碳纤维属于什么材料?碳纤维检测有哪些方法?

　　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优异新型材料，被誉为“黑色黄金”。

 

　　碳纤维材料具有优异的理化性能，被称为新材料之王。碳纤维材料强度高、耐高温，同时具有较好的减重效果，一般不是单独使用，而是以复合材料的形式被使用。碳纤维作为复合材料中的增强纤维，用于制造各类终端产品中的复材结构。碳纤维复合材料属于技术密集型产品，生产过程对工艺和装备的要求极高，在从原丝-碳纤维-中间产品-复合材料的各个环节中，每经过一个环节产品的价值量都会成倍的增长。

 

　　从全球市场的下游应用看，2018年碳纤维需求在风电叶片领域应用占比24%，航空航天领域占比23%，汽车领域占比12%，三者总计占比59%。全球范围内碳纤维还被应用于体育、压力容器、建筑补强等领域，表明碳纤维经历了“贵族化”到“平民化”的转变，未来需求将进一步增长。

 

　　根据《2018全球碳纤维复合材料市场报告》，2018年的全球碳纤维需求为9.26万吨，市场价值25.71亿美元，同比增长10%。随着低成本碳纤维技术创新，工业领域需求持续增加，预计全球碳纤维将以10-15%的速度高速增长。

 

　　2018年碳纤维市场需求按销售占比拆分，风电和航空航天领域占比均为23%，在所有应用领域中占比最高，其次为体育用品领域(15%)和汽车应用(12%);但由于航空航天领域所使用碳纤维通常为高端产品，所以按价值占比拆分，航空航天领域占比高达49%，体育用品约为13%，风电领域约为12%。

 

　　我国碳纤维行业目前仍处于初级阶段，掌握高性能碳纤维研发核心技术并能够实现稳定、成本可控的规模化生产的企业较少，绝大多数企业不能满足航空航天等高端产业的规模化应用需求，主要围绕体育休闲等低端领域，面临非常大的国外产品倾销和价格竞争压力，导致国内多数碳纤维厂家仍处在亏损状态。

 

　　目前国内碳纤维行业对外依存度依然较高，2018年进口产品占整个市场销量70%以上。国产产品以低性能碳纤维为主，高性能碳纤维依赖进口。我国碳纤维产业一直存在着“有产能无产量”的严重现象，目前我国生产的碳纤维全部为小丝束，其中12K占比超过90%，1K、3K、6K各有产量。

 

　　随着政府政策的支持、国内碳纤维产业技术水平的不断进步与产业链的完善，近年国内碳纤维厂商逐步打破外商垄断，产品性能和质量提升，行业国产替代空间广阔。

 

　　碳纤维检测有哪些方法?

 

　　红外热波检测方法

 

　　红外热波无损检测的基本原理是对检测材料进行主动加热，利用被检测材料内部热学性质差异以及热传导的不连续性使物体表面温度产生差异，进而在物体表面的局部区域形成温度梯度。温度不同时红外辐射能力也随着发生变化，借助红外热像仪对被测试件进行探测，根据红外热像仪探测的辐射分布来推断被测试件的内部缺陷。

 

　　研究结果表明，红外波检测方法可以清晰地表征碳纤维层压板的纤维走向，还可以确定冲击损伤在试件内部随深度的变化过程。红外热波不仅对冲击损伤的大小具有检测能力，还可以对损伤材料内部冲击点处的扩展损伤模式进行有效的检测。

 

　　综上，红外热波检测技术可以对碳纤维复合材的裂纹、分层等内部缺陷进行无损检测，但是根据红外热波检测的原理可知，检测过程要经过加热、热传导、形成温度梯度，进而产生辐射等多个步骤，因此，在检测过程中需要一定的时间，不能进行快速的扫描检测。

 

　　超声检测方法

 

　　超声检测技术是工业上无损检测的方法之一。超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，接收器可以对反射波进行分析，精确地测出缺陷来，并且能显示出内部缺陷的位置和大小，并可测定材料的厚度等。

 

　　根据缺陷的显示方式及显示内容分类，又可分为A、B、C三种类型，又称为A扫描、B扫描、C扫描。其中以A型显示最为广泛，B型和C型显示是在A型显示的基础上进行的。

 

　　超声C扫描系统是在A型显示的基础上进行的, 目前C型显示不仅能显示缺陷的长度和宽度，而且能用不同颜色来表示埋藏深度和回波幅度.

超声C扫原理图

 

　　水浸超声波C扫描检测系统

 

　　利用超声波的衰减量和传播速度来检测碳纤维复合材料内部的空隙缺陷。利用超声衰减检测方法得到的空隙率检测结果，均包含了对不同半径孔隙和其他缺陷的声学等效意义在内，这种等效与相应材料的力学或强度可靠性等效之间的关系问题，尚有待于深入研究。利用超声声阻抗可以测量碳纤维复合材料的孔隙率，无需测量材料的声速和密度，并且测量结果受孔隙率形貌影响较小，容易实现。利用超声相控阵检测系统，对含有裂纹、夹杂、分层3种缺陷的碳纤维复合材料实验板进行检测研究。结果表明，该方法对碳纤维复合材料的缺陷类型的区分具有较好的效果。

 

　　渗透和层析检测方法

 

　　采用渗透和层析检测碳纤维复合材料缺陷，是利用各组分物理性质的不同，将多组分混合物进行分离及测定的方法。

 

　　渗透检测方法可以检测碳纤维复合材料由于钻孔产生的分层缺陷。但是，渗透检测方法是一种表面无损检测方法，只适用于检测表面开口的缺陷，无法对内部缺陷进行有效检测。

 

　　声发射检测方法

 

　　声发射检测是通过接收和分析材料的声发射信号，评定材料性能和结构完整性的一种无损检测方法。材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起的应变快速释放而产生的应力波现象称为声发射。

 

　　声发射检测技术可以有效地检测出碳纤维复合材料的内部缺陷及损伤类型。但是，对声发射法来说，缺陷所处的位置和方向并不影响声发射的检测效果，即用声发射检测技术无法检测出缺陷的位置。

 

　　微波无损检测方法

 

　　以微波作为信息载体，对各种材料构件和自然现象进行检测和诊断，对物体性能和工艺参数等非电量进行非接触、非污染的快速测量和监控，是一门新兴的综合性技术科学。微波检测的原理是研究微波与物质之间的相互作用，通过微波的物理特性( 如反射、散射、衍射、透射及多普勒效应等) 及被检测材料的电磁特性( 如介电常数和损耗的相对变化) 来测量微波基本参数的变化，以实现对被测材料的性能、缺陷等非电量的检测。

 

　　根据微波检测的原理不同，微波检测可以分为微波穿透法、微波散射法和微波反射法等。微波穿透检测方法是利用微波信号在被测材料中单程传播后，微波信号的变化来表征被测材料内特性，其检测原理如图所示。

 

　　微波散射检测方法是利用介质杆窄波束探头作为传感器发射微波，再用检波器接收信号，确定试样散射特性，以判断材料的内部缺陷。根据被测试样周围的检波器得到的散射数据，通过逆问题求解，重建被测试样的复介电常数分布的图像(强度分布)，从而推断出被测试样的某些重要性质检测原理如图所示。

 

　　微波反射检测方法是利用微波信号在被测材料中双程传播后，微波信号的变化来表征被测材料的内部特性。微波的反射信号不仅携带了被测材料内部的性能特性，还携带了各界面间的结合性能特性，以及金属基体表面的健康状况等特性，分为远场检测和近场检测。

 

　　研究各种铺层方向的碳纤维复合材料的微波反射特性，结果表明，单向纤维铺层的碳纤维复合材料的反射率与纤维方向及层板厚度有关; 交叉铺层的反射率较大，但比金属的反射率小。利用太赫兹成像技术对多种复合材料的内部缺陷进行检测。结果表明，信号的反射脉冲可以表征钢板与陶瓷层间的脱粘缺陷; 太赫兹成像技术可以表征玻璃纤维复合材料内部的缺陷和玻璃纤维的方向、分布等; 微波信号可以表征碳纤维复合材料表面粗糙度和纤维的方向。

 

　　以上就是关于碳纤维材料的介绍，未来碳纤维材料的应用领域非常广泛，碳纤维材料的检测市场也非常巨大，青岛苏试海测检测技术有限公司拥有先进的检测技术和丰富的检测经验，同时也具备碳纤维材料的检测实力，如有需求请咨询0532-89087098。