第３９卷第９期２０１０年９月辽宁化工Ｖ０１．３９，Ｎｏ．９Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２０１０ＬｉａｏｎｉｎｇＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ碳纤维及其复合材料的研究应用进展李军（辽阳石油化纤公司英华化工厂，辽宁辽阳１１１００３）摘要：，介绍了碳纤维及其增强复合材料的特性，着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择和应用，指出了碳纤维及其复合材料进一步发展应用的前景。关键词：碳纤维；增强树脂；复合材料中图分类号：ＴＱ３４２＋．７４２文献标识码：Ａ文章编号：１００４—０９３５（２０１０）０９—０９９０—０３碳纤维是一种含碳量高于９０％的无机高分子纤维。其中含碳量高于９９％的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，Ｘ射线透过性好。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。射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。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一射线、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。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０．１４２ｌａｍ；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，由于原料及其制法不同，碳纤维可以从以下两个方面进行分类：（１）根据碳纤维的力学性能可分为高模量、超高模量、高强度和超高强度４种。（２）根据原丝的类型可分为聚丙烯晴基碳纤维、纤维素基碳纤维、沥青基碳纤维、酚醛基碳纤维等。碳纤维是２０世纪５０年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖ｌ碳纤维特性、结构及分类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／ｅｍ３，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７７５Ｑ・ｅｍ，高强度碳纤维则为１５００Ｑ・ｃｍ；（６）耐高温和低温性好，在３ｏｏｏ℃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；（７）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、抗辐端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科收稿日期：２０１０－０８—１０作者简介：李军（１９７１一），女，工程师。万方数据第３９卷第９期李军：碳纤维及其复合材料的研究应用进展技工作者不断努力提高。世纪８０年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。２碳纤维增强复合材料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。２．１碳纤维增强陶瓷基复合材料陶瓷具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性，广泛应用于工业和民用产品。它的弱点是对裂纹、气孑Ｌ和夹杂物等细微的缺陷很敏感。用碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性，改变陶瓷的脆性断裂形态，同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料，冈其具有优良的高温力学性能，在高温下服役不需要额外的隔热措施，因而在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域具有广泛应用。２．２彬碳复合材料碳／碳复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称，也是一种高级复合材料。它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成。碳／碳复合材料主要由各类碳组成，即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种完全由人工设计、制造出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能，除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外，还具有较高的断裂韧性和假塑性。特别是在高温环境中，强度高、不熔不燃，仅是均匀烧蚀。这是任何金属材料无法与其比拟的。因此广泛应用于导弹弹头，固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等高科技领域。２．３碳纤维增强金属基复合材料碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维，金属为基体的复合材料。碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比，具有高的比强度和比模量；与陶瓷相比，具有高的韧性和耐冲击性能，金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等，其中，碳万方数据纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟。制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层，以防止在复合过程中损伤碳纤维，从而使复合材料的整体性能下降。目前，在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等，但因其过程复杂、成本高，限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用。２．４碳纤维增强树脂复合材料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¨。Ｊ。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。热同性树脂由反应性低分子量顶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。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。在制备复合材料时，碳纤维大致可分为两种类型：连续纤维和短纤维。连续纤维增强的复合材料通常具有更好的机械性能，但由于其制造成本较高，并不适应于大规模的生产。短纤维复合材料可采用与树脂基体相同的加工工艺，如模压成型、注射成型以及挤出成型等。当采用适合的成型工艺时，短纤维复合材料甚至可以具备与连续纤维复合材料相媲美的机械性能并且适宜于大规模的生产，因此短纤维复合材料近年来得到了广泛的应娟。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，在航空领域由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的质量每减少１ｋｇ，就可使运载火箭减轻５００ｋｇ。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机质辽宁化工２０１０年９月量的１／４，占机翼质量的１／３。据报道，美国航天飞机上３只火箭推进器的关键部件以及先进的ＭＸ导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的碳纤维是一种纤维状碳材料，它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。１９９９年发生在南联盟科索沃的战争中，北约使用石墨炸弹破坏了南联盟大部分电力供应，其原理就是产生了覆盖大范围地区的碳纤维云，这些导电性纤维使供电系统短路。在民用领域，碳纤维增强树脂基复合材料的应用也不断扩大，如汽车结构件、风力发电机叶片、体育器等。随着碳纤维成本的降低以及复合材料制造技术的发展，土木建筑和海底油田将是碳纤维复合材料应用领域的新增长点。以碳纤维复合材料代替传统金属材料制作建筑物的横梁、抗震结构，补强、修补或加固桥梁，制造油田勘探和开采器材以及平台、油、气储罐等将会有很大的发展。ｇ，拉力高达３００ｋｇ／ｍｍ２，目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多一系列的优异性能，因此在刚度、质量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料具备不可替代的优势。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。我国在碳纤维复合材料的研究方面起步不晚，但由于在复合材料的制备、性能分析和设计等方面还比较落后，与发达国家相比，碳纤维复合材料在国内相关领域特别是航空航天领域的应用还存在较大差距。要扩大碳纤维及其复合材料的应用范围，应该一方面开发高性能的碳纤维，打破国外对我国的封锁，满足我国军事、航空航天等行业的要求；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。相信随着我国在碳纤维生产以及复合材料制备工艺领域的进一步发展，碳纤维及其复合材料在建筑、交通、化工等民用领域的应用前景将十分乐观，而其在航空航天及军事领域的应用也会更加广泛。参考文献［１】贺福，王茂章．碳纤维及其复合材料［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９５．３结语碳纤维复合材料是一种高性能、多功能的先进复合材料。碳纤维被喻为是当今世界上材料综合性能的顶峰，是２１世纪的黑色革命，它的用途也不仅仅局限于替代钢铁材料，碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。碳纤维还具有极好的纤度（纤度的表示法之一是９０００Ｅ２］宋焕成，赵时熙．聚合物基复合材料［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９０．［３］ＣＨＵＮＧｍｅｎｔｓＤＤＬ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｕｂｍｉｃｒｏｎ—ｄｉａｍｅｔｅｒｃａｒｂｏｎｉｌｉａ－ａｓａｎｄｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｆｉｌｌｅｒｓｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉ・ａｌｓ［Ｊ］．Ｃａｒｂｏｎ，２００１（３９）：ｉ１１９一Ｉ１２５．［４］上官倩芡，蔡泖华．碳纤维及其复合材料的发展及应用［Ｊ】．上海师范大学学报，２００６，２３（５）：１—３．［５］贺福．碳纤维及其应用技术［Ｍ】．北京：化学工业出版社。２００４．ｍ长纤维的克数），一般仅约为１９ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒａｎｄＩｔｓＣｏｍｐｏｓｉｔｅ／２ＪＵＮＭａｔｅｒｉａｌｓ（ＬｉａｏｙａｎｇｍａｔｒｉｘｉｎｔｈｅｆｉｂｅｒＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＦｉｂｅｒＣｏｍｐａｎｙＹｉｎｇｈｕａＣｈｅｍｉｃａｌＰｌａｎｔ，Ｌｉａｏｙａｎｇｗｅｒｅ１１１００３，Ｃｈｉｎａ）ａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒａｎｄｉｔｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｓｅｌｅｃｔｉｏｎｃ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