碳纤维树脂基复合材料发展现状及前景展望

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1、第27卷第3期航天器环境工程2010年6月SPACECRAFTENⅥRONN住洛『TENGniEERING269碳纤维树脂基复合材料发展现状及前景展望唐见茂(中国材料研究学会，北京100048)摘要：文章较系统地介绍了碳纤维树脂基复合材料的优异性能、产业背景，新技术国际发展趋势、我国产业化发展现状及存在的主要问题，并有针对性地提出对策和建议，可供从事复合材料研究开发的相关人员、产业界人士及有关政府管理部门参考。关键词：先进复合材料；新技术；发展趋势；产业化中图分类号：THll7文献标识码：A文章编号：1673-1379(2010)03-0269-12DoI：10．

2、3969巧．issn．1673-1379．2010．03．0010前言复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料(constituentmaterials)，它们可以是金属、陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的

3、主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维【l引。碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8Ixm内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝(称之为前驱体)、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、氧等元素得以排出，成为一种接近纯碳的材料，含碳量一般都在90％以上，而本身质量却大为减轻；由于碳化过程中对纤维进行

4、了沿轴向的预拉伸处理，使得分子沿轴向进行取向排列，因而碳纤维轴向拉伸强度大大提高，成为一种轻质、高强度、高模量、化学性能稳定的高性能纤维材料【2】。用碳纤维和高性能的树脂基体复合而成的先进树脂基复合材料是目前用得最多，也是最重要的一种结构复合材料。此外，用天然纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维作增强体的树脂基复合材料也在快速发展。表1列出了多种碳纤维复合材料(CFI冲)和金属材料的性能。表1多种碳纤维复合材料和金属材料的性能密度P弹性模量五抗拉强度O-比模量(E／p)比强度(o／p)最高使用温度材料／(g．cml3)，GPa／N妒a／[GPa／(g．cra3)】／[GPa

5、／(g-era'3)]／*C钢SAEl010(冷轧)7．8720736526．300．05500～650钢AJSl4340(调质)7．87207172226．300-22500～650铝6061．T62．7068．931025．52O．11150～250高强度碳纤维．1．55137．8155088．901．0080～215环氧基(单向)高模量碳纤维．1．632151240131．90O．7680～215环氧基(单向)收稿日期：2010。02．26；修回日期：2010．04．15作者简介：唐见茂(1944一)，男，教授级高级工程师，中国材料研究学会i攻府_T-作咨询

6、服务部咨询专家，主要从事国家高技术新材料发展动态及产业化咨询，新材料重点发展领域规划研究。E-mail：chunron90625@sina．com。航天器环境工程第27卷续表1密度P弹性模量E抗拉强度盯比模量(E／p)比强度(0，_功最高使用温度材料／(g．cm‘3)／GPa／Ⅳ【Pa／[GPa／(g．cm‘3)】／[GPa／(g．cm一3)】／oC玄武岩纤维．1．9070l00036．84O．5380～215环氧基(单向)E玻璃纤维．环氧基(单向)1．8539．396521．24O．5280～215芳纶49纤维．环氧基(单向)1．3875．8l37854．931

7、．oo80～215碳纤维．环氧基(准各向同性)1．5545．557929．35O．3780～215薄板成型(SMC)复合材料(各向同性)1．8715．8l“8．45O．0980～215碳纤维复合材料与金属材料或其他工程材料相比，具有以下许多优良的性能：1)比强度和比模量高由表1可看出高强度碳纤维．环氧基复合材料(单向)的比强度是钢SAEl010(冷轧)的近20倍，是铝6061-T6的近10倍；其比模量则超过这些钢和铝材的3倍。这些特性使CFRP材料的利用效率大为提高，实际证明用CFRP代替钢或铝可减轻重量达20％～40％，因而在许多工业领域特别是在航空航天领域得到

8、广泛的应用