[科普中国]-碳纤维树脂复合材料

碳纤维增强材料与树脂基体组成的材料称为碳纤维树脂复合材料或碳纤维增强塑料。碳纤维与玻璃纤维相比较，具有高的弹性模量，是玻璃纤维的4~6倍，抗拉强度也略高于它。碳纤维还具有较好的高温性能。因此当碳纤维和环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等树脂基体结合在一起组成复合材料时，不仅保持了玻璃钢的许多优点，同时在许多性能方面还超过了玻璃钢。例如，碳纤维-环氧树脂复合材料的强度和弹性模量都超过铝合金，甚至接近于高强度钢，弥补了玻璃钢弹性模量低的缺点。又兼其比重比玻璃钢还要小，因此它成为目前比强度与比模量最高的复合材料之一。由于碳纤维弹性模量高，故其复合材料零件允许在极限应力状态下服役， 克服了玻璃纤维树脂复合材料只允许在低于极限应力60%的条件下使用的缺点。碳纤维增强塑料在高温老化试验中的强度损失，也比玻璃钢小。此外在抗冲击性能、抗疲劳性能、减摩耐磨性能、自润滑性、耐腐蚀性以及耐热性等，都有显著优点。

应用碳纤维增强塑料在机械工业上主要用于一些承载零件(如连杆)、耐磨零件(轴承、密封圈、 活塞、衬垫板)、耐腐蚀零件(化工泵、高压泵、液压系统的动力密封装置和管道、容器)。作为齿轮材料的用量也较大，它可以达到金属齿轮那样的设计要求，而且重量轻，又有自润滑等优点。作为汽车零件材料时，可使自重降低1/3，节约燃料效果十分显著。此外，它可以制作飞机翼尖、尾翼、起落架及机内许多零件。在火箭、导弹的鼻锥体，火箭的喷嘴及人造卫星支架等方面也被选用。总之， 碳纤维树脂复合材料的出现，为现代工业和现代科学技术事业提供了优良材料。1

碳元素结构碳元素具有同素异构现象，常见的有无定形碳、石墨和金刚石。由于分子结构不同，性能差异很大。前者几乎没有强度；后者则具有很高的强度和硬度。石墨的分子结构是层状的六方晶体结构，呈现各向异性：平行于层面方向的强度和弹性模量高，而垂直于层面方向的强度和弹性模量则较低。碳纤维就是一种由许多石墨晶体组成的多晶纤维。尽管这些晶体在纤维内的排列是不规则的，但为获得高强度和高模量的碳纤维，希望纤维中石墨层面的方向平行于纤维轴线方向。通常，把石墨晶体层面和纤维轴线的交角叫取向角。碳纤维中石墨晶体规整度越高、取向角小，则机械强度和弹性模量越高。碳元素在真空常压下于4000℃升华，在10MPa的压力，3700℃真空高温下可得到液态的碳。显然，若用像有机高分子材料制取纤维的方法将困难重重。2

碳纤维的优势碳纤维是用人造纤维为原料，在隔绝空气的条件下经高温碳化而成的。用作碳纤维的原料要求在加热升温时不熔化、不剧烈分解。工业上常用的原料是腈纶、沥青和人造粘胶纤维。它们在200-300℃的空气中并施加一定的张力进行预氧化处理，然后在氮气的保护下，在1000-500℃的高温下进行碳化处理，即可制成含碳量为85%-95%的碳纤维。

如果将碳纤维在2500-3000℃的高温下，在氮气中进行石墨化处理，则碳纤维中的石墨晶体沿着纤维方向的排列会更加整齐，从而提高了弹性模量。经过石墨化处理的碳纤维又称石墨纤维或高模量碳纤维。与玻璃纤维相比，碳以石墨方式出现，是六方晶体结构，六方底面上的原子以强大的共价键结合，所以碳纤维比玻璃纤维具有更高的强度，更高的弹性模量；其抗拉强度比玻璃纤维略高，而弹性模量则是玻璃纤维的4-6倍。玻璃纤维在300℃以上时的强度会逐步下降，碳纤维在达到2000℃以上的高温下强度和弹性模量基本上保持不变；在-180℃以下的低温下也不变脆。碳纤维比强度和比模量是一切耐热纤维中最高的。所以，碳纤维是比较理想的增强材料，可用来增强塑料，碳、金属和陶瓷等。2

碳纤维树脂复合材料的特点碳纤维通常和环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等组成复合材料。它们不仅保持了玻璃钢的许多优点，而且许多性能优于玻璃钢。这类材料的密度比铝轻，强度与钢接近。弹性模量比铝合金大，疲劳强度高，冲击韧性高，同时耐水和湿气，化学稳定性高，导热性好，受X射线辐射时其强度和模量不变化等。它还具有优良的耐磨减摩性及自润滑性、耐腐蚀、耐热等优点。因此它的比强度和比模量在现有复合材料中名列前茅。碳纤维-环氧复合材料的强度和弹性模量都超过铝合金而接近于高强度钢，完全弥补了玻璃钢弹性模量小的缺点。此外，玻璃纤维树脂复合材料由于弹性模量低，应变量也相应较大，当应变到1%-2%时，树脂要发生碎裂。因此，设计玻璃钢零件时，其允许承载应力不超过极限应力的60%。而碳纤维则因弹性模量大，设计时可以允许在极限应力条件下使用。另外，在高温老化试验中，碳纤维树脂复合材料的强度损失也比玻璃钢小。因此，碳纤维树脂复合材料可以制作宇宙飞行器的外层材料，人造卫星和火箭的机架、壳体、天线构架。在机械工业中，碳纤维树脂复合材料用作承载零件(如连杆)和耐磨零件(如活塞、密封圈)以及像齿轮、轴承等承载耐磨零件。它还用作有抗腐蚀要求的化工机械零件，如容器、管道、泵等。但这类材料不足之处是，碳纤维与树脂的黏结力不够大，各向异性程度较高，耐高温性能差等。2

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杨晓红 - 副教授 - 西南大学