碳纤维复合材料的发展及应用---丁建队

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1、碳纤维复合材料的发展及应用——邳州高新区招商局丁建队1.1碳纤维材料的历史背景碳纤维材料的发现和使用始于1860年斯旺制作碳丝灯泡,成为发明和使用碳纤维的第一人。之后爱迪生使用竹丝制作碳丝作为灯丝，达到了照明45小时的效果。20世纪90年代中期，美国、日本、英国相继开始展开对碳纤维材料的研究。1972年，日本用碳纤维材料制造鱼竿，美国使用碳纤维材料制造高尔夫球杆，碳纤维材料开始应用于日常生活。1992年,日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维。其后，碳纤维材料趋向于高强度高弹性模量的方向发展。如今，碳纤维材料已经广泛应用于建筑、航空航天以及汽

2、车制造行业。1.2碳纤维材料的特性简介碳纤维材料是由碳元素构成的一种纤维材料，其在微观上呈类似人造石墨的乱层石墨结构。碳纤维材料具有良好的物理化学性质。碳纤维密度小、质量轻，密度为1.5~2g/cm3，它的比重不到钢的四分之一，但抗拉强度是钢的七到九倍，其良好的比强度使得其被广泛应用于航空航天等对重量限制要求苛刻的领域。其化学性质同样良好，具有耐腐蚀，耐疲劳，耐高温和低温，同时其具有良好的导电性，介于金属和非金属之间。除此之外，碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。[1]2碳纤维材料的种类及其发展按碳纤维原丝不

3、同主要可以分为:1.PAN基碳纤维；2.黏胶基碳纤维；3.沥青基碳纤维；4.酚醛基碳纤维。2.1PAN基碳纤维聚丙烯腈(PAN)基碳纤维由聚丙烯腈经纺丝、预氧、碳化几个阶段形成。PAN基碳纤维具有高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点，并具有很强的抗压抗弯性能，一直在增强复合材料中保持着主导地位。目前，PAN基碳纤维仍是碳纤维市场中的主流。PAN基碳纤维应用的主要领域有：航空航天工业，地面交通工具，如汽车、赛车、快速列车等，造船工业、码头和海上设施，体育用品与休闲用品，电子产品，基础设施以及造纸、纺织、医疗器械、化工、

4、冶金、石油、机械工业等领域，要求零部件在高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作。2.2黏胶基碳纤维黏胶基碳纤维是由主要成分为纤维素的粘胶纤维经过脱水、热解然后碳化而得来的。黏胶基碳纤维的三维石墨结构不发达，导热系数小；石墨层间距大，石墨微晶取向度低，因此是理想的耐烧蚀和隔热及热防护材料。同时，黏胶基碳纤维是由天然纤维素木材或棉绒转化而来，与生物的相容性极好，又可作为良好的环保和医用卫生材料。但是，由于生产黏胶基碳纤维的工艺流程较长，工艺条件苛刻，不适宜大批量生产，成本较高；另外，黏胶基碳纤维的整体性能指标比PAN基碳纤维的要差

5、，综合性能价格比在竞争中处于劣势，因此从20世纪60年代以来其生产规模逐渐萎缩，目前产量已不足世界碳纤维产量的l％。2.3沥青基碳纤维沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料，经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成。沥青基碳纤维的生产原料成本低于聚丙烯腈基碳纤维，但由于沥青基碳纤维的生产工艺复杂，反而使其生产成本大大增加。此外，沥青基碳纤维抗压强度比较低，其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纤维，因此其生产规模和应用领域都受到了一定限制。不过，由于沥青基碳纤维具有优良的传热、导电性能和极低的热膨胀系数，因此仍在必须要求这些性能的军工及航天

6、领域发挥着独特作用。2.4酚醛基碳纤维酚醛基碳纤维阻燃性、绝缘性极好；可在松弛条件下碳化，加工工艺简单，碳化时间短且温度低，碳化率高，且手感柔软，但强度和模量较低。酚醛基碳纤维主要用于复写纸原料，耐腐蚀电线，以及用来制造耐热、防化防毒、无尘等特种服装。[2]3碳纤维增强型复合材料碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,做成结构材料。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。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都颇具优势。CFRP是目前最

7、先进的复合材料之一,它以轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料。[3]CFRP的力学性能主要取决于基体的力学性质、碳纤维的表面性状以及纤维与键合界面的性质,而基体的性能及纤维的表面性状直接关系到界面的键合和粘接性能。3.1碳纤维树脂基复合材料及其应用碳纤维增强树脂基复合材料具有一系列的优异性能,主要表现在以下几个方面。（1）具有高的比强度和比模量。CFRP的密度仅为钢材的1/5，钛合金的1/3，比铝合金和玻璃钢（GFRP）还轻，使其比强度（强度/密度）是高强度钢、超硬铝、钛合金的4倍左右，玻璃钢的

8、2倍左右；比模量（模量/密度）是它们的3倍以上。（2）耐疲劳。在静态下，CFRP循环105次、承受90%的极限强度应力时才被破坏，而钢材只能承受极限强度的50%左右。（3）热膨胀系数小。（4）