碳纤维超高分子量聚乙烯复合材料的制备及物理力学性能测试毕业论文.doc

本科毕业设计（论文） 题 目：碳纤维/超高分子量聚乙烯复合材 料的制备及物理力学性能测试 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它摘要本课题选用高强度碳纤维作为增强材料，超高分子量聚乙烯为基体，制备不同含量的碳纤维/超高分子量聚乙烯试样，并对其物理力学性能进行测定，研究碳纤维含量对复合材料性能的影响及碳纤维在复合材料中所起的作用。通过对碳纤维/超高分子量聚乙烯试样拉伸性能和抗弯性能的测试发现:在超高分子量聚乙烯中添加碳纤维进行共混可以明显提高复合材料的力学性能，像拉伸性能，抗弯性能都得到不同程度的增强。随着碳纤维在复合材料里所占含量逐渐增大，拉断和压断复合材料需要的力越来越大，即复合材料的抗拉断和抗压断能力都逐渐增强。当超高分子量聚乙烯含量占复合材料的60%时，随着碳纤维含量在复合材料里逐渐增大，拉断和压断复合材料需要的力也都越来越大，但都没有超高分子量聚乙烯含量占复合材料的50%时所需的力大。根据实验得出当超高分子量聚乙烯含量占复合材料的50%时，碳纤维含量占复合材料的2%时，拉断和压断复合材料所需要的力都达到最大，复合材料的抗拉断性能和抗压断性能都达到最优。 关键词： 碳纤维; 超高分子量聚乙烯; 拉伸性能; 抗弯性能 Carbon Fiber / UHMWPE Composites and Physical and Mechanical Performance Test Abstract：The topic select high-strength Carbon fiber as a reinforcing material, Ultra-high Molecular Weight Polyethylene as matrix.With the content of Carbon fiber / UHMWPE specimens, and their physical and mechanical properties were measured, research Carbon fiber on the properties of composite materials and Carbon fiber in the composite role. Through the carbon fiber / UHMWPE specimens tensile and flexural properties of the test found that: adding Carbon fiber in UHMWPE can significantly improve the composite materials mechanical properties, such as tensile and bending properties have been enhanced to varying degrees. With the Carbon fiber content in the composite material in the share increases, and the pressure to pull off the force required to break the composite materials is growing, that the composite tensile and compressive breaking. Breaking capacity is gradually increased. When the UHMWPE content accounted for 60% of the composite material, as the Carbon fiber content in the composite material increases in materials, tensile and compressive force required to break composite materials are also growing. But none UHMWPE content accounting for 50% of the composite force required. According to the experimental results, when the UHMWPE content accounted for 50% of the composite material, the Carbon fiber content of the composite material for 2%,the pull-down and breaks the composite material reaches the maximum force required, the composite tensile and compressive breaking performance. Breaking performance is optimal.Keywords: Carbon fiber; UHMWPE; Tensile properties; Bending properties 目录1. 前言.1 1.1 研究背景、目的及其意义.1 1.2 碳纤维国内外发展概况.2 1.3 碳纤维增强树脂基复合材料研究进展.3 1.4 碳纤维复合材料的应用.4 1.5 主要研究内容.62. 基础理论综述.6 2.1 碳纤维概述.6 2.2 超高分子量聚乙烯概述.7 2.3 超高分子量聚乙烯的性能.7 2.4 超高分子量聚乙烯的改性.8 2.4.1 改性方法.9 2.5 实验方法简述. .103. 不加碳纤维时超高分子量聚乙烯材料性能的测试.10 3.1 试验准备.10 3.1.1 试验材料.10 3.1.2 试验设备.103.2 试验过程.11 3.2.1 超高分子量材料的制备.11 3.2.2 拉伸性能的测定.13 3.2.3 抗弯性能的测定.133.3 试验结果与分析.13 3.3.1 试验结果.13 3.3.2 结果分析.144. 添加1碳纤维时对超高分子量聚乙烯材料性能的影响.15 4.1 试验准备.15 4.1.1 试验材料.15 4.1.2 试验设备.154.2 试验过程.15 4.2.1 碳纤维/超高分子量材料的制备.15 4.2.2 拉伸性能的测定.15 4.2.3 抗弯性能的测定.154.3 试验结果与分析.16 4.3.1 试验结果.16 4.3.2 结果分析.165. 添加2碳纤维时对超高分子量聚乙烯材料性能的影响.17 5.1 试验准备.17 5.1.1 试验材料.17 5.1.2 试验设备.175.2 试验过程.17 5.2.1 碳纤维/超高分子量材料的制备.17 5.2.2 拉伸性能的测定.17 5.2.3 抗弯性能的测定.185.3 试验结果与分析.18 5.3.1 试验结果.18 5.3.2 结果分析.186. 试验小结.197. 试验数据分析.197.1 拉伸数据图.197.2 抗弯数据图.21结论.24展望.25问题与建议.26致谢.27参考文献.28 1 前言 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，材料与人民的生活、国民经济建设和国防建设密切相关，它与信息、能源被誉为当代文明的三大支柱。复合材料是材料领域的后起之秀，它的出现带来了材料领域的重大变革，从而形成了金属材料、无机材料、高分子材料和复合材料多角共存的格局。复合材料的发展经历了三个阶段:第一阶段，1942研制成功玻璃纤维增强复合材料;第二阶段，20世纪60年代研制的碳纤维增强复合材料;第三阶段，纤维增强金属基复合材料阶段。其中纤维增强树脂基复合材料因有比强度高、比模量大、比重小等特点，而得到广泛应用。 碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是以有机高分子材料为基体、碳纤维为增强材料，通过复合工艺制备而成，具有明显优于原组分性能的一类新型材料。它具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、便于大面积整体成型以及具有特殊电磁性能等特点，已经成为最重要的航空结构材料之一。碳纤维增强树脂基复合材料所用基体树脂主要分为两大类，一类是热固性树脂(Thermoset-tings，TS)，另一类是热塑性树脂 (Thermoplastics，TP)。热固性树脂由反应性低分子量预聚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。常用的有环氧树脂、酚醛树脂、双马来亚酰胺树脂等。热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成，在一定条件下溶解和熔融，只发生物理变化。常用的有聚乙烯、尼龙、聚醚醚酮等。1.1 研究背景、目的及其意义 碳纤维增强树脂复合材料是较常见的碳纤维复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。碳纤维增强树脂基复合材料在对密度、刚度、重量、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，都颇具优势。近些年来，该类碳纤维复合材料在工程中的应用迅猛增长，主要是代替传统的金属材料，用于飞机制造、汽车制造、造船、化工、家具与电气设备等领域，特别是在航空、舰艇、核能等领域尤其受到重用，新型的碳纤维增强复合材料己经从试用到生产、从单个零件到大面积使用、从军用产品到民用产品均得到迅速的发展，大规模采用复合材料的日子己经为期不远，应用前景十分广阔。 碳纤维增强复合材料性能的提高依赖于界面结合强度的提高。控制界面结合强度的最关键因素是对碳纤维进行表面处理，增加碳纤维表面有效官能团。界面对碳纤维复合材料特别是其力学性能起着极为重要的作用，它使纤维与基体形成一个整体，并通过它传递应力，界面结合强度的提高是其研究的重要方面。而复合材料界面问题牵涉面很广，它与增强体、基体组分、表面性质、偶联剂、复合工艺、工作条件环境等因素有关。因此，弄清不同因素对其界面性能的影响，不仅具有很高的学术价值，而且对提高复合材料整体性能具有重要的指导作用。1.2 碳纤维国内外发展概况碳纤维发展最早可追溯到1860年,J.Sown研制但未成功的试图用于灯泡的灯丝开始,1880年T.A.Edison成功研制出白炽碳丝灯泡,而真正有碳纤维工业化是从1959年美国联合碳化物公司(UCC)粘胶基碳纤维(CF)工业化。同年日本人A.Shin do发明了用PAN原丝制取CF的新方法并申请了专利。目前世界碳纤维生产主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家和我国台湾省,其中日本的三家企业:东丽公司、东邦公司和三菱人造丝就占据了全世界78%左右的产量。我国碳纤维研究与生产并不比日本、美国晚,但发展缓慢。早在20世纪60一70年代,在国家有关部门支持下,十几家科研单位就已开始碳纤维研究工作。经过30多年努力,目前各种规格的碳纤维生产能力已达20多吨。但我国碳纤维的品质、产量与日、美等国比较至少落后20年,其主要原因是原丝品质没有真正过关,其次生产规模小,技术设备落后,产品品质不稳定,生产效益差。目前,国内碳纤维年用量为1500吨,其中95%依赖进口。碳纤维由石墨层片为基本结构单元组成乱层石墨结构,数十张层片组成石墨微晶,再由石墨微晶组成原纤,进而形成沿纤维轴择优取向的同质多晶结构。由于在碳纤形成过程中,非碳原子的脱除会形成各种微小缺陷,加之微晶的大小、取向程度等诸因素影响使得最终纤维强度及模量与理论值差异较大,从另一方面说明发展高强度高模量碳纤维仍具有很大潜力。碳纤维按原料分类可分为聚丙烯睛基(PAN)碳纤维、沥青基碳纤维、胶粘基和酚醛树脂碳纤维,目前主要以PAN碳纤维、沥青基碳纤维为主。碳纤维既有碳材料固有性质,又有金属材料的导电性和导热性、陶瓷材料的耐热性和耐腐蚀性、纺织纤维的柔软可编性以及高分子材料的轻质、易加工性能,是性能优异的功能材料和结构材料。碳纤维广泛应用于航空、交通运输、建材等领域外,在体育休闲和一般产业领域得到了广泛.的发展,80年代中期, 碳纤维在体育用途方面的消耗量超过宇航用途,同时在开发低电压或电磁界面隔板塑料结构件及智能材料方面有着巨大潜力。1.3 碳纤维增强树脂基复合材料研究进展 碳纤维以热碳化方式由聚丙烯腈、沥青或粘胶加工而成，具有高强度、高模量、优异的耐酸碱性和抗蠕变性。对碳纤维增强树脂基复合材料的研究主要集中在对纤维进行改性、对树脂基体进行改性和改善纤维和树脂基体的粘接性能这几个方面。Feng An等用气溶胶辅助化学气相沉积法在T-300纤维表面接枝碳纳米管，使接枝后的纤维气体吸附BET法比表面积几乎是原碳纤维的三倍，达到2.22m2/g。接枝的碳纳米管有效地增加了纤维和树脂的接触面积，使载荷更有效地在纤维树脂界面传递，表面接枝后的纤维拉伸强度单丝拔出试验较原纤维下降不到10%，但是其复合材料的界面剪切强度却提高了94%。SEM图像表明，接枝碳纳米管的碳纤维复合材料单丝拔出试验后纤维与树脂基体的断面较未接枝碳纳米管的原碳纤维与树脂基体断面更粗糙。Li Jin等用碳纤维作为工作电极，用循环伏安法或计时电位法，分别将苯酚、间苯二胺、丙烯酸的电聚合物沉积在碳纤维表面。用处理后的纤维与酚醛树脂制备纤维增强树脂复合材料，力学性能测试结果表明:经间苯二胺处理后，复合材料的弯曲和层间剪切强度分别提高了68%和87%;经苯酚处理后，复合材料的弯曲和层间剪切强度分别提高了100%和112%;经丙烯酸处理后，复合材料的弯曲和层间剪切强度分别提高了80%和100%。Benham Ashrafi等先对单壁碳纳米管进行预处理，使其能更好地在环氧中分散，然后与单向碳纤维制备成为复合材料。力学性能测试表明，当单壁碳纳米管的质量分数为0.1%时，复合材料的冲击强度下降5%，但是其冲击后压缩性能却提高3.5%。材料的I型和II型层间断裂韧性分别提高了13%和28%。复合材料断裂面的SEM图像表明，单壁碳纳米管和树脂基体之间有拔出和剥离两种破坏方式。Masahiro Toyoda等先将碳纤维在HNO3电解质溶液中恒电流电解，然后在1000下使其剥离，制备成为纳米或亚微米级的碳纤维原纤(Exc-fs)。用超声分散的方法使其均匀分散在聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)中，制备成为Exc Fs增强PMMA 复合材料。材料的弯曲强度和模量较原PMMA提高了166%和171%。复合材料断面的SEM图像显示在断面没有Exc Fs聚集的现象，表明Exc Fs在PMMA树脂基体中分散良好。Kingsley K C Ho等用常压等离子处理碳纤维，当处理后碳纤维表面的氟的质量分数达到3.7%时，碳纤维/聚偏氟乙烯复合材料的弯曲强度由处理前的225MPa提高到465MPa，弯曲模量由80GPa提高到110GPa，短梁强度由7.2MPa提高到21MPa。研究表明对碳纤维表面等离子处理增强了纤维和树脂基体之间的范德华作用力。Zhiwei Xu等分别利用氧化还原法和射线预辐照法用丙烯酸对碳纤维进行表面处理，用处理后的碳纤维与环氧树脂制备成复合材料。两种方法处理后碳纤维表面的氧含量都明显增加，增加了纤维表明极性基团的含量，增强了环氧树脂对碳纤维的浸润性。复合材料的层间剪切强度(ILSS)测试表明，预辐照处理和氧化还原法丙烯酸处理使复合材料的ILSS强度提高了16%左右，与此同时复合材料的拉伸强度只是有轻微的下降。Tiwari S等用浓硝酸处理碳纤维，然后与聚醚酰亚胺(PEI)制备复合材料。力学性能测试表明，经浓硝酸90min处理后复合材料达到了较好的力学性能，弯曲强度和模量由处理前的927MPa和59GPa提高到1198MPa和65GPa，层间剪切强度也由处理前的34MPa提高到58MPa。浓硝酸对纤维的表明改性处理同时有效地增强了复合材料的耐摩擦性能。1.4 碳纤维复合材料的应用 碳纤维复合材料主要是以满足航空航天对高性能材料的要求而发展起来的。随着碳纤维复合材料的优异性能越来越多地被认识和接受，其在能源、交通、汽车、海洋、建筑及其他工业部门的应用近年来在快速地发展。 为了提高和改善飞机性能，早在20世纪50年代，美国空军材料实验室（AFML）就开始寻求一种新型的结构材料，碳纤维复合材料正是在这种背景下被列入发展计划。碳纤维复合材料的研究开发启迪于对玻璃纤维复合材料性能的认识和经验。通常玻璃纤维复合材料的密度要高出碳纤维复合材料的1/3以上，其抗拉强度仅是碳纤维复合材料的2/3，而其模量则不到1/3，满足不了高性能飞机的要求。因此研究高强度、高模量及低密度的增强纤维成为发展高性能纤维复合材料的前提。在碳纤维之前，曾经开发过硼纤维，1960年钨丝芯硼纤维开始了小批量的生产，硼纤维直径约100m，其弹性模量达400GPa，拉抗强度达3800MPa；环氧增强的硼纤维（VF60%）弹性模量达200GPa（相对密度2.0），是玻璃纤维复合材料的弹性模量40GPa（相对密度1.8）的5倍，约是铝合金的弹性模量70GPa（相对密度2.7）的3倍。因此美国空军材料实验室将环氧增强的硼纤维复合材料命名为先进复合材料（Advanced composite materials，ACM），并于20世纪60年代后期开始了在飞机结构上的应用，如飞机水平尾翼和垂直稳定面翼盒结构等。但是，硼纤维生产工艺复杂，成本高，硼纤维本身粗硬，很难在结构上推广应用。基于这一事实，着手发展碳纤维复合材料，于20世纪60年代后期，研发成功聚丙烯腈基碳纤维并实现批量生产，从此开始了碳纤维复合材料在航空航天领域应用的里程。碳纤维复合材料具有优异的综合性能，被看成是一种理想的航空航天结构材料，近40年来，在航空航天领域应用得到长足的发展。碳纤维复合材料在航天领域主要应用于导弹弹头、弹体、火箭箭体、发动机壳体的结构部件，以及大型卫星结构体、太阳能电池阵、天线等的主承力结构件。碳/碳和碳/酚醛复合材料用于弹头端头、发动机喷管喉衬等耐烧蚀部件的防热，如美国“侏儒”、“民兵”、“三叉戟”等战略导弹；碳纤维复合材料用于固体发动机壳体，如美国“大力神-4”火箭、法国的“阿里安娜-2”火箭改型、日本的M-5火箭等的发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为5.3GPa的IM-7碳纤维。以高性能碳（石墨）纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和空间飞行器上也发挥着不可替代的作用，有力地推动了航天技术的发展。碳纤维增强树脂基复合材料也被用于航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。美国航天飞机的防热对于确保安全飞行至关重要，根据使用部位的要求不同，共涉及8 种材料：低温重复使用表面绝热材料（LRSI），高温重复使用表面绝热材料（HRSI），柔性重复使用表面绝热材料（FRSI），高级柔性重复使用表面绝热材料（AFRI），高温耐熔纤维复合材料（FRIC-HRSI），增强型碳/碳复合材料（RCC），金属，二氧化硅织物。其中增强型碳/碳复合材料最为重要，需要耐受航天飞机再入大气层时1700的高温。随着全球石油资源紧缺局面的加剧，新能源的开发和利用已成为当今十分重要的研究课题，其中风能的开发和利用已形成全球的共识。据预测，未来10年内，全球风能市场将保持每年20%的增长速度，每年新增风电装机容量将由2007年的2万MW增加到2017年的10.7万MW；全球风电装机总容量也将从2007年的9.4万MW增至2017年的71.8万MW。中国的增长速率可能会更快，据估计中国风电叶片的需求量在20062010年之间约为7000多片，20112020年之间将达到50000片。MW级的风机叶片长度在40m以上，10MW级的风机叶片长度达60m，必须采用碳纤维复合材料才能满足叶片轻质、高强度和高模量的要求。因此风电市场的快速增长将极大地推动碳纤维复合材料产业的发展。对于未来的汽车工业，碳纤维复合材料将成为汽车制造的主流材料。2001年宝马公司率先开发和试验高强轻质的碳纤维复合材料（CFRP）车体板和其他部件，所用碳纤维系Zoltek公司生产的大丝束产品，目标是2007年生产出采用CFRP制造的系列汽车。Zoltek公司总裁确信，碳纤维将引起汽车工业革命性的变革。英国Cranfield大学的研究成果也表明，每年生产2万辆的CFRP汽车是可行的。这种轻质化材料的汽车将改进其燃料效率，轻质化材料部件的刚性比钢制部件高，在高风阻力下具有良好稳定性，这一点对赛车和运动型车而言更为重要。目前已研制出的CFRP汽车长4.3m、宽1.7m、高1.4m，重量只有570kg。CFRP材料由德国Tenax公司生产提供。美国福特公司在数年前研制成功的一款称之为“Sunrise”的体验型全复合材料汽车，并生产出数辆样车，这种以“金牛座”汽车为基型的复合材料汽车，总重量不到“金牛座”的2/3（即2000/3314，磅），汽油的使用效能达38.5km/L。包括车身和底盘基座等在内的大多复合材料部件采用低成本的整体成型技术，既提高了性能，又降低了成本。此外，部分型号的奔驰车车门也采用了CFRP材料，目前每年只生产1000件这样的车门。加拿大的一家汽车公司认为，目前碳纤维的价格对价值20万美元的汽车是可接受的，他们研制的C-7豪华双人旅游车便采用了CFRP部件，该车的空气动力学车头和仪表板均是由CFRP制成的。除了碳纤维复合材料，其他新型复合材料也在汽车上有广泛应用，例如，汽车的光显示系统采用了塑料光纤，发动机的传感器采用了耐150180高温的耐热塑料光纤，汽车的空调滤材采用熔喷法超细纤维的无纺布滤材（美国3M公司采用熔喷法生产的超细纤维聚酯无纺布滤材），汽车的轮胎帘子布采用芳纶帘子布。芳纶是一种高强度纤维，可以用1层代替传统的6层尼龙帘子布，不仅减轻了重量，而且摩擦阻力小、操控稳定性好，适合高速行驶。米其林公司现在就有一条芳纶子午轮胎生产线。聚合物树脂基体以及高性能的玻璃纤维、碳纤维和芳纶增强体的复合材料在一些新的应用领域取得进展，如具有防爆功能的装甲复合材料，以天然气作动力的汽车发动机汽缸，机械驱动轴，高速路高架桥承载梁等，在基建、兵器、医疗器械、体育休闲用品等领域都存在巨大的市场潜力。西欧、美国和日本在家居用品方面，复合材料的用量在过去的20年间也有很大的增长，而在中国，大规模地采用复合材料成品的市场还有待于进一步开发。1.5 主要研究内容由于超高分子量聚乙烯熔体粘度极高,加工比较困难,限制了其的应用，超高分子量聚乙烯通过改性,可以改变其缺陷,提高了其加工流动性,可以达到增韧、增强、提高耐热以及抗磨损的性能。但是改性后的超高分子量聚乙烯的抗冲击性、耐磨性等物理机械性能较纯的超高分子量聚乙烯下降较多,下降的幅度随着超高分子量聚乙烯的比例降低而增加，因此使用碳纤维增强改性的超高分子量聚乙烯，使超高分子量聚乙烯的优异性能得到更为广泛研究和应用。 2. 基础理论综述2.1 碳纤维概述碳纤维（CF）是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。一般是指纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%的石墨纤维，它不属于有机纤维范畴，但从制法上看，它又不同于普通无机纤维。按力学性能，可将碳纤维分成高强型（high intensity，HT）、高模型（high modulus， HM）和通用型（general-purpose，GP）等；按原料划分，主要有纤维素基（以粘胶纤维为主）、聚丙烯腈基、沥青基及酚醛树脂基等几种；按功能分类，有受力结构用碳纤维、活性碳纤维、导电碳纤维、耐燃碳纤维及耐磨碳纤维等。 碳纤维的研究与应用已经有一百多年的历史。1880年，爱迪生用棉、亚麻等纤维制取碳丝用作电灯丝，因为碳丝亮度太低，加上太脆和易氧化，后改为钨丝。20世纪60年代，人们对碳纤维的原料及制造方法等方面进行了大量的研究工作。1959年，美国联合碳化物公司（Union Carbon Corp）研究出了人造丝为原料，通过控制热解制造碳纤维，用与上述类似的工艺制造碳纤维。1964年以后，碳纤维向高强度高模量方向发展。生产碳纤维的原料主要有人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯腈和沥青三种，而聚丙烯腈是主要原料。日本、美国是世界上主要生产碳纤维的国家，目前我国碳纤维的产量每年超过百吨，但是质量不是很高，日本不仅是碳纤维的主要产量国，而且是世界上各国高质量聚丙烯腈的供应国。碳纤维的性能优异，其抗拉强度和模量分别可达2-4GPa和400-700GPa，还具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、低膨胀、高热导和耐化学辐射等优点。此外，还具有纤维的柔曲性和可编织性，在航空航天、军事、工业、体育器材等许多方面有着广泛的应用。另外，它具有良好的组织相容性，是一种很好的生物材料。但是，碳纤维较脆，易断，易脱落，其微米尺寸的纤维可能对人体有害。因此在碳纤维增强树脂基复合材料的制备中，尤其需要注意基体与纤维的结合性能。2.2 超高分子量聚乙烯概述按照美国菲利浦石油公司的划分方法,则将平均分子量在150万以上的聚乙烯成为超高分子量聚乙烯，一般分子量在100万到400万，最高可达1000万。超高分子量聚乙烯是一种综合性能十分优异的热塑性工程塑料。但是由于其极高的分子量,在具有优异性能的同时,加工也极其困难,使得其成型工艺比较局限。当前主要的问题也集中对超高分子量聚乙烯进行改性,最迫切的改性是有关于加工流动性的研究。2.3 超高分子量聚