碳纤维及复合材料的种类、制备和应用

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1、炭材料工艺学小论文杨晨2009000467材研0906碳纤维及复合材料的种类、制备及应用杨晨材研0906（北京化工大学材料学院，100029）摘要：本文主要陈述总结了复合材料及其碳纤维的种类、制备及应用方面的相关知识。关键词：碳纤维；复合材料；种类；制备；应用1.复合材料复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。具有比强度高，比模量高，剪切强度和剪切模量高，高温性能高，耐热性高等特性广泛应用于各个领域。1.1种类复合材料按其性能高低可分为常用复合材料和先进复合材料；根据其用途可分为结构复

2、合材料和功能复合材料；按照复合方式可分为宏观复合材料和微观复合材料。根据不同增强体形式可分为纤维复合材料、颗粒复合材料、片材复合材料和叠层复合材料。还有，可以根据基体材料的不同细分为：聚合物基复合材料、金属基复合材料和无机非金属基复合材料。本文主要以基体材料的细分方式介绍复合材料的制备及其应用。其生产流程见图1.1。图1.1复合材料制品的生产流程图1.2聚合物基复合材料聚合物基复合材料是聚合物或俗称树脂作为基体与粒状、片状、纤维状填充组分作为增强体的复合材料。按基体的不同还可以分成热固性树脂基、热塑性树脂基和橡胶基。4炭材

3、料工艺学小论文杨晨2009000467材研09061.2.1制备其主要制备方法有：预浸料、手糊成型工艺、喷射成型、袋压成型、模压成型、纤维缠绕成型、拉挤成型、熔融流动成型、增强反应注射成型和树脂传递模塑。1.2.2应用聚合物基复合材料在建筑、化学、交通运输、机械电器、电子工业及医疗、国防、航天航空及火箭等领域都有广泛应用。如手糊成型制得的广播卫星抛物面天线、太阳能电池帆板；纤维缠绕成型可制得雷达罩、火箭发动机壳、压力容器；模压成型制得的整体浴室和汽车保险杠等等。1.3金属基复合材料金属基复合材料是以金属、合金和金属间化合物

4、为基体，以无机纤维和金属间化合物等为增强体，通过浸渗、固结工艺制成的复合材料。根据其基体的种类可细分为轻金属基、高熔点金属基和金属间化合物基。1.3.1制备金属基复合材料的主要制备工艺方法有：固相法、液相法和原位复合法。固相法主要有粉末冶金、固态热压法、热等静压法；液态法主要有真空压力浸渍法、挤压铸造法；原位复合法主要包括共晶合金定向凝固、直接金属氧化物法、反应生成法。1.3.2应用金属基复合材料主要可应用于航天、航空、汽车、医疗、体育用品等领域。如航天飞机中段主机身的B/Al关键桁架、臂状支柱；齿轮；高尔夫球杆击球头及各

5、种支架等等。1.4无机非金属基复合材料无机非金属复合材料主要有陶瓷基复合材料、水泥基复合材料和碳基复合材料。1.4.1陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷材料为基体，并以陶瓷、碳纤维和难熔金属的纤维、晶须、晶片和颗粒为增强体，通过适当的复合工艺所构成的复合材料。主要可细分为高温陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料和玻璃陶瓷基复合材料。其制备工艺主要有：粉末冶金法(颗粒）、浆体法（液体法）、热压烧结法、液态浸渍法、直接氧化法、溶胶-凝胶法、化学气相浸渍法（CVI）、先驱体转化和反应熔融浸渗（RMI）等。陶瓷基复合材料可应用于切削工

6、具方面及航空航天领域的研究。如刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强炭化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。4炭材料工艺学小论文杨晨2009000467材研09061.4.2水泥基复合材料水泥基复合材料是胶凝材料，水和粗、细骨料（集料）按适当比例拌和均匀，经浇捣成型后硬化而成。其成型工艺主要包括：直接喷射法、喷射脱水法、预混料浇铸法、抄造法。其制备工艺原理为：聚合物浸渍混凝土是把成型的混凝土的构件通过干燥机抽真空派出混凝土结构空袭中的水分和空气，然后把混凝

7、土构件浸于溶液孔隙中，通过加热或是加射线使得单体在混凝土结构孔隙中聚合形成聚合物。这样聚合物就填充了混凝土的结构孔隙，并改善了混凝土的微观结构，从而使混凝土的使用性能得到了改善。主要可以在地面和道路工程、建筑结构工程、修补工程中大量使用。1.4.3碳基复合材料碳基复合材料是基体为碳的复合材料，主要为C/C复合材料主要分为树脂碳、沥青碳、沉积碳。成型制备加工方法主要有化学气相沉积（CVD）、液态浸渍-炭化工艺。其中CVD法包括等温工艺、压力梯度工艺、温度梯度工艺三种工艺手段。其详细成型方法见图1.2。C/C复合材料可应用于航

8、空航天、一般工业、生物材料领域中。如火箭及导弹所用的烧蚀材料；小汽车中的悬臂、车顶、车轮、发动机盖板、框架和横梁、传动轴和保险杠灯。且由于碳材料有很好的生物相容性，也可在生物材料领域中使用，如人造髋关节等。图1.2C/C复合材料成型制备加工方法2碳纤维2.1种类碳纤维根据原料不同，可以分为聚丙烯腈基碳纤