碳纤维的应用研究进展_李彩琴.pdf

第39卷第1期2023年2月山西大同大学学报（自然科学版）Journal of Shanxi Datong University(Natural Science Edition)Vol.39 No.1Feb.2023碳纤维的应用研究进展李彩琴，刘荔贞，赵建国（山西大同大学化学与化工学院，山西 大同 037009）摘要：碳纤维是由碳元素组成的一种特殊纤维复合材料。由于碳纤维质软，热力学和电学性能好，可以作为一种优良的吸波材料和增强材料在各个领域广泛应用。本文综述了碳纤维在材料领域、药理和生物医学方面的应用。未来，碳纤维会在更多领域发挥巨大的作用。关键词：碳纤维；炭/炭复合材料；医学中图分类号：TQ342.74文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1674-0874.2023.01.003碳纤维是一种碳含量在95%以上的增强纤维，密度小、比重轻、力学性能优异、耐高温、抗辐射等都是它特有的优异性能。由纳米碳管、纳米碳纤维和类金刚石组成的纳米碳材料已经成为21世纪纳米科技的重要部分。基于碳纤维的吸波性能和潜在的力学性能，故而研制高性能的碳纤维复合材料和作为增强材料改善相界面结合能力等方面已然成为当前研究的热点。将特定序列的RNA修饰到碳纳米管表面，由碳纳米管制成的微型纳米钳等手术工具，超强的力学性能在军事方面具有很好的应用前景。炭/炭复合材料的耐高温等特性被广泛应用于航天航空和生物医学领域，在高温涂层和骨骼替代方面也取得了很高的成就。1 碳纤维在材料中的作用吸波材料是一类降低电磁波干扰的材料，在实际应用中，需要吸波材料不仅具有吸收频带宽的特点，还要具备材料质柔软，耐高温，耐腐蚀，抗氧化等优异特点，而碳纤维恰好具备吸波材料的这些优良性能。电磁波吸收材料通过能量转化的方式减少电磁波干扰，通过其吸波原理，研制出具有优良性能的吸收剂是当前学术研究领域的热点。孟辉1等在碳纤维表面通过化学镀镍的工艺与羰基铁粉共同组成的涂层材料具有更高的吸波性能。电磁污染也是常见的一种污染方向，且越来越受到关注。陶睿2等人采用丝状的碳纤维和球形颗粒状的羰基铁粉混合制备吸波涂层，并检测了不同配比下涂层相关电化学参数和性能。结果显示，含量少的碳纤维粉具有相应的介电损耗，在20%的碳纤维粉中尤为明显，而羰基铁粉是兼具磁损耗和介电损耗两种性能的。最终在检测涂层的吸波性能时，得出：在碳纤维粉含量为25%，羰基铁粉含量在60%，涂层为2 mm厚度环境下制得的涂层吸波性能最好。P.Noorunnisa Khanam3等人研究了不同纤维重量比的无规则取向不饱和聚酯基剑麻/碳纤维增强混杂复合材料的力学性能变化，如拉伸和弯曲性能。他们研究了这些杂化复合材料对各种溶剂，酸和碱的耐化学性测试。还研究了NaOH处理剑麻纤维对这些剑麻/碳杂化复合材料的力学性能和耐化学性能的影响。杂化复合材料的拉伸和弯曲性能随碳纤维负载的增加而强化。并且发现这些杂化材料的拉伸性能和弯曲性能均高于基体。通过碱处理后还可以观察到剑麻/碳杂化复合材料的拉伸性能和弯曲性能。耐化学性测试结果表明，这些未经处理和经碱处理的杂化复合材料对除四氯化碳以外的所有化学品均具有抵抗力。赵建国4等人以碳纤维作为一种增强材料，以中间相沥青为原料，采用CVD流程在碳纤维表面生长了碳纳米管。生成的碳纳米管具有较高的抗弯曲能力和热扩散性能，同时可以增加碳纤维与原料的粘收稿日期：2022-10-13基金项目：山西省高等学校科技创新项目2021L375作者简介：李彩琴（1986-），女，山西吕梁人，硕士，讲师，研究方向：分子模拟，碳材料。E-mail：文章编号：1674-0874（2023）01-0010-032023年结能力，形成了具有更强性能的炭/炭复合材料。山东大学5通过对碳纤维表面生长碳纳米管的进一步研究，利用电化学阳极氧化法改进了碳纤维的表面，从而发现了催化剂颗粒的存在可以影响碳纳米管的外观，并且通过提高CVD的温度，可以减少催化剂对碳纳米管表面的作用力，同时，也可以通过改变CVD的时间，提高碳纳米管的拉伸长度。史占萍6等人利用碳纳米管的生物相容性成功的作为一种载体与细胞接触，增强了对肿瘤细胞的杀噬力，同时也增加了药物的更好吸收，延长了其半衰期。碳纳米管也可以作为一种传感器提高检测的灵敏度，还可以作为一种药物载体，起到减少药物对身体的毒害作用7。2 碳纤维在医学领域的影响碳纤维在医学领域可以用于储存药品，制成人体肌肉组织支架，纳米管探针等分子层面的医药品。此外，加入碳纤维能够使人工骨，人工器官材料更加坚韧，而活性炭材料可以清除人体血液中的病菌等无用部分，且碳纤维布自身的生物相容性好，不易发生粘接或产生有毒色素，能有效防范病毒、细菌等的侵入。碳纤维网还可以用来修补身体某些部位的损坏和创伤8。梅汉尧9等人通过对25例肩关节脱位患者治愈过程追踪发现人工碳纤维治疗手术是一种优良的临床手段，碳纤维使得新组织具有更好的韧性和拉伸感。周重新10将碳纤维应用到中耳手术的听小骨移植或鼓外膜中，可以为耳骨支撑起永久性骨架，且碳纤维一直未被吸收，也并未发生任何炎症，最终能够起到改善人体听力的作用。中国人民解放军第105医院11采用短碳纤维材料用于脑组织修补，在手术后的护理过程中也并未发现严重不良现象和并发症状。姜开宇12等人在RPM-CVI复合成型方法13的基础上，继续采用RPM技术与快速模具相互结合，制成了炭/炭复合材料人工骨预制体。研究出了由CT扫描到提取轮廓到形成矢量化图形再到将计算机辅助设计（CAD）建模曲面重构，直到计算机输出修复骨的STL格式的文件这样的人工骨设计过程。随后，将计算机合成的STL文件输入进快速成型机中便可得到人工骨的快速原型。相对而言，快速模具就有多种不同的制作方法了。颜永年14等人比较了直接快速模具和间接快速模具各自独特的优缺点，像生坯、铸造用模等直接快速模具的制造过程简单，与计算机成型技术关联紧密，但是模具的性能大小等都无法控制合理。像硅胶模、金属冷喷模等间接快速模具可以根据不同的模具需求，进而采用不同的制造工艺。所以目前采用更多的是间接快速模具制造工艺。薛淑霞15等通过分层实体制造（LOM）技术，既可以缩短制造时间，又可以降低制作成本，还可以提高模具使用效率。山东济南某公司16研发了新型低熔点合金、锌合金的快速模具，改变了传统的制造方法，用三维CAD技术完成对不同三维模具实体的制作，更大的满足了对于不同客户的需求。由于石墨烯的生物相容性，使得其作为一种生物骨架在骨修复、肌肉细胞生长等方面取得了很多新突破，汤井沣17等人对石墨烯在软骨修复方面的研究做了总结，并就石墨烯的一些性质及在软骨修复上的作用机理做了相关讨论。目前，许多对于炭/炭复合材料的研究进展已经达到火热状态，在人工骨材料应用上承载了许多优异性质，并逐渐尝试将炭/炭复合材料加入到涂层中，运用于生物临床医学。但基础的理论与实际应用又存在着较大差距，问题依然很棘手，需要在未来不断将理论与实际紧密结合，才能快速在临床研究上得到普及。3 碳纤维在化工方面的应用活性碳纤维比一般吸附剂具有更强的吸附性能。南京理工大学18制备了粘胶基活性碳纤维，并探究了影响炭化收率的因素，其中，活化剂的浓度，种类，活化时间和活化温度是影响物理活化的主要原因。塑造形状及其原料用量是影响化学活化的因素。最后，用制备的活性碳纤维处理生活废气、废水，具有更优异的净化能力。黄韡19将碳纤维与凝胶材料石膏混合成的复合材料弯曲度、强度和抗剥蚀度都显著提高，采用阳极氧化法改变其亲水能力，并探究了影响碳纤维石膏复合材料的影响因素。4 结论与展望现如今在飞机、无人机、战斗机等航天领域碳纤维增强复合材料已经普及，目的是为了增加设备性能。在很多交通工具的制作上，为了增大其坚韧性及抗腐蚀性能，在原料中也掺杂了碳纤维作为增强材料。碳纤维凭借其良好的力学性能能够作为一种增强材料运用在各种材料中。例如炭/炭复合材料的CVD工艺。炭/炭复合材料对于人工骨合成的机理。未来，碳纤维会在更多领域发挥巨大的作用。李彩琴等：碳纤维的应用研究进展11山西大同大学学报(自然科学版)2023年参考文献1 孟辉，王智慧，胡传炘.碳纤维/羰基铁粉复合涂层吸波效果及机理分析 J.材料保护，2006（1）：17-19+82-83.2 陶睿，刘朝辉，班国东，等.碳纤维粉-羰基铁粉复合材料的吸波性能及在涂层中的应用 J.电镀与涂饰，2017，36（22）：1205-1210.3 NOORUNNISA KHANAM P，ABDUL KHALIL H P S，JAWAID M.Sisal/carbon fibre reinforced hybrid composites：tensile，flexural and chemical resistance properties J.Journal of Polymers and The Environment，2010，18：727-733.4 赵建国，郭全贵，刘朗，等.碳纤维表面生长纳米碳管及其增强的炭/炭复合材料 J.材料热处理学报，2010，31（10）：1-4.5 范汶鑫.碳纤维表面生长碳纳米管/碳纳米纤维及其增强复合材料的研究 D.济南：山东大学，2016.6 史占萍，申世刚，岳志莲，等.靶向可控抗肿瘤药物递送体研究进展 J.中国新药杂志，2017，26（4）：410-419.7 冯婷婷，郭建花.纳米材料在生物医学中的应用 J.当代化工研究，2018（2）：159-162.8 马晓红，赵建国，鲍居宇.炭材料在生物医学领域的应用和进展 J.生物骨科材料与临床研究，2009，6（3）：1-5.9 周永顶，梅汉尧，索鹏.应用人工碳纤维治疗肩锁关节脱位 J.中国骨伤，2002，15（6）：335-336.10 周重新.碳纤维在中耳手术的应用 J.临床耳鼻咽喉科杂志，1995，9（4）：211-213.11 姚学娜.应用短碳纤维增强材料施行颅骨修补术的护理 J.护理学杂志，1995，10（4）：208.12 姜开宇，段旭明，王伟，等.基于RPM的炭/炭复合材料人工骨预制体成型技术研究 J.炭素技术，2003（5）：13-17.13 姜开宇，王敏杰，宋满仓，等.碳/碳复合材料人工骨骼 RPM-CVI复合成形技术的初步研究进展 J.中国临床康复，2002，6（22）：3378-3379.14 颜永年，张人佶，单忠德，等.快速模具技术的最新进展及其发展趋势 J.航空制造技术，2002（4）：17-21+30.15 薛淑霞，贾玉玺，吴莉莉，等.基于LOM技术的硅橡胶模具技术研究 J.模具工业，2002（6）：40-43.16 黄来铀，李思宇.低熔点合金、锌合金快速模具技术的最新进展 J.机械工人，2002（11）：61-62.17 汤井沣，张骏，尤奇，刘毅.在软骨修复中应用石墨烯及其衍生物相关复合材料的作用及机制 J.中国组织工程研究，2020，24（04）：619-624.18 孙斌斌.活性碳纤维的制备及吸附有机污染物的研究 D.南京：南京理工大学，2007.19 黄韡.碳纤维增强石膏复合材料的制备及其性能研究 D.武汉：武汉纺织大学，2014.Research Progress of Carbon FibreLI Cai-qin,LIU Li-zhen,ZHAO Jian-guo（School of Chemistry and Chemical Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009）Abstract：Carbon fiber is a kind of special fiber composite material that composed of carbon element.Because carbon fiber issoft and has good thermodynamic and electrical properties,it can be widely used as an excellent absorbing material and reinforcingmaterial in various fields.The applications of carbon fiber in material field,pharmacology and biomedical science are reviewed inthis paper.The future applications and research of carbon fiber in more top fields are also prospected.Key words：carbon fiber;carbon/carbon composites;medical science责任编辑 李世杰12