微信(微信号:zahawe)。现在国外有一些碳纤维生产厂家可以根据客户需求和使用的基体树脂定制上浆剂,已达到最好的使用效果。

关于上浆量,如果上浆剂量过小,那么纤维集束性一般,如果上浆剂量过大,碳纤维的柔韧性降低,那么在编织、展纱过程中,开纤比较困难。

断裂伸长率

第三项是断裂伸长率。这一参数是包含在碳纤维的性能参数中的。但是在使用碳纤维过程中人们过分关注强度和模量,通常忽略了断裂伸长率这一参数。断裂伸长率就是碳纤维在拉断时伸长量和原来长度的比值,通常用百分比表示。T300的断裂伸长率为1.5%,意思就是100米T300碳纤维拉断时,长度会伸长1.5米。通常断裂伸长率与碳纤维的模量是负相关,例如M46模量是436GPa,断裂伸长率是1%,M60模量是588GPa,断裂伸长率是0.7%。但这个也不绝对,像T400的模量比T300模量高20GPa,但是断裂伸长率却为1.8%。

可是断裂伸长率有什么用呢?这个涉及到复合材料的冲击强度,相同条件的碳纤维,断裂伸长率大的碳纤维复合材料可吸收更多的能量。冲击强度可以看做单位截面破坏时消耗的能量。撇开面积因素,我们考察能量。能量=力×距离。力是强度因素,就是应力;距离就是形变因素,比如断裂伸长率。这样,两个具有相同强度的碳纤维,断裂伸长率大吸收更多的能量。在汽车的保险杠等部件中,我们希望它在受到撞击的时候吸收更多的能量,以保护车内人员的安全。所以这个参数就可作为复合材料结构设计的一个重要参考。

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