碳纤维及其复合材料要点

3.石油工业的应用
美国经过10 多年的努力, 于20 世纪90 年代初研制成功碳纤维复合材料连续抽油 杆， 试验结果表明： 碳纤维复合材料连续 抽油杆克服普通钢抽油杆质量大、耗能高、 失效频繁、活塞效应大、起下作业速度慢、 易偏磨的缺点，是一种很有发展前途的特 种抽油杆。深海油气田是碳纤维复合材料 发挥作用的重要领域。
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。 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。主要 有手糊成型工艺、树脂传递模塑 RTM、喷 射成型工艺、注射成型、纤维缠绕成型和 拉挤成型等。
2.加工方法及工艺研究 我们最熟悉的首选手糊成型工艺。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
三、碳纤维增强基复合材料
图 1-1 碳 纤 维 示 意 图
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。
目录
• • • • • 一、碳纤维 二、碳纤维增强复合材料 三、碳纤维增强基复合材料 四、碳纤维及复合材料的应用 五、总结
一、碳纤维
1.碳纤维的结构
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。 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。
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是目前最 先进的复合材料之一。它以轻质、高强、耐 高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛 用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料, 是其他 纤维增强复合材料所无法比拟的。
碳纤维增强树脂复合材料所用的基体树脂主 要分为两大类, 一类是热固性树脂, 另一类 是热塑性树脂。
• 热固性树脂由反应性低分子量预集体或带 有活性基团高分子量聚合物组成; 成型过 程中, 在固化剂或热作用下进行交联、缩 聚, 形成不熔不溶的交联体型结构。在复 合材料中常采用的有环氧树脂、双马来酰 亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。 • 热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成, 在一定条件下溶解熔融, 只发生物理变化。 常用的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯以及 聚醚醚酮等。
1.结构与性能
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。
2.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1.52g/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；
（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.加工方法及工艺研究
五、结 语
碳纤维属高新技术、高附加值产品，具 有其他材料不可比拟的优异性能，具有广泛 的用途和良好的发展前景。碳纤维是一种可 以形成庞大产业带的基础产品，并随其成本 的降低而在金属、陶瓷、玻纤等材料的传统 应用领域得到广泛应用。同时因其高科技含 量，又可在一定时期形成相对垄断产品。
目前, 国内外学者对于碳纤维复合材料 的研究热点主要集中于复合材料的制备与工 艺优化以及复合材料及结构的损伤破坏和承 载能力分析等领域。另一方面研究开发有特 色的具有自主知识产权的低成本碳纤维生产 技术以及成型费用低的复合材料制造新工艺。 随着我国经济的持续快速发展，碳纤维的市 场需求与日俱增，发展我国的碳纤维工业具 有重大的现实意义和深远的历史意义。
2.航空航天领域的应用 航天飞行器的重量每减少1 公斤，就可使 运载火箭减轻500 公斤。同样，飞机重量的减 轻可以节省油耗，提高航速，在航空航天工业 中竞相采用先进复合材料。碳纤维具有高比强 度、比模量、低热膨胀系数和高导热性等独特 性能， 因而由其增强的复合材料用作航空航天 结构材料，减重效果十分显著，应用潜力巨大。 欧洲空客公司A380 客机上的机舱内壁板、后机 身蒙皮、水平安定面等都是碳纤维复合材料。
材化11-2 制作：赵雯雯
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。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。
4.汽车工业及体育用品中的应用 碳纤维扩大应用的最大希望在于在汽车工 业的应用。应用碳纤维复合材料生产汽车 零部件后，有望大幅降低车身重量。车辆 使用碳纤维，可以拥有更轻的重量、更好 的燃油经济性以及同样出色的安全性。碳 纤维复合材料在运动器材中也得到了广泛 应用。包括高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、 钓鱼竿、自行车架、冰球拍、船桨、赛艇 等，都已经形成了成熟的市场。
尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能, 然而，它属于脆性材料,只有将它与基体材料 牢固地结合在一起时,才能利用其优异的力学 性能,使之更好地承载负荷。因此,碳纤维主 要还是在复合材料中作增强材料。根据使用 目的不同可选用各种基体材料和复合方式来 达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强 树脂、碳、金属及各种无机陶瓷, 而目前使 用得最多、最广泛的是树脂基复合材料。
2.碳纤维主要具备以下特性:
(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,耐酸性好，对酸呈惰 性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。
3.分类
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。
• 在碳纤维增强树脂基复合材料中, 碳纤维 起到增强作用, 而树脂基体则使复合材料 成型为承载外力的整体,并通过界面传递载 荷于碳纤维, 因此它对碳纤维复合材料的 技术性能、成型工艺以及产品价格等都有 直接的影响。碳纤维的复合方式也会对复 合材料的性能产生影响。
四、碳纤维及其复合材料的应用
1.土木建筑领域的应用 水泥在土木建材领域中用量最大， 但 水泥也有诸如脆性大、抗拉强度低等缺点， 而现在用混凝土或水泥做基体制成的碳纤维 增强复合材料，强度高、模量大、比重小、 耐碱腐蚀，克服了水泥的缺点，在土木建筑 应用中日益受到重视。用碳维取代钢筋，可 消除钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用， 使建筑构件重量减轻，安装施工方便，缩短 建筑工期。
4.工艺流程
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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
二、碳纤维增强复合材料
1.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。