提问

#楼主# 2017-7-22

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什么是碳纤维(来自百度百科):
    碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征,碳纤维是一种的力学性能优异的新材料。碳纤维拉伸强度约为27GPa,拉伸模量约为200700GPa。密度约为1.52.0克每立方厘米,这除与原丝结构有关外,主要决定于炭化处理的温度。一般经过高温3000石墨化处理,密度可达2.0克每立方厘。再加上它的重量很轻,它的比重比铝还要轻,不到钢的1/4,比强度是铁的20倍。碳纤维的热膨胀系数与其它纤维不同,它有各向异性的特点。碳纤维的比热容一般为7.12。热导率随温度升高而下降平行于纤维方向是负值(0.720.90),而垂直于纤维方向是正值(3222)。碳纤维的比电阻与纤维的类型有关,在25时,高模量为775,高强度碳纤维为每厘米1500。这使得碳纤维在所有高性能纤维中具有最高的比强度和比模量。同钛、钢、铝等金属材料相比,碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点,可以称为新材料之王。
    碳纤维除了具有一般碳素材料的特性外,碳纤维编织布 其外形有显著的各向异性柔软,可加工成各种织物,又由于比重小, 沿纤维轴方向表现出很高的强度,碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。[sup][11][/sup] 碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500兆帕以上,是钢的79倍,抗拉弹性模量230430G帕亦高于钢;因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000兆帕以上,而A3钢的比强度仅为59兆帕左右,其比模量也比钢高。与传统的玻璃纤维相比,杨氏模量(指表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量)是玻璃纤维的3倍多;与凯芙拉纤维相比,不仅杨氏模量是其的2倍左右。碳纤维环氧树脂层压板的试验表明,随着孔隙率的增加,强度和模量均下降。孔隙率对层间剪切强度、弯曲强度、弯曲模量的影响非常大;拉伸强度随着孔隙率的增加下降的相对慢一些;拉伸模量受孔隙率影响较小。




制造碳纤维复合材料常用的工艺:
      很多人都没有见过碳纤维,很可能以为可能和钢板一样,是一整块。其实则不然,碳纤维和我们衣服的纤维差不多,都是一根根的细线。
碳纤维丝.jpg
       我们常看见碳纤维有一些漂亮的纹理,实际上这是和衣服差不多的布料,由无数的细丝编制而成。
碳布.jpg
      既然碳纤维都是软得和布一样,为什么我们还会说碳纤维强度大呢?
      其实这是混淆了刚度和强度这两个概念。刚度是抗变形的程度,也就是被掰弯的难易程度。强度是指抗断裂的程度,也就是会不会被扯断的程度。
      有的东西需要的是强度,比如压力容器。有的需要刚度,比如机床。
      作为防弹衣的凯夫拉纤维,穿在身上也很舒♂服,但是子弹却无法将它扯断,从而保护人的安全。假如这件背心是凯夫拉纤维做的,我想完成这个动作难度就会大很多。
4bc613b4a24259a430add11c.gif
        既然碳纤维就和布差不多,为什么做出的东西都是硬的?
        其实我们之前对碳纤维的叫法是错误的,我们说的碳纤维其实是指碳纤维增强塑料,类似的材料还有玻璃钢(也就是把碳纤维换成玻璃纤维)。其中刚度部分是由塑料提供(比如环氧树脂这类粘合剂),强度由纤维提供,各种性能相互弥补。虽说是弥补,实际上的两边都不如,主要性能更偏向于强度,所以在需要极高刚度的场合通常都看不到纤维增强塑料。
        碳纤维增强塑料制作方法如下,看了后大概会明白的。http://www.bilibili.com/video/av ... 6955274514779762155


1.      缠绕
      碳纤维本来就是丝,所以可以像裹毛线球一样,把丝一圈圈缠上,这样可以根据所需强度的不同分配缠丝的量,比如细的地方就比粗的地方需要的丝更少。这种工艺很容易获得最大的强度。当然这种工艺也不适合爱好者,因为太麻烦(想想TC的次级线圈就够蛋疼了,这玩意还麻烦得多)。
缠绕1.jpg
缠绕2.jpg
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.jpg
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image009.jpg



2.      包裹
       这种工艺就是像卫生纸一样,把碳纤维布像卫生纸卷一层一层得裹在一起。这种工艺虽然强度会有一些下降(其实影响并不到,因为碳纤维的重量相比于喷管还是很轻的)。这种工艺难度不算大,适合于爱好者使用。

3.      强度计算
        通过观察就可以发现,碳布实际上是几个不同方向构成的,也就是这样横竖两个方向
        只竖着的可以承受壳体的拉力(其实横着也不是不受力,那个主要负责喷管和堵头)。所以在计算壳体耐压的时候只需要算竖着的部分。因为纤维增强塑料并不是全部都是纤维,其中粘合剂占的体积也不小,为了保险起见,我计算时填入的强度是碳纤维抗拉强度的1/3,卖家给出的碳纤维3000MPa,我填入的是1000MPa。
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image011.jpg
碳布细节.jpg
6061抗拉强度300MPa,密度2.7,比强度111。
45钢抗拉强度600MPa,密度7.8,比强度77
40cr抗拉强度1000MPa,密度7.8,比强度128(这材料看起来很不错,但是买不到啊,反正我买的全是假货)。
碳纤维增强塑料抗拉强度1000MPa,密度1.5,比强度667。

包裹的层数
       因为碳纤维是一层一层包裹的,所以我通常都会使用两层以上的数量。因为使用一层的时候,需要加入应该很小第二次用于与第一层粘在一起,这个地方往往是最脆弱的地方,而且就算加入了第二次(站阶层在第三层),多消耗的碳布也不会多太多。
一层.JPG
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image013.jpg
     根据卖家给的数据,碳纤维布厚度为0.3mm,那么两层就是0.6mm。别看这个厚度很低,其实强度完全足够了。以市面上容易购买的55mm外径,50mm内径的薄壁铝合金管为例,我们做一个强度对比。
     铝合金耐压28MPa,重量为11.1g/cm。
     碳纤维耐压24MPa,重量为1.4g/cm



       通过对比我们可以发现,两者耐压能力差不多,但是铝合金重了很多。
如果使用高强度的40cr来做,这个数据会更高吗?
       其实使用40cr比铝合金还要重,因为无法加工得如此薄(和40cr强度相当的碳纤维壁厚仅仅0.6mm),对于50mm的直径,加工到1.5mm已经接近极限了(如果不相信,自己加工厂问问,我保证大部分不敢这样加工)。
40cr耐压58MPa,重量19g/cm   
       一个火箭发动机正常工作的压力通常也就4-10MPa,使用58MPa的壳体完全是浪费,还不如降低一点强度,使用重量更轻的铝合金。   


发动机的制造:

1.      发动机的结构
结构图2.jpg
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image015.jpg
碳纤维虽然抗拉强度很高,但是实际上对剪切力来说还是没办法的,毕竟裁剪碳纤维布都是使用剪刀,所以使用螺丝等方法固定喷管是堵头难度大(当然厚壁的也没问题)。因此我采用了折叠的方式固定,也就是把多余的碳纤维弯曲到里面(这个不好解释,直接看图)。
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image017.jpg
IMG_20170722_023427R.jpg
   2.粘接药柱与喷管
   为了方便包裹碳纤维,同时也是为了防止燃气烧到壳体,需要先把喷管药柱和堵头使用环氧树脂粘在一起。如果工作时间较长的还可以在药柱外部贴上高硅氧隔热胶布。
粘好的药柱与堵头喷管.jpg
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image019.jpg

  
3.剪出尺寸合适的碳纤维布
在裁剪的过程中有一个小技巧,那就是要先用纸胶带粘一下需要裁剪的地方。不然剪出来的地方会出现碳纤维丝分离,对后面的制作很不方便。
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image021.jpg
   碳纤维布.jpg
1500662484162.jpg   
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image023.jpg
4.      包裹与刷环氧树脂
     1. 此过程需要戴一次性手套,就是吃华莱士手扒鸡用的那种,不然手上弄有环氧树脂很恶心的。
     2. 为了方便后面的包裹建议先用胶带把碳纤维布和药柱粘在一起,这时候还可以适当使用一些快干强力胶比如502,因为在浸泡了环氧树脂之后,胶带的粘力会大幅下降。
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image025.jpg
    胶带固定.JPG
      3. 使用一次性杯子(纸和塑料均可),越便宜越好毕竟是一次性的东西,混合少量的环氧树脂,因为这个发动机很小,所需的环氧树脂非常少,多了也是浪费。还不如把这部分环氧树脂用作第二次刷。

     4. 使用刷子蘸取环氧树脂涂在所需粘接的碳纤维下面,这个量要少次数多,这样比较均匀。关于刷子买小的就行,反正发动机也不大,最关键是刷子是一次性的东西,越便宜越好。在刷环氧树脂的过程中最好保证碳纤维布两边不要沾上太多,因为固定喷管和堵头需要将其弯曲。这里有一个注意事项,就是包裹的过程一定要轻,包好了一部分要用手拍一拍压一压,保证压实,千万不能拧,否则之前固定的胶布会脱落,结果是啥你们自己感受。
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image027.jpg

刷子.JPG


5.对喷管处进行加固
     关于喷管的加固其实有两种办法,第一种是先给碳纤维刷上环氧树脂(其实不是刷了,一次一个刷子太贵,我是直接用纸杯倒上去,然后用手涂抹均匀,反正戴了手套也不怕),然后使用一块板子压住,之后将其竖直放置压上重物,等待环氧树脂凝固。
喷管堵头固定1.jpg
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image029.jpg
      还有一种办法就是直接浇筑,这样简单一些,不过发动机会稍微重一点点。先用胶带把口子缠绕一下,因为胶带有弹性会自然呈现出一个圆台状,这时候把环氧树脂倒进这个圆台内就行了。相比于之前的方案要简单一点。这里有一个注意事项,就是下方的胶带一定要多缠几层,因为接触了环氧树脂的胶带粘力下降很多。
喷管堵头固定2.jpg
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image031.jpg
虽然照片里面看起来有花瓣状,其实在里面有碳纤维支撑的情况下是不会出现的。
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image033.jpg
1500662191245.jpg

6.再次刷环氧树脂
   当第一次环氧树脂凝固之后,我们还得刷第二层,毕竟第一层真的很薄,不能保证完全粘住碳纤维布,甚至横竖碳纤维丝之间还会有缝隙,造成漏气。此步骤会再消耗一个刷子。
   在刷完之后,最好使用保鲜膜包裹一下,因为在保鲜膜的包裹下表面会更平整。

7.抛光
因为表面的环氧树脂凝固之后并不是很光滑的,看起来很难看,需要抛光。当然如果不在乎外貌的这一步就可以省去。


做好后发动机的数据:

       此发动机是固液混合型(没硝酸钾了,没法做固体火箭),固体燃料为聚丙烯,密度为0.9,质量为347g。
重量.jpg
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image035.jpg
      整个发动机总重量仅仅只有446g,此时燃料的质量比达到了惊人的77.8%。
      其实77.8%的质量比并不高,因为聚丙烯的密度仅仅只有0.9,如果推进剂为RNX,APER这一类密度1.5左右的推进剂,质量比可以达到85.3%。如果是APCP这类含有大量铝粉使得密度达到了1.8的推进剂,此时质量比达到了惊人的87.4%。航天飞机的助推器质量比也就90%而已(毕竟那玩意还加入了矢量喷管和降落回收系统,质量比低也正常)。
     不过实际上固体火箭的质量比还是会略低一点,毕竟推进剂的燃烧速度快,必须得考虑侵蚀燃烧的现象,这样使得药住的中空部分要大一些。
      当然我这个发动机也不是最优设计,其中发动机干重99g,其中碳纤维壳体仅仅只有39g,还不到一半,喷管和堵头才是最重的部分。因为为了降低成本,使用简化工艺,并没有对喷管进行削薄处理,如果进行了削薄,这两个的重量减半也是可以的。
喷管.JPG
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image037.jpg






发动机测试:
工作状况良好,我担心的堵头处强度不够的现象并没有出现。壳体强度也足够,并没有炸,看来碳纤维的强度还是足够的。火焰亮度实在是太大了,没有滤光片果然拍不下马赫环。
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image039.jpg
bitmap_sharing_0.png




成本:
       很多人可能会担心使用碳纤维发动机会不会价格过高,其实和某些的报道相反,其成本低于之前金属发动机的方案,非常适合于爱好者的推广。
          1.碳纤维布价格:120元/m2(240g),这台发动机使用了0.09m2(还有一些边角料不能用,大致消耗了0.1m2),碳布价格为12元。碳布的价格甚至低于使用铝合金。
          2.喷管堵头价格:酚醛树脂35元/kg,喷管堵头使用了200g,费用7元。加工费为34元,一共41元。
          3.环氧树脂价格:50元/kg,这次使用了50g(因为涂了很多次,大部分都是浪费了),大概2.5元。
          4.耗材:刷子两把1.6元,保鲜膜+手套+纸杯也就几毛钱,这些耗材加起来算2元吧。
          总价:57.5元,其中加工费超过了一半,达到了34元,如果自己有条件加工,这部分钱就可以省下来,总价为23.5元。成本价和之前公开的《低成本金属火箭发动机方案》(链接如下:https://bbs.makertime.org/read-606)价格相当,但是质量比相比之前不知道高到哪里去了。非常适合于爱好者的推广。


性能优势:
       这里我们可以做一个计算,使用50mm碳纤维发动机与金属发动机用于发射一个500g的载荷(发动机工作完毕后便抛弃,因为发动机很重,回收伞占的体积实在是太大了),所需发动机大小的对比。
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image041.jpg
对比数据.JPG
对比图像.JPG
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image043.jpg


       通过图像大致可以看出,相同的飞行高度,金属发动机的体积差不多是碳纤维发动机的1.5倍。当然这样的结果还是假设发动机直径相同的情况,实际上限制一枚火箭截面积的往往是长径比,长径比过大就很容易断,所以在实际设计中,发动机变长后为了保证强度,也会加粗,这样空气阻力会增大,飞行高度会下降。
file:///C:/Users/JUDEMA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image045.jpg
对比图像1.5倍.JPG





缺点:
其实缺点也不算太多了,大概也就这几个。
1.      脏,比较要大量接触环氧树脂,弄不好就会弄在身上和地上,非常难以打扫。
2.      费时间,因为过程中需要等好几次环氧树脂的凝固,基本上准备一台发动机就需要一天的时间。
3.      不便于与上面的舱室对接,不过这个问题还是可以解决的。比如加一个这样的转接头,直接使用环氧树脂粘接就行,顺便还能当成压堵头处碳纤维的板子。
连接器.jpg
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朗基努斯枪 发表于 2019-1-17 17:02:41
这是窜天猴吗?碳纤维豪华版?dio..dio...dio
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猎鹰 发表于 2019-1-15 23:42:17
这么好的帖子,居然没人顶起来~~~
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陈科帝 发表于 2017-7-22 12:33:38
成本居然这么低。简直太棒。
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莫斯科的 发表于 2017-7-22 20:28:33
刷环氧树脂之前将环氧树脂提前预热可以大大缩短固化时间
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猎鹰 发表于 2017-7-22 21:12:50
[quote=莫斯科的黄斯基,6185]刷环氧树脂之前将环氧树脂提前预热可以大大缩短固化时间[/quote] 千万不能加热,在夏天的气温之下,就算正常混合后在刷的过程中就会开始固化(刷的过程中可以明显感觉到固化发热)。制作一台发动机以下步骤需要使用环氧树脂:1.粘喷管、药柱、堵头。2.刷环氧固定碳纤维布。3.粘喷管。4.粘堵头。5.表面再刷环氧树脂。每一次要保证完全固化需要一个小时。加起来差不多五小时。在固化过程中加热确实可以缩短时间,但是不可能一直在那里加热,太浪费时间。如果使用恒温箱很方便,但是有这个的人非常少。
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KFWJ 发表于 2017-7-22 23:22:40
洼   终于看到有朋友继续折腾碳纤维发动机了,想当年俺在裤衩论坛做了发布了一些  碳纤维发动机初次作品,。后来 后来.......被禽用良等一伙人把我批斗一番 “理由是搞江湖科学拉帮结派……” 。不说了说多了都是泪。衷心的祝愿MT越办越好。能真正的 研讨真正的科技爱好。本人现在只剩下钓鱼的爱好了,有喜欢钓鱼的朋友欢迎私信我。
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KFWJ 发表于 2017-7-23 00:01:12
[quote=猎鹰,6186]千万不能加热,在夏天的气温之下,就算正常混合后在刷的过程中就会开始固化(刷的过程中可以明显感觉到固化发热)。制作一台发动机以下步骤需要使用环氧树脂:1.粘喷管、药柱、堵头。2.刷环氧固定碳纤维布。3.粘喷管。4.粘堵头。5.表面再刷环氧树脂...[/quote]
有个细节很重要。就是堵头和喷嘴两端收口的地方一定要做成圆弧 增加碳纤维的抗剪切力。
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最后之作 发表于 2017-7-23 03:01:52
为什么自制的碳纤维管如此之薄都能正常工作,我买的2.5mm壁厚的碳管却炸机了,,,,,,
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猎鹰 发表于 2017-7-23 17:33:00
[quote=最后之作,6189]为什么自制的碳纤维管如此之薄都能正常工作,我买的2.5mm壁厚的碳管却炸机了,,,,,,[/quote] 首先我的压力很低(2MPa),还有就是你的碳纤维是哪里出现的断裂,如果是壳体,那么你肯定买了劣质产品,如果是堵头喷管处因剪切而断裂那就是结构设计的问题了,因为碳纤维几乎梅姨抗剪切的能力,0.6mm的碳纤维使用剪刀都可以轻易剪开。
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