碳纤维及其复合材料

碳纤维及其复合材料研究进展

摘要：本文简述了碳纤维的基本特性及其制造方法，并阐述了不同基体碳纤维增强复合材料的性能与制备工艺，以及当前碳纤维增强复合材料的研究应用现状，并展望其未来的发展方向。

关键词：碳纤维结构与性能增强复合材料

碳纤维（carbon fiber）它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。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。碳纤维既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。

1碳纤维的结构、特性以及分类

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。其是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。

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%以上的高性能纤维材料。

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-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，如图1-1。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0.142 1 nm；在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.336~0.344nm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，活性比较高。

图1-1 碳纤维结构示意图

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1.5-2g/cm3,相当于钢密度的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775Ω·cm,高强度碳纤维则为1500Ω·cm；

(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

度下依旧很柔软也，不脆化；耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。除此之外，碳纤维还具有耐油、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。

碳纤维主要经过原料的聚合，纺丝，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。黏胶基碳纤维的制备工艺流程具体如图1-2所示。

图 1-2 生产黏胶基碳纤维的工艺流程示意

2 碳纤维增强复合材料

2.1 碳纤维增强复合材料的结构与性能

纤维增强基复合材料是由碳纤维织物增强碳或石墨化的树脂（包括沥青）碳以及化学气相沉积碳所形成的复合材料，简称碳-碳复合材料。它以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。

碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。

（1）密度低（1.7g/cm3左右）在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高

温的强度好，在2200℃时可保留室温强度；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。

（2）热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。

（3）耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象，通过表层材料的烧蚀带走大量的热量，可阻止热流入材料内部，C-C材料是一种升华-辐射型材料。

2.2加工方法及工艺研究

碳纤维增强复合材料一直是被区分为长(连续)纤维和短纤维来加工的，从典型的300～400米到几个毫米分为不同的品级。过去10年中，人们一直在改进不同种类的碳纤维复合材料的性能和加工方法，从短纤维混料注射加工到层压成型，从预浸料处理到模塑法加工，力求为这种性能优良的材料寻找到最佳的加工方法。

2.2.1 手糊成型工艺

手糊工艺的最大特色是以手工操作为主，适于多品种、小批量生产，且不受制品尺寸和形状的限制。但这种方法生产效率低、劳动条件差，且劳动强度大；制品质量不易控制，性能稳定性差，制品强度较其他方法低。如图2-1所示：

图2-1 手糊工艺图

2.2.2 树脂传递模塑 RTM

RTM是一种适宜多品种、中批量、高质量符合材料制品的低成本技术。目前，在发达国家里复合材料工业已由“产量大、消费大”步入“个性化、高级化、产量中等”阶段，这也正适合“个性化、高级化、产量中等”要求的树脂传递模塑(RTM)工艺，从而使其获得蓬勃发展。如图2-2所示：

图2-2 树脂传递模塑成型工艺

2.2.3 喷射成型工艺

喷射成型是通过喷枪将短切纤维和雾化树脂同时喷射到开模表面，经辊压、固化制取复合材料制件的方法。它是为改进手糊成型而创造开发的一种半机械化成型技术。喷射成型对原材料有一定的要求。如树脂体系的黏度应适中(0.3～0.8Pa·s)，容易喷射雾化、脱除气泡、润湿纤维而又不易流失以及不带静电等。制品纤维含量控制在28%～33%，纤维长度25～50mm。其优点是生产效率比手糊提高2～4倍，劳动强度低，可用较少设备投资实现中批量生产，材料成本低；制品整体性好，制件的形状和尺寸不受限制；可自由调节产品壁厚、纤维与树脂比例。主要缺点是现场污染大，树脂含量高，制件的承载能力低。

2.2.4 注射成型

反应注射成型(RIM)和增强反应注射成型(RRIM主要是热塑性塑料的注塑成