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碳纤维复合材料

概况
在复合材料中，按其结构特点分为：①纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。

下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料
碳纤维是一种含碳量高于 90%的无机高分子纤维 其中含碳量高于 99%的称石墨纤维 碳纤维的轴向强度和模量高, 无蠕变, 耐疲劳性好, 比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小,耐腐蚀性好,纤维的密度低, X射线透过性好 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 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

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1 000 以上的高温下碳化形成, 且含碳量在 90%以上的高性能纤维材料 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~ 2 g/3cm ,相当于钢密度的 1/4 铝合金密度的 1/2; ( 2)强度 弹性模量高,其强度比钢大 4~ 5倍,弹性回复
为 100% ; ( 3) 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; ( 4) 摩擦系数小, 并具有润滑性; (5) 导电性好, 25 时高模量碳纤维的比电阻为 775 cm, 高强度碳纤维则为 1 500 cm;( 6) 耐高温和低温性好,在 3 000 非氧化气氛下不熔化 不软化, 在液氮温度下依旧很柔软, 也不脆化; (7) 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构,而是属于乱层石墨结构 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. 142 1 nm; 在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在 0. 336~ 0. 344 nm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, 由于原料及其制法不同, 碳纤维可以从以下两个方面进行分类:
( 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4种。
( 2) 根据原丝的类型可分为聚丙烯晴基碳纤维 纤维素基碳纤维 沥青基碳纤维 酚醛基碳纤维等。碳纤维是 20世纪 50年代初应火箭 宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的,现在还广泛应用于体育器械 纺织 化机械及医学领域 随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻, 促使科技工作者不断努力提高 世纪 80年代初期,高性能及超高性能的碳纤维相继出现,这在技术上是又一次飞跃,同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。

优势
碳纤维是一种力学性能优异的新材料
1、高强度, 碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢
2、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)
3、出色的抗热冲击性
4、热容量小（节能）
5、比重小（不到钢的1/4）
6、优秀的抗腐蚀与辐射性能
7、比强度即材料的强度与其密度之比也高于普通钢

用途
碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。在密度、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。
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用。
碳纤维增强的复合材料可用作电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料。
　　由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。　　

下面介绍一下碳纤维增强复合材料

碳纤维增强复合材料
尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能,然而,它属于脆性材料,只有将它与基体材料牢固地结合在一起时,才能利用其优异的力学性能,使之更好地承载负荷 因此,碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料 根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果 碳纤维可用来增强树脂 碳 金属及各种无机陶瓷, 而目前使用得最多 最广泛的是树脂基复合材料

碳纤维增强陶瓷基复合材料陶瓷具有优异的耐蚀性 耐磨性 耐高温性和化学稳定性,广泛应用于工业和民用产品 它的弱点是对裂纹 气孔和夹杂物等细微的缺陷很敏感 用碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性, 改变陶瓷的脆性断裂形态,同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播 扩展 目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料,因其具有优良的高温力学性能,在高温下服役不需要额外的隔热措施,因而在航空发动机 可重复使用航天飞行器等领域具有广泛应用

碳 /碳复合材料碳 /碳复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称,也是一种高级复合材料 它是由碳纤维或织物 编织物等增强碳基复合材料构成 碳 /碳复合材料主要由各类碳组成, 即纤维碳 树脂碳和沉积碳这种完全由人工设计 制造出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能, 除具备高强度 高刚性 尺寸稳定 抗氧化和耐磨损等特性外, 还具有较高的断裂韧性和假塑性 特别是在高温环境中,强度高 不熔不燃, 仅是均匀烧蚀 这是任何金属材料无法与其比拟的 因此广泛应用于导弹弹头, 固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等高科技领域

碳纤维增强金属基复合材料
碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维,金属为基体的复合材料 碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比, 具有高的比强度和比模量;与陶瓷相比, 具有高的韧性和耐冲击性能, 金属基体多采用铝 镁 镍 钛及它们的合金等,其中,碳纤维增强铝 镁复合材料的制备技术比较成熟 制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层,以防止在复合过程中损伤碳纤维,从而使复合材料的整体性能下降 目前,在制备碳纤维增

强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积 液钠法等,但因其过程复杂 成本高,限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用

碳纤维增强树脂复合材料
碳纤维增强树脂基复合材料 (CFRP)是目前最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,是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。碳纤维增强树脂复合材料所用的基体树脂主要分为两大类,一类是热固性树脂, 另一类是热塑性树
脂 。

总结
碳纤维复合材料是一种高性能 多功能的先进复合材料 碳纤维被喻为是当今世界上材料综合性能的顶峰,是 21世纪的黑色革命,它的用途也不仅仅局限于替代钢铁材料, 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 碳纤维还具有极好的纤度(纤度的表示法之一是 9 000m长纤维的克数),一般仅约为 19 2g,拉力高 300kg/mm 目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多一系列的优异性能, 因此在刚度 质量 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, 碳纤维复合材料具备不可替代的优势 目前,国内外学者对于碳纤维复合材料的研究热点主要集中于复合材料的制备与工艺优化以及复合材料及结构的损伤破坏和承载能力分析等领域我国在碳纤维复合材料的研究方面起步不晚,但由于在复合材料的制备 性能分析和设计等方面还比较落后,与发达国家相比,碳纤维复合材料在国内相关领域特别是航空航天领域应用还存在较大差距 要扩大碳纤维及其复合材料的应用范围, 应该一方面开发高性能的碳纤维,打破国外对我国的封锁,满足我国军事航空航天等行业的要求;另一方面研究开发有特色的具有自主知识产权的低成本碳纤维生产技术以及成型费用低的复合材料制造新工艺相信随着我国在碳纤维生产以及复合材料制备工艺领域的进一步发展, 碳纤维及其复合材料在建筑，交通，化工等民用领域的应用前景将十分乐观,而其在航空航天及军事领域的应用也会更加广泛
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