碳纖維復(fù)合材料相對(duì)金屬和塑料來(lái)說(shuō)，是一個(gè)稍顯冷門的類別，我們對(duì)它的認(rèn)知更多的停留在輕量化和高性能上面，其實(shí)它在現(xiàn)代社會(huì)的應(yīng)用已經(jīng)超過(guò)50年了。碳纖維復(fù)合材料本身并不是唯一的，可以根據(jù)碳纖維品類和基體類型而進(jìn)行劃分。碳纖維復(fù)合材料中，碳纖維作為增強(qiáng)體，可以賦予復(fù)合材料在機(jī)械性能上的多項(xiàng)能力，而纖維含量的占比同樣不是唯一的。智上新材料就來(lái)介紹一下，在碳纖維復(fù)合材料中，纖維含量占比變化時(shí)會(huì)如何影響最終性能。
　　
 
　　碳纖維復(fù)合材料的物理基本構(gòu)成
　　
　　1、碳纖維：碳纖維作為增強(qiáng)體，本身是以晶體結(jié)構(gòu)排列的碳原子束，這種排列的結(jié)構(gòu)賦予了高強(qiáng)度和剛度，表現(xiàn)出出色的抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度，同時(shí)具備一定的耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等特殊性能。
　　
　　2、樹(shù)脂基體：樹(shù)脂基體充分浸潤(rùn)碳纖維，可以與之粘合在一起，保護(hù)碳纖維免受損傷，有助于在復(fù)合材料上分散應(yīng)力，保護(hù)的同時(shí)也獲得了相應(yīng)的性能。樹(shù)脂基體分為熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂兩大類，目前熱固性樹(shù)脂更易制備，而熱塑性樹(shù)脂性能上限更高，且可重塑加工。
　　
　　3、添加劑和填料：為碳纖維復(fù)合材料增加特定的性能，如阻燃性、紫外線防護(hù)或熱穩(wěn)定性等，并不是必須的部分。
　　
 
　　纖維含量占比發(fā)生變化時(shí)，碳纖維復(fù)合材料性能會(huì)發(fā)生什么改變？
　　
　　纖維含量占比直接關(guān)乎復(fù)合材料的最終性能，因此不同的行業(yè)會(huì)選擇不同纖維含量的碳纖維復(fù)合材料。高纖維含量（按體積計(jì)算的60~70%）適用于航空航天等高端行業(yè)，中纖維含量（按體積計(jì)算的40~50%）適用于體育用品，低纖維含量（按體積計(jì)算的40%以下或更低）適用于非承力的結(jié)構(gòu)部件。而纖維含量發(fā)生變化時(shí)，對(duì)碳纖維復(fù)合材料的性能影響可以從以下多個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。
　　
　　1、機(jī)械性能：高纖維含量具有更高的拉伸、壓縮和彎曲強(qiáng)度以及剛度，具備更好的強(qiáng)度重量比，但自身會(huì)變脆，抗沖擊性能下降；低纖維含量的各項(xiàng)強(qiáng)度和剛度明顯更低，但樹(shù)脂基體增多后，復(fù)合材料的總體韌性會(huì)提高，吸能效果更好。
　　
　　2、熱性能：高纖維含量具有更好的導(dǎo)熱性，從而增強(qiáng)了復(fù)合材料的聚熱散熱能力，同時(shí)減少熱膨脹問(wèn)題，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；低纖維含量使得復(fù)合材料具有不錯(cuò)的隔熱性，但高溫環(huán)境下更容易發(fā)生膨脹。
　　
　　3、耐用性：高纖維含量的碳纖維復(fù)合材料的浸潤(rùn)難度更大，如果浸潤(rùn)不充分，復(fù)合材料成型后更容易分層和開(kāi)裂，自身脆性較高，在強(qiáng)沖擊作用下會(huì)容易發(fā)生脆性損壞；低纖維含量則相反，浸潤(rùn)難度低，充分浸潤(rùn)下延展性更高，可以更好的抵抗分層和開(kāi)裂，生產(chǎn)加工復(fù)合材料制品時(shí)容錯(cuò)度更高，難度有所降低。
　　
 
　　纖維含量占比發(fā)生變化時(shí)，是否影響碳纖維復(fù)合材料的制備？
　　
　　纖維含量占比發(fā)生變化會(huì)直接影響碳纖維復(fù)合材料的制備，和后續(xù)碳纖維復(fù)合材料制品的生產(chǎn)加工，在實(shí)際制備中，樹(shù)脂的浸潤(rùn)、復(fù)合材料的固化成型，以及整體的結(jié)構(gòu)和性能都會(huì)受到影響。
　　
　　1、樹(shù)脂浸漬：高纖維含量會(huì)使得樹(shù)脂想要充分浸潤(rùn)緊密堆積的碳纖維難度大幅提升，浸潤(rùn)不充分會(huì)出現(xiàn)空隙和干點(diǎn)，需要改善浸潤(rùn)的方式，如使用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑 (VARTM) 或預(yù)浸漬等技術(shù)。整體制備難度大幅提升，時(shí)間和成本也隨著增加。低纖維含量的考量想對(duì)較少，浸潤(rùn)難度低，降低了空隙的可能性，制造流程更簡(jiǎn)單快捷。
　　
　　2、預(yù)浸料鋪層：高纖維含量在制備時(shí)需要精確放置和對(duì)齊纖維以確保結(jié)構(gòu)完整性，制備時(shí)需要多層織物或單向?qū)樱黾恿瞬僮鞯膹?fù)雜性，對(duì)鋪層環(huán)節(jié)的技術(shù)要求更高，一旦操作失誤，需要重新來(lái)過(guò)。低纖維含量的鋪層則相對(duì)容易不少，纖維方向不需求精確對(duì)齊，鋪層更容易完成。
　　
 
　　3、固化成型：高纖維含量的碳纖維復(fù)合材料在加溫加壓固化成型環(huán)節(jié)，因?yàn)楸旧淼臉?shù)脂較少，所以均勻分布的難度更大，固化時(shí)樹(shù)脂出現(xiàn)流動(dòng)，更容易出現(xiàn)薄弱點(diǎn)，同時(shí)溫度、壓力和固化時(shí)間的把控要求更高，一旦出現(xiàn)失誤，制備的碳纖維復(fù)合材料制品在性能會(huì)出現(xiàn)較大的缺陷。低纖維含量則由于樹(shù)脂流動(dòng)和分布更容易，固化過(guò)程更簡(jiǎn)單，同時(shí)降低了固化過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力集中的問(wèn)題，出現(xiàn)缺陷的風(fēng)險(xiǎn)大幅下降。
　　
　　4、設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)：高纖維含量通常需要更專業(yè)的設(shè)備，如用于預(yù)浸料固化的高壓釜或用于樹(shù)脂注射的高壓系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)要求更高，增加了制備過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題的可能性。低纖維含量的碳纖維復(fù)合材料使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備即可完成，同時(shí)技術(shù)人員對(duì)壓力和溫度的控制不用過(guò)于精確。
　　
　　5、材料和成本：高纖維含量占比的碳纖維復(fù)合材料，碳纖維部分價(jià)格較高，自然整體成本更高，另外專業(yè)設(shè)備、更有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員等都會(huì)堆高成本，而任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失誤都會(huì)額外增加生產(chǎn)成本。低纖維含量占比的碳纖維復(fù)合材料在這方面自然會(huì)低一些。不過(guò)前者造價(jià)高，售價(jià)自然也比較高。
　　
 
　　智上新材料來(lái)做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)，即纖維含量占比的不同，會(huì)不同程度的影響碳纖維復(fù)合材料的各項(xiàng)性能，同時(shí)對(duì)其制備和生產(chǎn)產(chǎn)生一定程度的影響。不同行業(yè)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的性能需求各異，纖維含量占比的高低需根據(jù)實(shí)際需求而擬定。