第37卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.37,N o.3 2008年6月J ou rnal of ShanghaiNor m alUn i versity(Natural S ci en ces)2008,J un碳纤维及其复合材料的发展及应用上官倩芡,蔡泖华(上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418)摘要:叙述了碳纤维的结构形态、分类以及在力学、物理、化学方面的性能,介绍了碳纤维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的趋势.关键词:碳纤维;复合材料中图分类号:O636文献标识码:A文章编号:1000-5137(2008)03-0275-05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[1~3].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.本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍.1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1000e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/c m3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;º强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复为100%;»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;¼摩擦系数小,并具有润滑性;½导电性好,25e时高模量碳纤维的比电阻为775L8/c m,高强度碳纤维则为1500L8/c m;¾耐高温和低温性好,在3000e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;¿耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀[4~7].除此之外,碳纤维还具有耐油、抗辐射、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-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[8],如图1所示.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0.1421n m;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360~0.3440n m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,活性收稿日期:2008-01-04基金项目:上海市教委科研基金项目(06D Z034).作者简介:上官倩芡(1974-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.图1碳纤维结构示意图比较高.因此,碳纤维的表面活性与处于边缘位置的碳原子数目有关[9].碳纤维形成过程中,其表面会形成各种微小的缺陷.这是由于原丝在碳化过程中,大量的元素以及各种气体(如CO2,CO,H2O,NH3, H2,N2)的形成逸出,使纤维表面和内部形成空穴和缺陷.特别是某一阶段放出气体过于剧烈时,纤维表面和内部生产的空穴和缺陷更为严重.这些空穴和缺陷的存在,将对碳纤维的强度产生很大影响.碳纤维在受力时,应力-应变曲线是线性关系,纤维断裂是突然发生的.绝大多数纤维断裂是发生在有缺陷或裂纹的地方[10].由于原料及制法不同,所得碳纤维的性能也不一样.一般来讲,碳纤维可从以下两个方面进行分类[11~13]:(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腈基碳纤维、纤维素基碳纤维、沥青基碳纤维、酚醛基碳纤维等.1.1聚丙烯腈基碳纤维聚丙烯腈(PAN)基碳纤维由聚丙烯腈经纺丝、预氧、碳化几个阶段形成.PAN基碳纤维具有高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点,并具有很强的抗压抗弯性能,一直在增强复合材料中保持着主导地位.目前,PAN基碳纤维仍是碳纤维市场中的主流.PAN基碳纤维应用的主要领域有:航空航天工业,地面交通工具,如汽车、赛车、快速列车等,造船工业、码头和海上设施,体育用品与休闲用品,电子产品,基础设施以及造纸、纺织、医疗器械、化工、冶金、石油、机械工业等领域,要求零部件在高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作.1.2粘胶基碳纤维粘胶基碳纤维是由主要成分为纤维素的粘胶纤维经过脱水、热解然后碳化而得来的.粘胶基碳纤维的三维石墨结构不发达,导热系数小;石墨层间距大,石墨微晶取向度低,因此是理想的耐烧蚀和隔热及热防护材料.同时,粘胶基碳纤维是由天然纤维素木材或棉绒转化而来,与生物的相容性极好,又可作为良好的环保和医用卫生材料.但是,由于生产粘胶基碳纤维的工艺流程较长,工艺条件苛刻,不适宜大批量生产,成本较高;另外,粘胶基碳纤维的整体性能指标比PAN基碳纤维的要差,综合性能价格比在竞争中处于劣势,因此从20世纪60年代以来其生产规模逐渐萎缩,目前产量已不足世界碳纤维产量的1%.1.3沥青基碳纤维沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料,经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成.沥青基碳纤维的生产原料成本低于聚丙烯腈基碳纤维,但由于沥青基碳纤维的生产工艺复杂,反而使其生产成本大大增加.此外,沥青基碳纤维抗压强度比较低,其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纤维,因此其生产规模和应用领域都受到了一定限制.不过,由于沥青基碳纤维具有优良的传热、导电性能和极低的热膨胀系数,因此仍在必须要求这些性能的军工及航天领域发挥着独特作用.1.4酚醛基碳纤维酚醛基碳纤维阻燃性、绝缘性极好;可在松弛条件下碳化,加工工艺简单,碳化时间短且温度低,碳化率高,且手感柔软,但强度和模量较低.酚醛基碳纤维主要用于复写纸原料,耐腐蚀电线,以及用来制276上海师范大学学报(自然科学版)2008年造耐热、防化防毒、无尘等特种服装.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[14].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.但是,它的致命弱点是脆性大,并且对裂纹、气孔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,因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[15].2.2 碳/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[16].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[17].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[18,19].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.热固性树脂由反应性低分子量预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一承载外力的整体,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[20,21].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277 第3期 上官倩芡,蔡泖华:碳纤维及其复合材料的发展及应用278上海师范大学学报(自然科学版)2008年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用[5].碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域有着大量的应用,如航天飞机的舱门、仿生机械臂以及压力容器等,因采用碳纤维增强树脂基复合材料而具有质量轻、强度高的优点.随着航空制造技术的不断发展,先进民用飞机在结构中大量地使用了碳纤维增强树脂基复合材料,主要部位有:整流包皮、副翼、发动机罩、阻力板、扰流器、起落架舱门、水平和垂直尾翼、方向舵及其他主要及次要承力结构件等.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、体育器材等.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.3总结碳纤维复合材料是一种高性能、多功能的先进复合材料.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.[2]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]C HUNG D D L.C o m par ison of sub m icron-dia m eter carbon fila m ents and conventi 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and its co m pos ites i s ind i cated .K ey word s :carbon fi ber ;composite(责任编辑:顾浩然)279第3期 上官倩芡,蔡泖华:碳纤维及其复合材料的发展及应用。