碳纤维及其复合材料的发展及应用 (2).pdf

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碳纤维及其复合材料的发展及应用上官倩芡，蔡泖华1碳纤维特性、结构及分类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‘卜3|．碳纤维既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下依旧很柔软，也不脆化；⑦耐酸陛好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀¨。J．除此之外，碳纤摘要：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：0636文献标识码：A文章编号：1000-5137(2008)03-0275-05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域的应用等内容进行介绍．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g／cm3，相会炸裂；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斗Q／cm，高强度碳纤维则为1500恤OVcm；⑥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一射线、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¨J，如图l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0．142111111；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(上海师范大学机械与电子工程学院，上海201418)收稿日期：2008--01．-04基金项目：上海市教委科研基金项目(06DZ034)．作者简介：上官倩芡(1974一)，女，上海师范大学机械与电子工程学院副教授．第37卷第3期8年6月上海师范大学学报(自然科学版)University(NaturalSciences)20JournalofShanghaiNormalV01．37。No．38，Jun
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／k譬∥、打晰吐矿礅X≥＼c人℃f／c＼／＼c∥＼≮7F““‘k号i珠I／』∥Lc史c∥Lc／lj＼c人：夕j睾ilIi蜘一＼厂I／l夕＼c夕＼c夕fiH：，N：)的形成逸出，使纤维表面和内部形成也不一样．一般来讲，碳纤维可从以下两个方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，造船金、石油、机械工业等领域，要求零部件在高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作．酚醛基碳纤维阻燃性、绝缘性极好；可在松弛条件下碳化，加工工艺简单，碳化时间短且温度低，碳比较高．因此，碳纤维的表面活性与处于边缘位置的碳原子数目有关【9】．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CO：，CO，H：0，NH，，空穴和缺陷．特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，应力一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的地方‘10】．由于原料及制法不同，所得碳纤维的性能面进行分类[11“31：(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