文档介绍：碳纤维及其复合材料研究进展摘要:本文简述了碳纤维的基本特性及其制造方法,并阐述了不同基体碳纤维增强复合材料的性能与制备工艺,以及当前碳纤维增强复合材料的研究应用现状,并展望其未来的发展方向。关键词:碳纤维结构与性能增强复合材料碳纤维(carbonfiber)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。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH溶液中,时间已过去30多年,它至今仍保持纤维形态。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。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。碳纤维具有一般碳素材料的特性,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。碳纤维比重小,因此有很高的比强度。其是由含碳量较高,在热处理过程中不熔融的人造化学纤维,经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。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%以上的高性能纤维材料。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,如图1-1。构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面。在层平面内的碳原子以强的共价键相连,;在层平面之间则由弱的范德华力相连,~;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。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,-2g/cm3,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%;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℃时高模量碳纤维的比电阻为775Ω·cm,高强度碳纤维则为1500Ω·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。碳纤维根据原料不同,可以分为聚丙烯***基碳纤维、黏胶基碳纤维和沥青基碳纤维三种。碳纤维主要经过原料的聚合,纺丝,预氧化,炭化和石墨化之后即可制得。聚丙烯***溶液聚合、乳液聚合、悬浮聚合和本体聚合,通过湿法纺丝或者是干喷湿纺法纺丝制得原丝。黏胶基碳纤维的制备工艺流程具体如图1-2所示。图1-(包括沥青)碳以及化学气相沉积碳所形成的复合材料,简称碳-碳复合材料。它以碳纤维或碳纤维织物为增强体,以碳或石墨化的树脂作为基体。复合以后的这种材料在高温下的强度好,高温形态稳定,升华温度高,烧蚀凹陷性,平行于增强方向具有高强度和高刚性,能抗裂纹传播,可减震,抗辐射。碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。(1)密度低()在承受高温的结构中,它是最轻的材料;高温的强度好,在2200℃时可保留室温强度;有较高的断裂韧性,抗疲劳性和抗蠕变性;而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料,纤维取向明显影响材料的强度,在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系,后来变成双线性关系,卸载后再加载,曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。热膨胀系数小,比热容高,能储存大量的热能,导热率低,抗热冲击和热摩擦的性能优异。耐热烧蚀的性能好,热烧蚀性能是在热流作用下,由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通