[科普中国]-碳纤维强化聚合物

以碳纤维作增强材料的聚合物基复合材料是性能非常出色的新型工程材料。碳纤维/聚合物复合材料的性能同样与聚合物的性能、含量、纤维排列方向以及相互问界面结合强度等因素有关，因碳纤维比玻璃纤维具有更优良的性能，因此这种复合材料不仅保留了玻璃纤维增强塑料的许多优点，而且某些性能还远远超过了它。

制备工艺世界各国多采用聚丙烯腈纤维(PAN)制造碳纤维，其工艺过程如下：PAN纤维→氧化处理(空气中，加张力，200～300℃)→碳化处理(N2气中或真空，1000～2000℃)→高强度碳纤维(碳纤维Ⅲ，Wc=75%～95%)→石墨化处理(N2气中或真空中，2000℃以上)→高模量碳纤维(碳纤维Ⅰ，Wc=98%～99%)。碳纤维的主要成分是碳，以具有一定取向度的层状石墨条带重叠而成，其密度P=1.7～2.09/cm3，为钢的1/4，拉伸强度为钢丝的4倍，比强度为钢的16倍，铝的12倍。1

性能特点(1)弹性模量高。玻璃钢的弹性模量较低，承受负荷时其应变量也相应较大，一般当应变量达到1%～2%时聚合物便发生脆裂，因此玻璃钢零件设计时，其允许承载能力不超过极限应力的60%，而碳纤维/聚合物复合材料的弹性模量约为玻璃钢的3～6倍，承载时应变量较小，因而设计时可允许在极限应力条件下使用。

(2)比强度和比模量高。碳纤维/聚合物复合材料的密度约为钢的1/4，铝合金的1/2，而强度和模量超过铝合金并接近于高强度钢，因此比强度和比模量是现有复合材料中最高的，特别是比模量要高出玻璃钢好几倍。

(3)耐冲击性能好。碳纤维聚合物复合材料抗冲击性能极好，是“柔中有刚”的好材料，试验表明，用手枪在十步远的距离击穿不了1cm厚的碳纤维增强塑料。

(4)高潮湿或高温条件下强度损失少。玻璃钢在潮湿环境下使用时，强度损失15%，甚至更多，而碳纤维增强塑料儿乎不受影响。在高温老化试验中，碳纤维增强塑料的强度损失也比玻璃钢少，此外，它的摩擦系数小，耐腐蚀、抗疲劳、耐瞬时高温性也比玻璃钢好。但其制品也存在各向异性、层间剪切强度低的特点，使其应用受到一定限制。2

纳米碳纤维纳米碳纤维是一种一维碳纳米材料，结构上和纳米碳管相似，直径一般在100 nm左右，长度是几十至几百微米。CNF是一种介于石墨碳和球型碳之间的材料，可看做是由具有纳米尺寸的石墨层在空间上按不同方式堆积而成的。CNF的热导率比CNT要低，但仍可以达到2000 W/(m·K)左右，这是传统金属材料所无法比拟的，且CNF具有与CNT相当的力学性能，较低的生产成本和较成熟的制备技术。因此，CNF在改善聚合物的导热性能上具有一定的优势。科技工作者研究了CNF/EP复合材料导热性能，CNF用量为56vol%时首次制得了密度1.48 g/cm3，热导率达695W/(m·K)的低CTE树脂基复合材料。2

应用碳纤维增强复合材料在宇航、航空和航海等领域有作为结构材料的趋势，以取代或部分取代某些金属材料或其它非金属材料来制造要求比强度高和比模量高的零部件。研究表明，如果能使航天飞行器的质量减轻1kg，则可使运载火箭减轻500kg。据统计，碳纤维增强复合材料在飞机上的应用，可使飞机质量减少25%～50%，例如用碳纤维/环氧复合材料作直升飞机的桨叶其寿命比金属桨叶长3倍，美国最先进的大黄蜂式战斗机的机架装配零件有1/8是碳纤维增强复合材料，轨道飞行器一号系统的飞船、发动机舱、隔离装置接合器、级间接合器等都是使用碳纤维环氧复合材料。

在机械工业中，碳纤维增强塑料可用于制造磨床磨头、齿轮等以提高精度和运转速度，减少电能消耗。在动力机械、矿山机械和农业机械上，用于制造要求摩擦系数低、耐磨性能好，具有自润滑性能的轴承、齿轮、活塞、连杆以及密封圈、衬垫板等。在化学工业上，则利用其耐腐蚀性制造各类罐、泵、阀及各种形式的管道等…总之，碳纤维增强塑料在国民经济各个部门特别是尖端工业部门的应用越来越广泛。1

本词条内容贡献者为:

王宁 - 副教授 - 西南大学