碳纤维复合材料的特性与应用现状

碳纤维复合材料的特性与应用现状摘要：本文主要阐述了碳纤维复合材料的独特的力学，耐腐蚀性，界面结合强度，吸波性等优良性能，进一步总结了碳纤维复合材料的应用领域的研究,最后指出了碳纤维复合材料未来发展的趋势并对其发展与应用前景进行了展望。

关键词：碳纤维复合材料性能应用前言碳纤维(Carbon fiber，简称CF)是含碳量高于90%的无机高分子纤维，是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构，也是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维。

作为优异的增强体，高性能碳纤维的加入能大幅提高材料的强度、模量、阻尼、减振性能、低热膨胀导电导热性好系数等优异性能，碳纤维增强复合材料(CFRP)是目前最先进的复合材料之一，在风力发电[1]、航空航天[2,3]、汽车[4]、建筑[5-7]、计算机[8]、空间光学结构[9]等领域有诸多的应用，逐渐成为现代高新技术领域最有应用前景的一种复合材料。

1碳纤维增强复合材料的特性碳纤维增强复合材料(CFRP)由于与传统材料相比具有独特的力学性能，电阻特性，耐磨损性，界面结合强度，吸波性等优良性能，在国内引起了广大科研工作者的兴趣和喜好，并在近今年取得了很多成就。

1.1强度金属材料在外载荷的作用下抵抗塑形变形和断裂的能力称为强度。

根据受力种类的不同分为以下几种：(1)抗压强度--材料承受压力的能力；(2)抗拉强度--材料承受拉力的能力；(3)抗弯强度--材料对致弯外力的承受能力；(4)抗剪强度--材料承受剪切力的能力。

本文将进行简单的阐述。

1.1.1抗拉强度由连续增强碳纤维和树脂基体组成的复合材料-碳纤维增强复合材料（CFR P）与传统加固材料相比，CFRP具有抗拉强度高、自重轻、施工方便等优点[10]。

罗小萍等[11]对炭纤维进行了表面化学镀镍处理，采用粉末冶金热挤压法将镀层炭纤维与镁基体复合，当炭纤维含量为4.0%的镁基预制体采用压制压力为42 0MPa，烧结温度为550℃，保温0.5h后，480℃用280 MPa的压力进行热挤压得到镀层炭纤维/镁基复合材料的抗拉强度达167MPa，同时硬度、屈服强度分别为120MPa，125MPa。

1.1.2弯曲强度艾娇艳等[12]将碳纤维增强聚碳酸酯(PC)与玻璃纤维增强聚碳酸酯(PC)复合材料性能对比进行了研究，发现碳纤维增强PC在机械性能、电性能和加工性等方面有明显的提高。

随着碳纤维含量的增加，拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量明显呈上升趋势。

龚伟平等[13]采用溶胶-凝胶法在炭纤维表面涂覆TiO2薄膜，通过球磨混合均匀、热压烧结制备炭纤维增强羟基磷灰石复合材料，用三点弯曲法测试复合材料的弯曲强度。

结果表明，球磨时间影响羟基磷灰石中炭纤维的长度及其分布，球磨时间以2.5 h为宜。

表面涂层TiO2的炭纤维增强羟基磷灰石的弯曲强度比未涂层的高，尤以用丙酮除胶、盐酸与水量比例为1.0:8进行TiO2涂层，得到的炭纤维增强羟基磷灰石的弯曲强度最高。

在炭纤维表面均匀涂覆一层厚度合适TiO2薄膜有利于提高炭纤维增强羟基磷灰石复合材料的力学性能。

1.1.3抗压强度项东虎等[14]采用直碳纤维和螺旋碳纤维增强PTFE 复合材料，发现直纤维增强复合材料的硬度呈先增大后减小的趋势，螺旋碳纤维增强复合材料的硬度则缓慢提高，两种纤维均可使抗压强度提高，且螺旋碳纤维的效果更为明显。

1.2断裂韧性高弹性模量的碳纤维对材料既能增强，又可显著增韧。

碳纤维增强镁合金层合板具有比玻璃纤维增强铝合金层合板更高界面断裂韧性[15]；在水泥砂浆中掺入碳纤维可显著提高水泥砂浆的断裂韧度和断裂能，且随着碳纤维掺量的增加，断裂韧度和断裂能随之增大[6]，水泥基材料的密度和弹性模量降低、泊松比也随之增加[16]；采用碳纤维填充改善聚四氟乙烯( PTFE)，大大改善了纯PTFE 的塑性性能[14]。

1.3耐磨性项东虎等[14]选用螺旋碳纤维( CMCs) 和直碳纤维( SCF) 填充改善聚四氟乙烯( PTFE) 的综合性能。

测试了纯PTFE 及其复合材料的摩擦磨损、硬度、抗压强度等性能，并利用扫描电镜对磨损表面及残留在表面的磨屑和转移膜进行形貌观察。

结果表明：添加其中任何一种碳纤维都会不同程度地提高PTFE 复合材料的摩擦因数，高载下的摩擦因数稍低于低载下的摩擦因数，另外，随着碳纤维含量的增加，其耐磨性能逐步提高，磨损率下降。

1.4灵敏性1.4.1功能响应的机理碳纤维水泥基复合材料能以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。

碳纤维水泥基复合材料界面性能对其功能响应特性的具体机理[17]为：（1）碳纤维在拔出力的作用下，试样界面力及电阻变化率随着拉伸位移的增加而逐渐增大，当界面力达到极值时，纤维与基体间的结合被破坏，电阻迅速上升。

试验所表现出的这种电学特性可用隧道效应理论来描述。

界面应力的作用使材料内部导电网络发生改变，引起隧道电流的变化，从而导致了电阻的变化。

（3）在荷载作用下，碳纤维水泥基复合材料通过界面将载荷传递给碳纤维，碳纤维和基体之间界面应力的变化导致界面结构变化，材料内部的导电网络发生改变，其电导率变化能够反映材料在受载过程中的应力-应变并具有灵敏的响应，材料表现出机敏性。

连续碳纤维增强水泥基复合材料在弹性阶段，其电阻随拉力增大而可逆增大，随拉力减小而可逆减小[18]。

1.4.2电阻特性碳纤维水泥基复合材料CFRC电阻率[19]随着碳纤维体积分数的提高而下降；碳纤维掺入量存在一个饱和点，超过此饱和点，碳纤维水泥基复合材料的电阻率变化趋于稳定；碳纤维水泥基复合材料电阻率随加载频率的增大而降低。

不同成型压力制备的复合材料电阻率均随温度升高而呈先增大后减小的趋势[20]。

较小成型压力制备的CFRC，其临界温度为75-100℃；较大成型压力制备的CFRC，其临界温度为100-120℃。

杨淑霞[21]采用电镀Cu 碳纤维与化学镀Cu的Ti3SiC2粉及Cu 粉进行湿混，通过真空热压烧结法制备碳纤维增强的Cu-Ti3SiC2复合材料，电阻率随碳纤维含量的增加而增大；Ti3SiC2含量在15%-20%之间电阻率变化较大；在Ti3SiC2含量为20%，碳纤维含量为8%时，所制备的Cf-Cu-Ti3SiC2复合材料综合性能最好。

1.4.3温敏性碳纤维水泥基材料(CFRC)具有良好的温敏性[22]，在-10-60℃的温度范围内，CFRC材料的电阻率随温度的升高而减小，灵敏度随着碳纤维掺量的增加而减小。

在温度升高的初始阶段[23]，试件电阻率随温度的升高而下降，呈现NTC效应；当温度升高到一定数值，电阻率随温度的升高而逐渐升高，呈现出PTC效应，并且随着碳纤维掺量的变化，NTC/PTC转变温度也发生变化。

1.5界面结合强度2006年，陈腾飞等[24]用溶胶-凝胶法在炭纤维表面涂敷纳米级的TiO2涂层，并采用热压法制备炭纤维增强羟基磷灰石复合材料。

结果表明，通过溶胶-凝胶法制备的TiO2涂层与炭纤维表面结合良好涂层后炭纤维增强羟基磷灰石中的炭纤维表面和周围羟基磷灰石以及炭纤维之间有纳米级TiO2纤维呈网状分布，将有利于提高炭纤维/羟基磷灰石间的界面结合强度。

2008年，王超等[25]采用酚醛树脂作为炭纤维表面处理剂，酚醛树脂和炭纤维表面发生了化学反应，而且酚醛树脂处理剂浓度越高，和炭纤维表面发生反应的基团也越多，表面越光滑平整，处理后的纤维复合材料断口，炭纤维纤维拔脱和界面开裂现象很少，断口有明显的剪切痕迹，由此可知酚醛树脂处理后的复合材料界面粘结性能得到很大的改善，而且界面粘结性能强烈依靠处理剂浓度。

说明经酚醛树脂作为炭纤维表面处理剂可以显著提高多种炭纤维和环氧树脂界面强度。

2009年，黄元飞等[26]发现涂层的碳纤维与Mg 基体浸润性较差，碳纤维在Cf/Mg 复合材料微观组织中分布不均匀，界面结合强度较弱。

之后在碳纤维表面包覆Ni 或SiO2 涂层使碳纤维与Mg 基体的润湿性得到了改善；包覆Ni涂层的碳纤维在Mg 基体中分布均匀，并在其界面处生成金属间化合物Mg2Ni，界面为强结合；碳纤维表面的SiO2涂层与Mg 进行少量的反应生成MgO 和Si，界面结合好，能很好地传递载荷。

2010年，吕立斌等[5]通过对碳纤/玻纤缝编织物增强复合材料的织物组织的选择、浸胶前后的拉伸基本性能、与混凝土薄板界面黏结性能进行研究，发现复合材料采用缝编织物基本能使纱线的强力利用率提高，织物浸胶后，拉伸强力明显提高。

采用浸胶的纤维编织网能改善纤维编织网和混凝土的黏结性能，提高拉拔荷载峰值，与混凝土薄板界面的黏结性能也有所增强。

1.6吸波性[27]利用弓形反射法(NRL)测试了碳纤维掺量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0% (质量分数)时碳纤维增强水泥基复合材料(CFRC)在低频段4-8GHz和高频段8-18GHz时的反射率，讨论了纤维掺量、频率、反射率之间的关系。

结果发现，在纤维掺量相同条件下：低频段时，反射率< -10dB，CFRC表现出吸波性；高频段且纤维掺量超过0.6% (质量分数)时，反射率> -10dB，CFRC对电磁波表现出反射性。

随着纤维掺量的增加，低频段时反射率先降低、后又有所回升，吸波性由弱变强、又变弱，纤维掺量为0.6% (质量分数)时出现最小反射率-15.0dB；高频段时反射率总体上呈上升趋势，材料对电磁波的反射性越来越强，纤维掺量为0.4% (质量分数)时出现最小反射率-19.4dB。

2应用现状碳纤维复合材料改变了材料本身存在的很多缺陷，使材料具有优良的性能指标，为材料的应用研究提供基础，可以作为未来材料应用研究的参考依据。

(1)碳纤维/环氧复合材料具有高的比强度和比刚度，较铝合金结构可以减重30% 以上；碳纤维/环氧复合材料的热膨胀系数可以根据需要进行设计，在需要的方向上可以设计成“零”或负的热膨胀系数；在空间辐射条件下，碳纤维/环氧复合材料性能良好，其总质量损失为0.15%、可挥发的冷凝物质为7.66×10-5 g/g、24 h水汽回吸率为0.12%。

在空间光学结构中有广泛的应用[9]。

(2)碳纤维的加入，改善了PC材料的导电性，当碳纤维含量为10%时，导电电阻率已达到9.0×106Ω/sq可以作为防静电材料使用[12]。

(3) 连续碳纤维增强水泥基复合材料试样的线性度为4.35%，滞后为7.93%，稳定系数为2.86%，蠕变为0.0054%，蠕变小，稳定性较好。

可用来制作感知结构损伤的传感器。

其具有结构简单，施工方便，适用面积大，检测方法简单等优点，可实现对大型土木结构的在线健康监测。

如果将连续碳纤维增强水泥基复合材料用作修补材料，那么在修补加固破损结构的同时，还可利用其应变-电阻敏感性长期在线动态监测结构的损伤及修补质量[18]。