新型炭材料

背景：

材料时人类社会存在和发展的基础,新型材料时代，其特点主要表现为三个方面：1：多种材料决定社会和经济发展，以往的由单一材料决定社会经济命运的现象已不复存在；

2:新材料是自然界中所没有的，所有的新材料都在科学技术不断发展基础之上，通过加工合成而制得的。

3：新材料的产生和出现时根据对材料的物理化学性质的了解为特定需要而加工的。

发展概况：

碳纤维是比铝轻，比刚强，比人发细，含碳量大于90﹪的纤维状碳材料，碳纤维诞生于18世纪中期，最初的商业化碳丝是1879年采用纤维素为前驱体，用作灯丝，后来被钨丝取代，其发展处于停滞不前。1959年由美国联合碳化物公司实现了工业化，聚丙烯腈基碳1961年由日本进藤昭男发明，1964年英国瓦特在预氧化过程中对纤维施加压力，开发了高性能碳纤维的生产技术。

碳纤维的质量，品种和成本80﹪取决于纤维前驱体。

碳纤维的性能：

主要是指力学性能，碳纤维除了具有轻质，高比强，高比模，耐高温，抗化学腐蚀，良好的导电性和导热性，低热膨胀系数，生物相容性好等优异特性外，还具有柔软性和可编性，21世纪的今天与碳纤维相复合的制品逐年增多并已经实用化。

碳纤维的名称和分类：

按制造工艺和原料不同分类：有机前驱体法和气相生长法碳纤维两大类。

按热处理温度和气氛介质不同分类：碳纤维（800~1500℃；氮气、氢气）、石墨纤维（2000～3000℃，氮气和氩气）和活性碳纤维（700～1000℃；水蒸气或二氧化碳与氮气）。

按力学性能不同分类：通用级和高性能两大类。

按制品形态分类：长丝、束丝、短纤维、超细短纤维、等多种形态的碳纤维及其织物。

复合材料：主要包括：

碳基复合材料是其家族中的一个非常重要的成员，碳纤维复合材料主要是指用碳纤维增强的复合材料，包括：碳纤维增强树脂（CFRP），纤维增强金属（CFRM）碳纤维增强陶瓷（CFRC），碳纤维增强橡胶（CFRR）及碳/碳复合材料（C/C）等。

复合材料的发展历史：

近代复合材料的发展却只有几十年的历史，由于航空、宇航、原子能、电子工业及通讯技术的发展，对材料提出了更高的要求，除具有高强度，高模量，耐高温等特性外，还对材料的密度，韧性，耐磨，耐蚀，光，电，磁等性能提出种种要求，单一材料很难满足这些的要求，因此出现了复合材料，在复合材料中，很重要的一类就是树脂基复合材料，它出现较早，应用最广。

复合材料的定义主要有以下3种；

1：有两种以上物理和化学上不同物质组合起来而得到的一种多相体系。

2：两种或两种以上不同化学性质或不同组织相的物体，一微观形式或宏观形式组合而成的材料成为复合材料。

3：有连续相的基体与分散相的增强体材料组成的多相体系。

碳纤维增强树脂基复合材料

概述：碳纤维增强树脂基复合材料是以树脂为基体，碳纤维为增强体，采用先进的成型加工方法制备的高性能复合材料。碳纤维增强树脂基复合材料作为先进复合材料的一个最重要的分支，具有比强度和比刚度高，抗疲劳性好，耐腐蚀，结构尺寸稳定性好，可设计性强，以及便于大面积整体成型的优点，还有特殊的电磁性能和吸波隐身等作用，充分体现了集结构承载和功能于一身的特点。碳纤维增强树脂基复合材料不仅采用复合材料成型加工的常用技术，如热压罐/真空袋，纤维缠绕，树脂传递模塑（RTM），模压（SMC,BMC等），拉压，注射等，而且在这些成型加工方法的基础上注入了新的加工技术，如RTM法已开发了真空辅助RTM，热膨胀RTM，差压RTM，SCRIMP，RFI等方法以及微波辅助拉挤，电子束固化，纤维自动铺放技术等也已进入应用阶段。

根据基体树脂的特征，可分为两大类：热固性树脂和热塑性树脂。

对于先进复合材料，目前仍以热固性树脂为主，即包括广泛应用的环氧树脂和酚醛树脂，还包括具有高性能的新一代树脂。

碳纤维增强热固性树脂

热固性树脂基体（环氧树脂，聚酰亚胺树脂，双马来酰亚胺树脂，氰酸酯树脂，聚芳基乙炔树脂，不饱和聚酯）

环氧树脂：环氧树脂是目前碳纤维增强树脂基复合材料制造中最普遍使用的基体树脂。环氧树脂中最通用的具有代表性的品种是双酚A二缩水甘油醚，通称双酚A型环氧树脂。

通常，环氧树脂都具有如下特征：①粘接强度高，粘接面广；②收缩率低；③稳定性好；④优良的电绝缘性；⑤机械强度高；⑥良好的加工性。

1:高性能环氧树脂的结构及性能：

碳纤维增强树脂基复合材料用环氧树脂的发展主要围绕改善耐热耐湿性能，提高韧性和工作温度。近年来，人们利用含有不同刚性链分子结构的二元酚类化合物合成出许多种高性能耐热性环氧树脂。

2:新型固化剂体系

由于环氧树脂固化剂的结构在固化后保留在复合材料的树脂基体结构中，因而，固化剂的性能对树脂的性能起着重要的作用。在高性能环氧树脂中最常用的固化剂是二氨基二苯砜（DDS）,环氧树脂/DDS体系的耐热性高，但耐湿热性差，脆性大，为改善其耐热性和韧性，近年来发展了多个新型固化剂。

①:聚醚二胺型固化剂。

②：不含醚键的固化剂。

③：以芴为骨架的各种二胺类化合物。

3：耐高湿热型环氧树脂

为满足20世纪90年代军机用复合材料设计指标要求，SHELL公司研制的二异丙叉苯撑型四缩水甘油胺环氧树脂和芴型刚性链结构二缩水甘油醚型环氧树脂都具有优于TGDDM的耐湿热性能。

4：液晶环氧树脂

液晶高分子作为一类优秀的工程材料，具有强度高，模量高，耐热性好，线胀

系数小的特点，并且在光，电等都有特殊的性能。某些环氧树脂在特定的条件下也可形成液晶相，并可以光固化和化学固化。液晶环氧树脂可以是小分子，也可以是低分子量的线型聚合物，它们可以为酸，酸酐，胺类，酚羟基所固化，固化剂含有液晶基元与否都可。

碳纤维增强树脂基复合材料的成型方法

随着碳纤维和基体树脂性能的提高，其复合材料的成型技术的研究在近30年中取得了很大的进展。像广泛应用的预浸料技术、热压罐成型、真空袋成型、压力袋成型、模压成型等，还有如RTM、拉挤、缠绕、电子束固化等为代表先进复合材料低成本制造技术的新的成型方法。

1：预浸料技术

预浸料按纤维排列形式分为单向预浸料【纬向分线为（0~10）%，纤维以纵向排列的状态】，织物预浸料。以树脂分为热固性和热塑性树脂预浸料，其中热固性树脂预浸料又可以按使用的热固性树脂的固化温度等级分为120℃，170℃或是更高温度固化的预浸料。

热固性树脂预浸料，是复合材料的中间材料，基体树脂中有固化剂，通常只允许在制备预浸料后呈潜在性状态（B状态0，最后的交联固化将在制作结构件后完成，所以对贮存条件要求很苛刻，一般室温下贮存期为一个月左右。为延长贮存期，不得不采取低温（一般为-18℃）贮存和运输。不但增加了工艺困难，也大大增加了复合材料的制作成本，因此，固内外一直将可长期在常温下储存的预浸料、低温固化预浸料作为新的发展方向。

国外TCR复合材料公司开发了可在非冷藏条件下具有一年贮存期的新型环氧树脂基碳纤维预浸料，其树脂体系包括UF3323，UF3339，UF3352,UF3350，UF3352