碳纤维复合材料要点

1、碳纤维复合材料在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下 别具特色的碳纤维复合材料。碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异， 一般在90砌上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导 电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向 异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤 维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不

2、熔融的人造化学纤维，经 热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4 ,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的79倍，抗拉弹性模量为2300043000Mpa亦高于钢。因此 CFRP的比强度即材料的强度与其 密度之比可达到 2000Mpa/(g/cm3) 以上，而 A3钢的 比强度仅为 59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。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。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格

3、要求的领域，在 要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。碳纤维是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。随着尖端 技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。 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。被誉为“梦幻材料"的碳纤维，由于它强度高、质轻、加工性好、耐腐蚀和高模量，采 用玻璃钢技术，应用于航天航空和军事、能源交通等重要领域.由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度

4、高而成为一种先进的航 空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。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重量的1/4 ,占机翼重量的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。现在的F1 (世界一级方程 锦标赛)赛车，车身大部分结构都用碳纤维 材料。顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和结构 强度碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中 碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加

5、入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合 材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料 以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。目前，碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料这种复合材料来应用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

6、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。目前，人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、月青纶丝、人 造丝等）做原料，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中， 在一定压强下强热炭化而成 碳纤维是纤维状的碳材料，具化学组成中含碳量在 90%以上。由于碳的单质在高温下不能熔化（在 3800K以上升华），而在各种 溶剂中都不溶解，所以迄今无法用碳的单质来制碳纤维。碳纤维可通过高分子有机纤维的

7、固相碳化或低分子姓类的气相热解来制取。上前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯月青纤维的固相碳化制得的。具产生的步骤为A预氧化：在空气中加热，维持在 200-300度数十至数百分钟。预氧化的目的为使 聚丙烯月青的线型分子链转化为耐热的梯型结构， 以使其在高温碳化时不熔不燃而 保持纤维状态。B碳化：在惰性气氛中加热至1200-1600度，维持数分至数十 分钟，就可生成产品碳纤维；所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氮气或氮气， 但一般多用高纯氮气。C石墨化：再在惰性气氛（一般为高纯氮气）加热至 2000-3000度，维持数秒至数十秒钟；这样生成的碳纤维也称石墨纤维。碳纤维有极好的纤度（纤度的

8、表示法之一是 9000米长的纤维的克数），一般仅约为 19克；拉力高达300KG/MM2 ;还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数 小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性 能。目前，碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料来应用。 这种增强塑料比钢、玻璃钢更 优越，用途非常广泛，如制造火箭、宇宙飞船等重要材料；制造喷气式发动机； 制造耐腐蚀化工设备等。羽毛球：现在大部分羽毛球拍杆由碳纤维制成。【碳纤维】carbon fibre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

9、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。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合 时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面 处理碳纤维可分别用聚丙烯月青纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得； 按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维 又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。 强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2。用量最大的是聚丙烯腈基碳纤维。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。 碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强