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1、第37卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.37,No.32008年6月JournalofShanghaiNormalUniversity(NaturalSciences)2008,Jun碳纤维及其复合材料的发展及应用上官倩芡,蔡泖华(上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418)摘要:叙述了碳纤维的结构形态、分类以及在力学、物理、化学方面的性能,介绍了碳纤维增强复合材料的特性,着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择
2、和应用,指出了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势.关键词:碳纤维;复合材料中图分类号:O636文献标识码:A文章编号:10005137(2008)03027505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[1~3]变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能.此外,还具有纤维的柔曲性和可编性.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.因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速.本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领
3、域的应用等内容进行介绍.1碳纤维特性、结构及分类碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000以上的高温下碳化形成,且含碳量在90%以3上的高性能纤维材料.碳纤维主要具备以下特性:密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5~2g/cm,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复为100%;热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂;摩擦系数小,并具有润滑性;导电性好,25时高模量碳纤
4、维的比电阻为775/cm,高强度碳纤维则为1500/cm;耐高温和低温性好,在3000非氧化气氛下不熔化、不软化,在液氮温度[4~7]下依旧很柔软,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.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、电子衍射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[8]构,而是属于乱层石
5、墨结构,如图1所示.构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面.在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为0.1421nm;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360~0.3440nm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,活性收稿日期:2008010
6、4基金项目:上海市教委科研基金项目(06DZ034).作者简介:上官倩芡(1974-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.276上海师范大学学报(自然科学版)2008年比较高.因此,碳纤维的表面活性与处于边缘[9]位置的碳原子数目有关.碳纤维形成过程中,其表面会形成各种微小的缺陷.这是由于原丝在碳化过程中,大量的元素以及各种气体(如CO2,CO,H2O,NH3,H2,N2)的形成逸出,使纤维表面和内部形成空穴和缺陷.特
7、别是某一阶段放出气体过于剧烈时,纤维表面和内部生产的空穴和缺陷更为严重.这些空穴和缺陷的存在,将对碳纤维的强度产生很大影响.碳纤维在受力时,应力-应变曲线是线性关系,纤维断裂是突然发生的.绝大多数纤维断裂是发生在有缺陷或裂纹[10]的地方.由于原料及制法不同,所得碳纤维的性能图1碳纤维结构示意图也不一样.一般来讲,碳纤维可从以下两个方[11~13]面进行分类:(1)根据碳纤维的力学性能可分为高模量,超高模量,高强度和超高强度4种;(2)根据原丝的类型可分为聚丙烯腈基碳纤维、纤维素基碳纤维、沥青
8、基碳纤维、酚醛基碳纤维等.1.1聚丙烯腈基碳纤维聚丙烯腈(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、冶金、石油、机械
