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碳纤维增强铜基复合材料的最新研究进展和应用3苏青青,李微微,刘 磊,沈 彬(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200240)摘要 碳纤维增强铜基复合材料是一种极具发展前途的金属基复合材料。
介绍了碳纤维增强铜基复合材料的制备工艺,总结概述了目前短碳纤维增强铜基复合材料的物理力学性能研究进展及其在航空航天、汽车、电子方面的应用现状和前景。
探讨分析了碳纤维增强铜基复合材料的研究开发趋向,对碳纤维增强铜基复合材料的研究开发和实际应用具有一定的指导意义。
关键词 碳纤维增强铜基复合材料 研究进展 应用Application and Progress in Development of the C arbon FiberR einforced Copper Matrix CompositesSU Qingqing ,L I Weiwei ,L IU Lei ,SH EN Bin(State Key Laboratory of Metal Matrix Composites ,Shanghai Jiao Tong University ,Shanghai 200240)Abstract Carbon fiber reinforced copper matrix composites is a kind of metal matrix composites with a great potential for the development.A review on the preparation technology and the progress in the study of the physical and mechanical performance (including strength ,hardness ,thermal conductivity ,f riction and wear properties )are presented ,as well as the application in fields of aerospace ,automotive ,electronics ,etc.of the carbon fiber reinforced copper matrix composites.On the basis of the research situation ,a f uture development view is prospected.K ey w ords carbon fiber reinforced copper matrix composites ,research and development ,application 3国家863项目(2007AA03Z546) 苏青青:1985年生,硕士研究生 沈彬:通讯作者,教授 E 2mail :bshen @0 引言碳纤维增强铜基复合材料以其优异的导电、导热、减摩和耐磨性能以及较低的热膨胀系数而广泛应用于航空航天、机械和电子等领域[1-5]。
碳纤维金属基复合材料碳纤维金属基复合材料是一种新型的材料，由于其具有轻质、高强、高刚度和耐热性能优异等特点而备受关注。
在此类材料中，碳纤维和金属基材料以不同的方式组合在一起，形成具有优异力学性能和热学性能的材料。
碳纤维是一种高强度、高模量的材料，具有极高的拉伸强度、刚度、耐疲劳性和热稳定性。
它的密度只有金属的1/5左右，但强度却高于许多金属，因此广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等领域。
金属基材料是一种具有良好导热性、可塑性、韧性和可加工性的材料，广泛应用于机械制造、建筑结构、电子器件和化工设备等领域。
碳纤维金属基复合材料是一种将碳纤维和金属基材料组合起来的新型材料。
通常有两种组合方式：一种是碳纤维与金属基材料层层叠合，可以通过层压、热压、钎焊等方法粘结在一起，形成片材、板材、管材等多种形式的复合材料；另一种是将碳纤维作为增强材料，将其嵌入到金属基材料的孔隙中，形成金属基复合材料。
1.轻质。
由于碳纤维的密度只有金属的1/5左右，因此复合材料的密度比单一金属材料轻得多，能够大大降低结构重量，提高载荷能力和运行速度。
2.高强度。
碳纤维具有极高的拉伸强度和刚度，可以有效地增强金属基材料的刚度和强度。
当金属基材料负载受力时，碳纤维可以有效地分散载荷，减少应力集中，从而增加复合材料的强度和韧性。
3.优异导热性。
金属基材料具有优异的导热性能，可以很好地传递热量。
碳纤维的导热系数较低，但由于其具有优异的耐热性能，可以有效地保护金属基材料不受高温热损失。
4.易于加工和制造。
碳纤维金属基复合材料可以根据需要进行定制，可以采用传统的金属材料加工技术，如焊接、铸造、锻造等，完成成型和制造。
碳纤维金属基复合材料的应用领域非常广泛，从高端航空航天、军事、汽车等至普通机械、建筑结构、体育用品等都具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展，碳纤维金属基复合材料的性能将不断得到提高，其应用领域也将不断扩大。
一种含加强筋碳纤维天线面共固化成型方法引言：随着通信技术的发展，天线在无线通信领域中起着至关重要的作用。
传统的金属天线面存在重量大、制造成本高等问题，因此研究开发新型材料来替代传统金属天线面成为了一个热点。
本文将介绍一种含加强筋碳纤维天线面共固化成型方法，该方法能够有效提高天线面的强度和稳定性。
1. 引入加强筋碳纤维材料传统的金属天线面存在重量大、制造成本高等问题，因此我们引入了加强筋碳纤维材料作为天线面的主要材料。
加强筋碳纤维材料具有高强度、轻量化等优点，非常适合用于制作天线面。
2. 准备工作需要准备加强筋碳纤维材料和固化剂。
加强筋碳纤维材料可以是预浸料或干燥的碳纤维布，固化剂可以是环氧树脂等。
3. 天线面设计根据天线的工作频率和性能要求，进行天线面的设计。
可以采用软件进行仿真和优化，确定天线面的形状和尺寸。
4. 布料预处理将加强筋碳纤维材料进行预处理，包括去除表面的杂质和加强筋的整理。
这一步骤可以提高材料的粘结性和成型质量。
5. 加强筋定位根据设计要求，在加强筋碳纤维材料上标记出加强筋的位置和间距。
这样可以确保加强筋的布置符合天线面的要求。
6. 材料浸渍将加强筋碳纤维材料浸渍于固化剂中，确保每个纤维都充分浸渍。
浸渍过程可以采用真空浸渍或浸渍机进行，以确保固化剂能够均匀渗透到纤维中。
7. 成型将浸渍好的加强筋碳纤维材料进行成型。
可以采用模具或压力机进行成型，以得到所需的天线面形状和尺寸。
成型压力和温度需要根据固化剂的特性和材料厚度来确定。
8. 固化成型后的加强筋碳纤维材料需要进行固化处理。
固化过程中，固化剂会发生化学反应，将加强筋碳纤维材料固化为坚硬的材料。
固化时间和温度需要根据固化剂的要求来确定。
9. 后处理固化后的天线面还需要进行后处理，包括修整边缘、打磨表面等。
这些步骤可以提高天线面的外观和加工精度。
10. 性能测试对制作好的加强筋碳纤维天线面进行性能测试。
可以测试其频率响应、增益、辐射图案等指标，以验证其性能是否达到设计要求。
碳纤维复合材料在航空航天领域的应用研究引言随着科学技术的不断发展，碳纤维复合材料在航空航天领域的应用越来越广泛。
碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚性和耐腐蚀等优良性能，因此在飞机、火箭、卫星等航空航天器件中得到了广泛应用。
本文旨在探讨碳纤维复合材料在航空航天领域的应用研究现状及未来发展趋势。
一、碳纤维复合材料的基本性能和特点碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料，以树脂为基体材料的复合材料。
其主要性能和特点包括：1. 轻质高强：碳纤维具有很高的比强度和比刚度，比重小，是金属的1/4，具有较高的比强度和比弹性模量，使得碳纤维复合材料具有较高的强度和刚度。
2. 耐腐蚀：碳纤维和树脂都具有很高的耐化学腐蚀性，对水、酸、碱等介质的腐蚀性能好。
3. 高温性能：碳纤维复合材料在300℃以上具有很好的热稳定性，且热膨胀系数小。
4. 成型性好：碳纤维复合材料具有较好的成型性能，可以通过预浸料、手工层叠、自动化生产等方式进行成型。
二、碳纤维复合材料在航空领域的应用1. 飞机结构件：碳纤维复合材料在飞机机身、机翼、尾翼等结构件中得到了广泛应用。
其轻质高强的特点可以减轻飞机整体重量，提高飞机的使用性能和燃油效率。
2. 发动机部件：碳纤维复合材料在飞机发动机的叶片、燃烧室等部件中应用广泛。
其高温性能和耐腐蚀性能可以有效提升发动机的工作效率和寿命。
3. 军用飞机：碳纤维复合材料在军用飞机中的应用更加广泛，可以提高飞机的隐身性能，减少雷达波反射，提高飞机的生存能力。
4. 航空器电气部件：碳纤维复合材料还可以用于航空器的电气部件，提高设备的抗干扰性和耐高温性。
三、碳纤维复合材料在航天领域的应用1. 卫星结构：碳纤维复合材料在卫星结构中有着广泛的应用，可以有效减轻卫星整体质量，提高其运载能力和稳定性。
2. 火箭、航天器件：碳纤维复合材料在火箭、航天器件中的应用也逐渐增多。
其轻质高强的性能可以有效提高火箭的推进效率和运载能力。
3. 空间站建设：未来空间站的建设以及太空探测器的制造都将广泛使用碳纤维复合材料，以满足太空环境的极端要求。
碳纤维材料性能及电磁屏蔽应用摘要介绍碳纤维材料的性能及其主要用途，并简要分析电磁屏蔽原理。
综述了碳纤维作为电磁屏蔽材料的主要应用形式以及研究现状。
关键词碳纤维复合材料电磁屏蔽Abstract: In this paper, carbon fiber property and its main application are introduced briefly, and the principle of EMS(Electromagnetic shielding) is analyzed in brief. Then the development and applications of carbon fiber in EMS composites are reviewed in detail.Key word: carbon fiber composites EMS(Electromagnetic shielding)前言碳纤维（Carbon Fiber）主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上[1,2]。
碳纤维呈黑色，密度比金属铝低，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性。
既有碳材料“硬”的固有特征，又兼备纺织纤维“柔”的可加工性，是新一代军民两用新材料，广泛应用于航空、航天、交通、体育休闲用品、医疗、机械、纺织等各领域。
碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面发挥着重要作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义。
1 碳纤维产品特性及其产品用途碳纤维是由含碳量较高，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。
碳纤维与钻石一样，是主要由碳元素组成的物质，碳纤维主要具备以下特性：①轻质高强，其比重为铁的四分之一，比强度为铁的10倍，，尤其是高弹模量碳纤维，其抗拉强度比钢材大68倍，弹性模量比钢材大1.8～2.6倍。
碳纤维天线表面金属化的研究及应用李金良,宁晓磊,金 超(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)摘 要:介绍了碳纤维复合材料天线采用转移法进行表面金属化的技术。
通过对高分子转移膜溶液配方、高分子转移膜制作和金属喷涂等进行研究,确定了碳纤维复合材料天线表面金属化的流程。
在K a 频段对电磁波的反射特性进行测试,达到了设计指标要求。
该方法操作简单,稳定性和可靠性较高,不影响制品精度,而且成本较低,适用于室温固化成型和中温固化成型,具有广泛的应用前景。
关键词:碳纤维;金属化;转移法;脱模剂中图分类号:TG 17 文献标识码:A 文章编号:1003-3114(2009)04-33-3R esearch and Application of SurfaceMetallization of C arbon Fiber AntennaLI Jin 2liang ,NI NG X iao 2lei ,J I N Chao(The 54th Research Institute of CECT ,Shijiazhuang Hebei 050081,China )Abstract :This paper describes the technology of the carbon fiber antenna metalizing by trans fer.Through studying the com position of polymer s olution ,the m olding of polymer trans fer film and the technology of the metal spraying ,the sur face metallization process of carbon fiber com posite antenna is con firmed.The design specifications have been met in the electromagnetic wave reflection characteristics test of the metallized carbon fiber antenna at K a 2band.This technology is characteristic of high stability and security ,low cost ,easy operation and no effect on precision of products ,therefore it has a promising prospect for applications in curing at room tem perature and medium tem perature.K ey w ords :carbon fiber ;metallization ;trans fer ;release agent收稿日期:2009-04-28作者简介:李金良(1979-),男,助理工程师。
主要研究方向:先进复合材料研究。
0 引言碳纤维复合材料(CFRP )具有重量轻、模量高、热膨胀系数低、耐腐蚀等优异特点,在天线、微波器件等方面得到了广泛的应用[1]。
1986年东芝公司报道研究了CFRP 的反射特性,认为在20G H z 以下波段的CFRP 可以不金属化,而高于20G H z 时就必须金属化[2]。
因此,为满足电性能指标,高精度、高频段碳纤维天线必须进行表面金属化[3]。
我们对碳纤维复合材料天线表面金属化技术进行了研究,并将该技术成功应用于2.4m 碳纤维天线的表面金属化,天线表面光滑平整,金属层粘结牢固,达到了设计技术要求。
1 金属化技术介绍复合材料制件表面金属化方法很多,主要有化学与电化学镀、真空蒸镀、真空离子溅射、预埋金属网法、贴膜法、转移法等。
选择转移法进行研究,其优点是设备简单,不受零件形状和尺寸的限制,金属层与复合材料结合力大,表面光洁度高,不影响制品精度,且成本较低,是比较理想的复合材料天线表面金属化技术。
采用转移法实现金属化的过程是:首先在模具表面形成一层高分子转移膜,然后在转移膜上喷涂金属,形成一个连续的金属层,再在金属层上铺覆预浸料,最后进行固化成型,制件脱模后,金属层从模具表面转移到复合材料制件表面。
2 关键技术转移法成型的关键在于在模具表面能够形成连续、均匀的高分子转移膜。
高分子膜应有较好的强度,喷涂金属时无鼓泡、翘起、脱落和撕裂等,可有效地将金属粒子附着在表面,既与模具有一定的附着力,又要在成型后与模具容易分离,还能方便地从制件表面去除。
2.1 高分子转移膜溶液配方经查阅文献和实验筛选,聚乙烯醇树脂无毒、无天线与伺服技术味,其水溶液有很好的粘接性和成膜性,成膜后具有优异的微生物分解性能,能被分解成二氧化碳和水,不污染环境。
因此,我们确定了以聚乙烯醇为主体树脂对高分子转移膜进行研究。
在实验过程中,选用了硬铝(2A12)、钢(45#)、球墨铸铁等材料制作平板模具。
通过刷涂和喷涂试验,最终确定了高分子转移膜溶液配方。
高分子溶液配方如下:聚乙烯醇 3～20%水50～80%乙醇5～30%增塑剂A3～10%表面活性剂B0.5～1.0%消泡剂C0.6～4%在实验过程中发现,模具的光洁度对制品的脱模有重要影响,光洁度越高脱模越容易;反之则较困难,甚至造成制品不能脱模。
在研究与脱模剂复合使用的脱模工艺过程中,选用了多种脱模剂,但与高分子转移膜溶液不能有效结合,或者不能形成薄膜,或者脱模比较困难,经多次实验选用了表面活性剂B,可使高分子转移膜溶液与脱模剂配合,效果良好,有效地提高了制作成功率。
此外,在配方中加入增塑剂,可增加制品的韧性;加入表面活性剂,可使脱模剂与高分子转移膜溶液有效结合;加入消泡剂则避免了在喷涂过程中产生气泡,从而使成膜更加均匀。
2.2 高分子转移膜的制备首先,将脱模剂用绸布或棉纱均匀地涂在模具表面上,晾置10～15min;其次,采用通用型喷枪喷涂高分子转移膜溶液,喷涂压力0.3MPa,室温晾置60～90min;最后,喷涂第2遍高分子转移膜溶液,与第1遍成90°交叉喷涂,喷涂方法与第1遍相同,室温晾置60～90min。
高分子转移膜溶液涂覆以后,晾置至干,然后再进行第2遍操作。
成膜后,应及时保护,禁止与水接触,否则会因水溶胀而造成破损。
2.3 金属喷涂可供喷涂的金属种类较多,常用的有锌丝、铝丝、高碳钢丝、不锈钢丝、铜丝、合金丝等多种材料,我们选择了熔点较低、喷涂效率较高的金属锌丝,使用电弧喷涂机进行喷涂。
喷涂参数如下:工作电流120～210A,空载电压20～30V,压缩空气压力0.3～0.6MPa,喷枪与模具距离300～400mm,喷涂厚度100～120μm。
2.4 电位腐蚀的处理金属层与碳纤维之间存在电位差,如有水蒸气进入会造成电化学腐蚀,为避免金属层与碳纤维之间的电位腐蚀,需在金属层与碳纤维之间增加一层玻璃布进行隔离。
同时,由于金属喷涂的孔隙较大,容易造成金属层氧化并增加制品的孔隙率,应在金属喷涂完成之后立即刷涂封孔剂进行封孔处理。
2.5 碳纤维天线表面金属化流程金属化过程对模具的洁净度要求比较高,要求用汽油、丙酮等将模具彻底清理干净,使模具表面保持洁净,无杂物、无油渍等,再涂覆脱模剂,喷涂转移膜,否则,会降低转移膜制作成功率。
金属化工序应在碳纤维天线面板制作过程的开始阶段进行,随内蒙皮固化成型,完成脱模。
工艺流程如图1所示。
图1 转移法金属化工艺流程图3 电性能测试根据上述研究结果,采用转移法金属化技术,制作了2.4m蜂窝夹层结构碳纤维天线,通过电性能测试,其结果均达到设计要求。
图2、图3是该天线实测的方向图。
图2 18GH z实测方向图天线与伺服技术图3 23GH z 实测方向图由图2、图3可以看出,第一旁瓣电平值小于-14dB ,测试曲线形状满足卫星通信对方向图的要求,通过方向图计算出天线的效率为63%。
4 结束语通过对碳纤维天线表面金属化技术的研究,确定了高分子转移膜溶液配方,高分子转移膜制作参数和喷锌参数,建立了转移法金属化流程;通过对比实验发现,选择何种金属材料制作模具对制品的脱模影响不大,而模具的表面粗糙度对脱模有较大影响,高的表面光洁度更有利于制品的脱模;用封孔剂对喷涂层进行封孔可降低制品孔隙率,提高金属层与复合材料之间的粘接力。
该方法操作简单,稳定性和可靠性较高,不影响制品精度,而且成本较低,适用于室温固化成型和中温固化成型,并且已成功应用于多种型号碳纤维天线工程制造中。
参考文献[1] 敖辽辉.高精度碳纤维复合材料天线金属化技术[J ].电讯技术,1999,39(2):84-86.[2] 夏文干,杨洁.碳纤维复合材料天线金属化的必要性研究[J ].高科技纤维与应用,2001,26(2):15-20.[3] 吴利英,靳武刚,高建军.转移法金属化技术在树脂基碳纤维复合材料上的应用[J ].广东塑料,2005(1):29-31.(上接第6页)术;④通信网现有各种网络互联互通技术;⑤通信网络信息安全技术。
采用MSTP 光纤综合通信网络平台组建的各级通信网络如图2所示。
图2 MSTP 光纤综合通信网络示意图4 结束语光纤综合通信网络的研制及建设是一项复杂的系统工程,它涉及的面很宽,技术非常复杂,几乎集中了现代IT 产业的所有高新技术,其地位极为重要。
光纤综合通信网络的建设应遵照“统一体制、统一标准、逐步演进、总体规划、分步实施、技术先进、自主开发”的原则,遵循国际电联(IT U —T )提出的电信管理网(T MN )的框架和规范,建立与国家公用网及全军通信网络技术体制相一致的光纤综合通信网络。
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