碳纤维及其复合材料研究进展

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1、碳纤维及其复合材料研究进展(江苏理工学院材料工程学院12110116于小健)摘要：本文在对碳纤维介绍的基础上，简单阐述了碳纤维的结构、特性及分类,并着重介绍了碳纤维复合材料的性质、分类、应用及成型方法，包括•手糊成型,树脂传递模塑，喷射成型，注射成型，纤维缠绕成型及拉挤成型工艺。关键词：碳纤维；复合材料；分类；成型ResearchprogressofcarbonfibercompositematerialAbstract:Basedontheintroductionofcarbonfiber,brieflydiscussesthestructure,characterist

2、icsandclassificationofcarbonfiber,andemphaticallyintroducesthepropertiesofcarbonfibercompositematerials,classification,applicationandmoldingmethod,includinghandlay-upmolding,resintransfermolding,injectionmolding,FormingandpultrusionfiberwindingKeywords:carbonfiber;compositematerial;classif

3、ication;moldingo.序言碳纤维(carbonfiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。碳纤维作为一种高性能纤维，具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。［1］碳纤维既可用作结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用。作为高性能纤维的一

4、种，碳纤维碳材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩冃。1.碳纤维的结构、特性以及分类碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。他的比重不到钢的1/4,比铝还要轻，比强度是铁的20倍。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Z王。它同样具有一般碳素材料的所具有的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料

5、不同的是,其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。[4]碳纤维比重小，因此有很高的比强度。因此，碳纤维可以应用于E机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、GOLF球棒等体育休闲领域・[1]碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺，但无论用哪种材料，碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向。用x•射线和电子显微镜研究发现，真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构，而是属于乱层石墨结构，如图1・1。构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格，由层晶格纽成层平面。在层平面内的碳原了以强的共价键相连，其键长为0.1421nm；在层平面Z间则曲弱的范德华

6、力相连，层间距在0.336〜0.344nm之间；层与层之间碳原子没有规则的固定位置，因而层片边缘参差不齐。处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同。层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的，键能高，反应活性低；处于表面边缘处的碳原子受力不对称，具有不成对电子，活性比较高。⑵Basiccarbonatom图1-1碳纤维结构示意图碳纤维主要具备以下特性：(1)密度小、质量轻，碳纤维的密度为1.5-2g/cm3,这除与原丝结构有关外,主要决定于炭化处理的温度。一般经过髙温(3000°C)石墨化处理，密度可达1.0g/cm3o(2)强度、弹性模量高,其强度比钢大4-

7、5倍，弹性冋复为100%；(1)热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从儿千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂；(2)摩擦系数小，并具有润滑性；(3)导电性好，25°C时高模量碳纤维的比电阻为775Q•cm,高强度碳纤维则为1500Q•cm；(4)耐高温和低温性好，在3000°C非氧化气氛下不熔化、不软化，在液氮温度下依I口很柔软也，不脆化；耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。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。[2]由于原料及其制法不同，碳