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《Carbon 》

《 新 型 炭 材 料

《 碳 术 语 辞 典 》
《 纳 米 碳 管 》
 
炭纤维增强复合材料
(CARBON FIBER REINFORCED COMPOSITE)

  人类使用的材料经历了天然材料、加工材料、合成材料而进入到目前第四代的复合材料时代。复合材料是由有机高分子、无机非金属和金属等原材料复合而成的多相材料。它不仅能保持其原组分各自具有的部分特性,使各组分性能得到相互补充,甚至还可能赋予原组分呈单一材料时所不具备的优异性能。随着高性能炭纤维的开发和利用,也促使复合材料从玻璃纤维增强塑料的第一代进入以炭纤维增强塑料(CFRP)为代表的高级复合材料(ACM)的新时期。

  尽管炭纤维(CF)具有极高的比强度和比模量,但它属于脆性材料,只有将它与基体材料牢固地复合在一起时才能使之更有效地承载负荷。因此,CF主要还是在复合材料中用作增强材料。CF增强复合材料的性能除取决于CF本身和基体的性质外,还与基体中纤维的排列方式,基体中纤维的体积分数以及复合工艺有关。各类高分子树脂的重量轻、成型性好,易于生产,成本低廉,由高性能CF增强它们制成的炭纤维增强塑料(CFRP)是目前加工技术最成熟,使用最广泛的先进复合材料。除此之外,根据不同的特性要求还陆续开发了炭纤维增强炭(C/C)、炭纤维增强水泥(CFRCon)、炭纤维增强金属(CFRM)、炭纤维增强陶瓷(CFRCer)和炭纤维增强橡胶(CFRR)等各种复合材料。

  CFRP:所使用的基体树脂分为热固性和热塑性两大类。从力学性能、密度以及纤维和基体的粘结性考虑,目前热固性树脂多采用环氧树脂,通常它们可在-5℃~80℃使用,其后又开发了能在200℃甚至300℃使用的双马来酰亚胺和耐热的聚酰亚胺。增强纤维可用连续长丝或短切纤维。为了提高成型加工效率、降低成本以更有效地发挥纤维的增强效果,陆续开发了预浸品、织物等有一定形态的二维和三维中间基材。目前消耗的炭纤维中一半以上是由环氧树脂预浸渍后的预浸品加工成最终制品,其中单向预浸品又占炭纤维总耗量的40%。此外还开发了炭纤维片状模塑物(CFSMC)和由短切纤维与尼龙66等热塑性树脂制成的粒料(CFRTP)供注塑成型。根据制品要求,CFRP可通过手糊、模压、拉拨、缠绕以及注塑成型。CFRP具有密度低,比强度、比模量高,耐疲劳、抗蠕变、耐腐蚀、耐磨损、吸能抗振、导电导热和热膨胀系数小等一系列优异特性,已在航空、航天领域作为二次和一次结构材料,在文体休闲等诸多方面都得到了应用,今后在能源机械以及天然气压力容器,风力发电用大型叶片等领域将开拓更广阔的市场。利用其结构改变导致的电阻等性能的变化正在作为新的智能材料进行研究和开发。

  C/C:炭材料具有独特的物化性能,但其断裂伸长小,极易产生脆性破坏。经炭纤维增强后可阻止炭基体中裂纹的扩展,提高冲击强度和断裂韧性。由于C/C几乎完全由元素碳组成,故能承受极高的温度和极大的加热速率。C/C复合材料可通过多次浸渍的有机物炭化和化学气相沉积(CVD)法围绕成型织物形成炭基体。C/C的高比强度和高温热稳定性使之被用作宇宙飞船的超高温隔热材料和烧蚀材料;由于其具有优异的耐摩性能和高的热导率,故被用作飞机及汽车的制动材料。由于碳与生物体具有良好的生体亲和相容性,故被用作人工牙根、人工关节、心脏瓣膜等生体材料。

  CFRM:金属是强而韧的各向同性材料,与树脂相比金属基体可大大提高材料的使用温度,金属不会燃烧,潮湿条件下尺寸稳定,其导热、导电性能更好,CF增强后还可改善金属的高温性能。但多数金属高温下易与CF反应,使之力学性能变差,CF的导电性又有电偶腐蚀等问题。由于复合时要有较高温度和压力使之制造困难。目前这方面研究很多但实用的较少。

  CFRCom:主要是为了改善水泥的强度和韧性,已有长纤维、短纤维和无纺布增强的材料,其制品已被用于大型纪念碑,建筑物的幕墙板等处。

  CFRCer:主要以改善陶瓷的韧性为目的,CF/SiC, CF/SiO,CF/碳化物等复合材料有着比普通石墨材料更好的高温强度和高温抗氧化性,这些材料都正处于开发过程中。

  目前炭纤维复合材料主要还是利用其力学性能作为结构材料使用,今后在电磁、温度传感、电池电极以及智能结构等方面作为新的功能材料将会得到进一步研究开发。

立早 供稿

From 新型炭材料 1999年 第14卷 第4期 P80