碳纤维及复合材料的种类、制备和应用

碳纤维及复合材料的种类、制备及应用

杨晨材研0906

（北京化工大学材料学院，100029）

摘要：本文主要陈述总结了复合材料及其碳纤维的种类、制备及应用方面的相关知识。

关键词：碳纤维；复合材料；种类；制备；应用

1.复合材料

复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。具有比强度高，比模量高，剪切强度和剪切模量高，高温性能高，耐热性高等特性广泛应用于各个领域。

1.1种类

复合材料按其性能高低可分为常用复合材料和先进复合材料；根据其用途可分为结构复合材料和功能复合材料；按照复合方式可分为宏观复合材料和微观复合材料。根据不同增强体形式可分为纤维复合材料、颗粒复合材料、片材复合材料和叠层复合材料。还有，可以根据基体材料的不同细分为：聚合物基复合材料、金属基复合材料和无机非金属基复合材料。本文主要以基体材料的细分方式介绍复合材料的制备及其应用。

其生产流程见图1.1。

图1.1 复合材料制品的生产流程图

1.2聚合物基复合材料

聚合物基复合材料是聚合物或俗称树脂作为基体与粒状、片状、纤维状填充组分作为增强体的复合材料。按基体的不同还可以分成热固性树脂基、热塑性树脂基和橡胶基。

1.2.1制备

其主要制备方法有：预浸料、手糊成型工艺、喷射成型、袋压成型、模压成型、纤维缠绕成型、拉挤成型、熔融流动成型、增强反应注射成型和树脂传递模塑。

1.2.2应用

聚合物基复合材料在建筑、化学、交通运输、机械电器、电子工业及医疗、国防、航天航空及火箭等领域都有广泛应用。如手糊成型制得的广播卫星抛物面天线、太阳能电池帆板；纤维缠绕成型可制得雷达罩、火箭发动机壳、压力容器；模压成型制得的整体浴室和汽车保险杠等等。

1.3金属基复合材料

金属基复合材料是以金属、合金和金属间化合物为基体，以无机纤维和金属间化合物等为增强体，通过浸渗、固结工艺制成的复合材料。根据其基体的种类可细分为轻金属基、高熔点金属基和金属间化合物基。

1.3.1制备

金属基复合材料的主要制备工艺方法有：固相法、液相法和原位复合法。固相法主要有粉末冶金、固态热压法、热等静压法；液态法主要有真空压力浸渍法、挤压铸造法；原位复合法主要包括共晶合金定向凝固、直接金属氧化物法、反应生成法。

1.3.2应用

金属基复合材料主要可应用于航天、航空、汽车、医疗、体育用品等领域。如航天飞机中段主机身的B/Al关键桁架、臂状支柱；齿轮；高尔夫球杆击球头及各种支架等等。

1.4无机非金属基复合材料

无机非金属复合材料主要有陶瓷基复合材料、水泥基复合材料和碳基复合材料。

1.4.1陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料是以陶瓷材料为基体，并以陶瓷、碳纤维和难熔金属的纤维、晶须、晶片和颗粒为增强体，通过适当的复合工艺所构成的复合材料。主要可细分为高温陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料和玻璃陶瓷基复合材料。

其制备工艺主要有：粉末冶金法(颗粒）、浆体法（液体法）、热压烧结法、液态浸渍法、直接氧化法、溶胶-凝胶法、化学气相浸渍法（CVI）、先驱体转化和反应熔融浸渗（RMI）等。

陶瓷基复合材料可应用于切削工具方面及航空航天领域的研究。如刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强炭化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。

1.4.2水泥基复合材料

水泥基复合材料是胶凝材料，水和粗、细骨料（集料）按适当比例拌和均匀，经浇捣成型后硬化而成。

其成型工艺主要包括：直接喷射法、喷射脱水法、预混料浇铸法、抄造法。其制备工艺原理为：聚合物浸渍混凝土是把成型的混凝土的构件通过干燥机抽真空派出混凝土结构空袭中的水分和空气，然后把混凝土构件浸于溶液孔隙中，通过加热或是加射线使得单体在混凝土结构孔隙中聚合形成聚合物。这样聚合物就填充了混凝土的结构孔隙，并改善了混凝土的微观结构，从而使混凝土的使用性能得到了改善。

主要可以在地面和道路工程、建筑结构工程、修补工程中大量使用。

1.4.3碳基复合材料

碳基复合材料是基体为碳的复合材料，主要为C/C复合材料主要分为树脂碳、沥青碳、沉积碳。

成型制备加工方法主要有化学气相沉积（CVD）、液态浸渍-炭化工艺。其中CVD法包括等温工艺、压力梯度工艺、温度梯度工艺三种工艺手段。其详细成型方法见图1.2。

C/C复合材料可应用于航空航天、一般工业、生物材料领域中。如火箭及导弹所用的烧蚀材料；小汽车中的悬臂、车顶、车轮、发动机盖板、框架和横梁、传动轴和保险杠灯。且由于碳材料有很好的生物相容性，也可在生物材料领域中使用，如人造髋关节等。

图1.2 C/C复合材料成型制备加工方法

2碳纤维

2.1种类

碳纤维根据原料不同，可以分为聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维和沥青基碳纤维三种。

2.2制备

碳纤维主要经过原料的聚合，纺丝，冤死预氧化，炭化和石墨化之后即可制得。

聚丙烯腈溶液聚合、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。黏胶基碳纤维和沥青基碳纤维的制备工艺流程具体见图2.1所示。

图2.1生产黏胶基碳纤维的工艺流程示意

图2.2 沥青基碳纤维的制造工艺流程

2.3应用

碳纤维在航天航空、文体器材、医用器材、新能源、土木建筑、汽车与火车、电子电器及仪器、机械等许多领域都可以应用。诸如飞机的一次结构材料、二次结构材料、内装饰材料；钓具、网拍；太阳能发电版；自动门地板；赛车底盘等等都可以使用。

3结语

碳纤维属于多学科、多技术的高新技术产品，属于高能耗高附加值的新产品。碳纤维很少直接应用，大多是经深加工制成中间产物或复合材料使用。复合材料其广泛的应用领域使得它具有极大的开发价值，对复合材料及碳纤维的更深入研究将带来更大的价值。