碳纤维复合材料阻燃性能的应用前景

为其自身轻质高强等特性成为新一代结构材料,在汽车、航空航天、工轨道交通等多领域都有得到很好的应用,但由于碳纤维复合材料中最常用的环氧树脂的最大缺点是耐高温性差,以及燃点低,所以在各领域的应用有所受限,因此,使碳纤维复合材料具有阻燃性,不仅可以提高产品的安全性,更能拓宽碳纤维未来的应用限制。

作为替代传统金属的轻量化新材料,碳纤维复合材料制品通常都应用在工作强度大或自然环境较为恶劣的情况下,碳纤维复合材料所具有的几近于零的线膨胀系数和良好的耐腐蚀性等性能特点为其赢得了明显的应用优势,但是,碳纤维复合材料的实际应用并非一帆风顺。

例如波音787大量使用轻量化的复合材料,却仍要保留20%的铝、10%的钢和15%的钛,因为在超声速巡航中,飞机外表长时间与空气高速摩擦,会产生较大程度的高温现象,复合材料最常用的环氧树脂类产品能承受的正常温度低于150℃,远远不能满足飞机高速飞行时所需要的安全温度,所以,在机翼、发动机等重要部位,碳纤维复合材料的竞争力只能败北于传统金属。

同样,在对碳纤维复合材料有着大量应用需求的汽车、高铁等制造领域中,对碳纤维复合材料的结构产品所提出的重要要求之一就是在高速行驶过程中可能遇到的各种事故,包括碰撞、摩擦、起火情况下,产品必须能保持较高的燃点,并在大火中不释放对乘客造成生命威胁的有害气体和烟雾。

据挪恩复材介绍,在原料本身来说,碳纤维材料的加工温度都在800℃以上,高强度高模量的碳纤维加工温度更是高达2000-3000℃以上,作为腈纶纤维碳化后的单质,其本身并无毒性,但是它需要和树脂基体及其它固化剂、溶剂、助剂结合使用,这些树脂基体能耐受的温度并不高,而且多种助剂在燃烧中也可能释放大量有害物质。因此,能耐受更高温度和更具安全性的碳纤维复合材料制品成为市场所需。

限制复合材料高温性能的主要因素是基体树脂,为使复合材料具有一定的阻燃性,通常的做法有两种,一是采用双马来酰胺树脂作为基质材料,但是这种树脂韧性及耐受冲击性较差,二是在原有的复合材料中添加相应的阻燃剂,目前市场上的阻燃剂种类虽然多,但是每种阻燃剂具体的使用效果和应用条件不同,需要考虑到的因素相对比较复杂。

苏州挪恩复合材料长久以来一直针对碳纤维复合材料进行研究,在改性碳纤维复合材料以及热塑型碳纤维等方面已经取得了很多研究成果。据挪恩复材的技术人员介绍,所谓的阻燃并不是指材料不可燃,而是要求其在指定温度的明火下,仍可以保持一定时间的相应强度,其燃烧速度低于制定速度,并且燃烧产物不具毒性。

在最新的高铁动车组“复兴号”的车身结构中,就使用了具备阻燃性的碳纤维复合材料,不仅保证了碳纤维复合材料车身的轻量化要求,阻燃性也保证了车身内乘客的安全,最大化降低火灾的发生以及危害性,提高车身整体安全性。

当碳纤维复合材料在明火以及高温下的安全性可以达到或者接近金属材料的水平,势必会将碳纤维复合材料的应用领域进一步扩大,在一些对轻量化有着迫切需求的领域,受制于温度限制而不能采用碳纤维复合材料,这一顾虑也将被打消,有利于碳纤维复合材料在市场中的应用推广。

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