碳纤维复合材料

碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能，首先在航空航天领域得到广泛应用，近年来在运动器具和体育用品方面也广

泛采用。据预测，土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。1997-2000年间，宇航用碳纤维的年增长率估计为31%，而工业用碳纤维的年增长率估计会达到130%。我国的碳纤维总体水平还比较低，相当于国外七十年代中、末期水平，

与国外差距达20年左右。国产碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。

碳纤维具有低密度、高强度、高模量、高导电导热及耐腐蚀等诸多优异性能，近几十年发展最快，被誉为当今世界材料综合性能的顶峰[4]。碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polrmer Composite, 简称CFRP）是以树脂为基体，碳纤维为增强体，采用先进复合材料的成型加工方法制备而成的一系列高性能复合材料。CFRP作为先进复合材料的一个最重要的分支，具有比强度和比模量高，可设计性好，抗疲劳性好，耐腐蚀，结构尺寸稳定性好，以及便于大面积整体成型的独特优点，还有特殊的电磁性能和吸波隐身作用，充分体现了集结构承载和功能于一身的特点，得到了广泛应用，成为发展最迅速应用最广泛的一类复合材料[5]。先进复合材料具有军民两用的性质。特别是在我国正在大力发展的高速列车、轻轨列车、交通运输、桥梁建设、能源发电、生物医用器具、体育器材等都大量使用到先进的复合材料。先进复合材料尤其是以碳纤维为增强体的先进结构性复合材料将会逐步取代传统金属、陶瓷、高分子等单类材料而成为材料的主导[6]。

碳纤维增强树脂基复合材料具有优异的比强度、比模量，近些年来，被广泛应用于对密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求高温、高化学稳定性的场合。特别是在航空、舰艇、核能等领域，该类复合材料的使用比例越来越高，发展速度非常迅猛，应用前景十分广阔。由于特殊的制备工艺，在碳纤维复合材料中或多或少存在一定数量的微小孔隙。当孔隙含量超过一定界限时，材料的层间剪切性能和弯曲性能受到严重影响，其使用寿命大大降低。因此，为保证复合材料的安全使用，应当使用无损检测方法来评定其孔隙含量，即孔隙率。超声无损检测技术以其独特的优点成为检测复合材料孔隙率的重要手段之一。本研究以手糊热压成型的碳纤维单向增强复合材料为研究对象，利用超声衰减法和声阻抗法对孔隙率在0.03％～4.96％内变化的试样进行了研究，通过理论分析和实验验证，建立了相应的检测模型。论文的主要内容如下：用手糊成型的方式制备了碳纤维单向增强树脂基复合材料，基于对大量文献资料的调研，确定了脉冲回波底板反射法。通过实验优化，选择中心频率为5MHz的平探头进行实验。借助超声C扫描选择孔隙率均匀的区域，并进行超声信号采集和处理，提取声衰减系数和声阻抗，并将其与破坏法测得的试样孔隙率结合建立相应的检测模型。对于声衰减法而言，当孔隙率在0.03％～0.5％之间时，衰减系数α与孔隙率P 呈线性关系：α=1.65+1.78P，而孔隙率在0.5％～4.96％之间时，二者呈二次曲线关系：

α=2.5+0.15P<'2>。对于声阻抗法而言，对孔隙率在0.6％～3.8％内的试样建立的检测模型为：Z<,c>=18.48P<'2>-349.53P+4794.30。分别利用声衰减法和声阻抗法对孔隙率为0.03％～2.21％的试样进行孔隙率超声检测，实验结果表明，采用声阻抗法得到的孔隙率测量结果的平均绝对误差较声衰减法所得结果的误差小0.08％。实际检测时，可将两种方法结合使用，便于检测结果的对比验证。另外，针对金相法孔隙率测量结果进行了不确定度分析，以孔隙率为0.71％的试样为例，其由合成不确定度u<,c>=0.10％以及包含因子k=2得出扩展不确定度U=0.20％，置信水平约为95％，该不确定度反映了本研究中孔隙率金相法测量的不确定度水平。

在碳纤维增强树脂基体复合材料中，碳纤维起到增强作用，而树脂基体则使复合材料成型为一承载外力的整体，并通过界面传递载荷于碳纤维，因此它对复合材料的技术性能、成型工艺以及产品价格等都有直接的影响。目前，碳纤维复合材料的研究动态包括以下几个方面：（1）碳纤维复合材料性能的提高。碳纤维复合材料在研究及应用上取得了一些成就，但在实际中依然存在着许多需要探索完善的地方，尤其在碳纤维表面处理以增强复合材料界面结合强度方面[37]。(2)开发新工艺和新技术以降低碳纤维的价格，从而降低复合材料的价格。近年来，国外对碳纤维技术开发研究集中在提高性能、降低成本方面，为此美国推出了低成本碳纤维研制计划[38]。(3)碳纤维复合材料的自动化生产。（4）新型碳纤维增强塑料加工方法的研发。（5）新应用领域的开发。