[理学]碳纤维增强环氧树脂基复合材料研究进展讲解学习
碳纳米管-连续碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能研究
碳纳米管/连续碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能研究赵东林乔仁海沈曾民（北京化工大学可控化学反应科学与技术基础教育部重点实验室，碳纤维及复合材料研究所北京 100029）摘要：用竖式炉流动法，以二茂铁为催化剂，硫为助催化剂，苯为碳源制备了碳纳米管。
用T300连续碳纤维和多壁碳纳米管为增强体，环氧树脂为基体，制备了单向碳纤维与碳纳米管增强的树脂基复合材料，并研究了复合材料的力学性能，碳纤维的体积分数为60％。
基体中碳纳米管含量为0时，复合材料的断裂强度为1430Mpa，模量为118GPa；基体中碳纳米管含量为1wt％时，复合材料的断裂强度为1450MPa，模量为166GPa；基体中碳纳米管含量为3wt％时，复合材料的断裂强度为1780MPa，模量为164GPa；基体中碳纳米管含量为5wt％时，复合材料的断裂强度为1120MPa，模量为126GPa。
基体中碳纳米管含量为3wt％时，复合材料的力学性能最好。
关键词：碳纳米管，连续碳纤维，复合材料1 引言自1991年Iijima发现碳纳米管以来[1]，碳纳米管引起人们的广泛关注，成为化学、物理和材料等科学领域的研究热点。
制备碳纳米管的方法主要有石墨电弧法(又称直流电弧法)、催化裂解法、激光蒸发石墨棒法、热解聚合物法、火焰法、离子(电子束)辐射法、电解法、模型碳化等[2-9]，其中以Fe、Co、Ni等金属为催化剂，催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，使碳纳米管的工业化生产成为可能。
碳纳米管多种多样的形状和结构，使其具有许多潜在的应用价值，如用于材料的增强、一维量子导线、半导体材料、催化剂载体、分子吸收剂、隧道扫描和原子力显微镜的探头等。
碳纳米管具有管径小、长径比大的特点，直径在几十纳米以内，管的轴向长度为微米至厘米量级，是目前最细的纤维材料，这种独特的结构使碳纳米管具有优异的力学性能和独特的电学性能。
实验表明，单根多层碳纳米管杨氏模量平均为1.8 TPa，弯曲强度达14.2GPa[10]。
碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备及力学性能研究
碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备及力学性能研究碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备及力学性能研究摘要：碳纤维增强环氧树脂基复合材料具有出色的力学性能和优异的耐腐蚀性能，因此在许多领域广泛应用。
本研究使用真空浸渍工艺制备了碳纤维增强环氧树脂基复合材料，并对其力学性能进行了详细研究。
结果表明，制备过程中的浸渍时间、浸渍压力和固化温度对复合材料的力学性能有显著影响。
1. 引言碳纤维增强环氧树脂基复合材料被广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域。
其具有轻质、高强度、高模量、优异的耐腐蚀性能等特点，因此在替代传统金属材料方面具有巨大潜力。
本研究旨在通过真空浸渍工艺制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料，并对其力学性能进行评估和分析。
2. 实验方法2.1 材料准备碳纤维和环氧树脂材料被选作本实验的主要原料。
碳纤维具有优良的力学性能和导电性能，是制备复合材料的理想选择。
环氧树脂具有良好的粘接性能和化学稳定性，可以作为基体材料。
同时，活性固化剂和助剂用于提高复合材料的性能。
2.2 制备过程（1）将环氧树脂均匀涂布在碳纤维上；（2）将涂布好的碳纤维经过真空排气处理；（3）将预处理好的碳纤维进行真空浸渍；（4）浸渍后的碳纤维进行固化过程。
2.3 力学性能测试采用传统的拉伸试验和冲击试验评估复合材料的力学性能。
拉伸试验用于评估复合材料的拉伸强度、弹性模量和断裂应变，冲击试验用于评估复合材料的冲击强度。
3. 结果与讨论3.1 浸渍时间通过改变浸渍时间，研究了浸渍时间对复合材料力学性能的影响。
结果表明，随着浸渍时间的增加，复合材料的拉伸强度和弹性模量呈增加趋势，但当浸渍时间过长时，力学性能开始下降。
这是由于过长的浸渍时间导致材料内部产生孔隙和缺陷。
3.2 浸渍压力通过改变浸渍压力，研究了浸渍压力对复合材料力学性能的影响。
结果显示，随着浸渍压力的增加，复合材料的强度和韧性都得到了提高。
这是由于高压可以更好地填充碳纤维与环氧树脂之间的空隙，提高界面的粘合强度。
碳纤维增强环氧树脂基复合材料研究进展
2011.01.13
高性能塑料与工程
文献部分
1.Purpose:
CNF(0.5 wt.%, 0.75 wt.% and 1 wt.%）增强EP ➢ 不同含量的碳纳米纤维对环氧树脂的增强
效果
将复合材料分别在室温环境下固化（23℃） 和在冷冻环境下固化（4℃）
➢ 不同的固化方式对复合材料性能的影响
Wingard C D．Themlochimiea Acta，2000，357／358：293—301
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高性能塑料与工程
第五部分：界面结构表征方法
EP/CF复合材料的界面结构表征方法：
电镜分析 扫描电子显微镜 (SEM ) 透射电子显微镜 (TEM ) 扫描隧道显微镜 (STM ) 原子力显微镜(AFM )
材料导报 ,2006(5)：254-257
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高性能塑料与工程
第一部分： 碳纤维表面处理
等离子体氧化法： 利用非聚合性气体对材料表面进行物理和
化学作用的过程。
DilsizN,Ebert E,Weisweiler W.Effect of plasma polymerization on carbon fibers used fo7r fiber/epoxy．Comp JColloid Interf Sci，1995，170：241
EP/CF复合材料具有优异的性能：
与钢相比：
EP/CF复合材料的比强度为钢的4.8～7.2倍，比模量为钢的3.1～4.2倍，疲劳 强度约为钢的2.5倍、铝的3.3倍。
而且高温性能好，工作温度达400℃时其强度与模量基本保持不变。
此外还具有密度和线膨胀系数小、耐腐蚀、抗蠕变、整体性好、抗分层、 抗冲击等，在现有结构材料中，其比强度、比模量综合指标最高。
碳纳米管及碳纤维增强环氧树脂复合材料研究进展_邱军
收稿:2011-04-25;修回:2011-07-18;基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2009A A03Z528);作者简介:邱军,男,工学博士,教授,博士研究生导师,研究方向为高性能聚合物基复合材料;E -mail :qiujun @tong ji .edu .cn .碳纳米管及碳纤维增强环氧树脂复合材料研究进展邱 军,陈典兵(同济大学材料科学与工程学院,先进土木工程材料教育部重点实验室,上海 201804) 摘要:碳纳米管与碳纤维具有优异的力学、电学等性能,广泛用做复合材料增强体,但目前碳纳米管/碳纤维/环氧树脂复合材料的研究具有一定的局限性,只考虑了两相材料间的作用,即仅对单一相进行处理而忽略了另一相的改性。
本文从碳纳米管/碳纤维协同增强环氧树脂基体复合材料的思路入手,结合自己的研究成果,综述了国内外相关研究进展。
从研究结果可以看出,将三相材料之间完全有效地联系起来,发挥三者间的协同效应,复合材料的性能可以发生质的飞跃。
关键词:碳纳米管;碳纤维;环氧树脂;三相复合材料引言日本科学家Iijim a [1]在1991年首次发现碳纳米管(CN Ts )。
碳纳米管具有着优异的力学、电性能和热性能,抗拉强度达到200GPa ,弹性模量可达1TPa ,并且具有低密度、高长径比等结构特点,因此成为聚合物复合材料的理想增强材料。
碳纤维(CF )具有十分优异的力学性能,同时耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、低热膨胀系数、导电导性、电磁屏蔽性优良等。
碳纤维复合材料同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,广泛应用于航空航天、汽车、电子电气等领域[2]。
环氧树脂(EP )是一种高性能复合材料基体,具有优良的机械性能、绝缘性能、耐腐蚀性能、黏接性能和低收缩性能。
当前以环氧树脂为基体的高性能复合材料应用广泛,碳纳米管/环氧树脂复合材料和碳纤维/环氧树脂复合材料凸显了优异的力学和综合性能,那么如何再进一步提高这两类复合材料的性能呢?本文在简要综述碳纳米管和碳纤维对环氧树脂复合材料性能改善的前提下,进一步综述了碳纳米管/碳纤维/环氧树脂三相复合材料的研究进展,并对其可能的发展进行了预测。
耐高温碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备探究
耐高温碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备探究摘要：碳纤维增强环氧树脂基复合材料是当前阶段应用范围较广的一种复合材料，因其各方面的性能优势而受到更多行业的青睐，进入新时期之后，其耐高温性能受到更多的重视，文章从崭新的角度思考该项材料的制备过程。
文章就耐高温碳纤维增强环氧树脂基复合材料概述、制备流程进行了分析与论述。
关键词：耐高温；碳纤维；环氧树脂；复合材料；制备引言探究耐高温碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备过程，需明确其制备所需的基本条件、材料等，通过各种途径严控制备过程，降低各种变量对其制备过程的影响，以此来保证其基本性能。
1 耐高温碳纤维增强环氧树脂基复合材料概述碳纤维增强环氧树脂基复合材料指的是基体为环氧树脂、增强材料为碳纤维的一种全新的复合材料，其性能优势主要表现在：加工成型简单、抗化学腐蚀能力强、可设计性高、强度高、质量小等，已经广泛用于交通运输、国防军工、航空航天等领域。
而在该项复合材料应用领域逐渐扩张的背景下，其性能又被提出更高要求，比如耐高温性能等，就当前阶段来说，采用热熔法制备的一种碳纤维增强环氧树脂基复合材料有着更好的应用性能，而制备该项材料所用的树脂则多是进口而来的环氧树脂预浸料体系。
结合以上技术要求，基于具备高耐热性能的二聚酸改性缩水甘油胺类环氧树脂，制造一种通过热熔膜工艺制造而成的碳纤维增强环氧树脂预浸料环氧树脂体系，可引入二聚酸二缩水甘油胺类环氧树脂，其耐高温、柔韧性好，有着高延展、弹性、柔韧性的固化物体系，与碳纤维完成复合，在热压之后制备而成耐高温的碳纤维增强环氧树脂基复合材料[1]。
2 耐高温碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备流程2.1 准备制备原料制备原料与对应的规格如下表1所示：2.2 材料制备过程（1）制备环氧树脂胶膜。
其一，按照固定配方准备促进剂、固化剂、对应类型的环氧树脂；在低粘度TDE-85、DFA-TGDDE中分散促进剂、固化剂，高速搅拌，如此可使得各项材料在树脂中分散均匀；其二，加入DFA-TGBAPP、NPCN-701，维持在大约75℃的高温下搅拌，其后混匀混合→脱泡→冷却；其三，称量约5g树脂，存放在离型纸之上，并在大约70℃的高温下预热超过1min；其四，增加压力到7kPa，保持恒定温度30s，其后冷却之后再置于单独的瓶子内存放以备用[2]。
碳纤维及其复合材料研究进展
碳纤维及其复合材料研究进展（江苏理工学院材料工程学院12110116 于小健）摘要：本文在对碳纤维介绍的基础上，简单阐述了碳纤维的结构、特性及分类，并着重介绍了碳纤维复合材料的性质、分类、应用及成型方法，包括手糊成型，树脂传递模塑，喷射成型，注射成型，纤维缠绕成型及拉挤成型工艺。
关键词：碳纤维；复合材料；分类；成型Research progress of carbon fiber composite material Abstract: Based on the introduction of carbon fiber, briefly discusses the structure, characteristics and classification of carbon fiber, and emphatically introduces the properties of carbon fiber composite materials, classification, application and molding method, including hand lay-up molding, resin transfer molding, injection molding, Forming and pultrusion fiber windingKeywords: carbon fiber; composite material; classification; molding0.序言碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料。
它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。
纤维增强聚合物基复合材料研究进展
碳纤维复合材料，其所选择的是等级稍低的工业级CFRP材料，成本可以控制 在传统碳纤维材料的一半左右。
中投顾问化工行业研究员常轶智指出，为了提高燃油效率和降低二氧化碳的排 放量，近年来汽车轻量化发展已成趋势。而碳纤维复合材料具有质量轻、拉伸 模数高、拉伸强度大等特点，在汽车中的应用要明显优于钢材等其它材料，预 计未来其在汽车领域中的应用前景将十分乐观。 据悉，现在汽车领域对碳纤维复合材料的需求增长十分迅速，不少汽车的代工 工厂已经在与碳纤维制造商合作研制可用的汽车部件。例如，赢创与江森自控、 雅各布塑料(Jacob Plastic)以及东邦特纳克斯(Toho Tenax)共同研发碳纤维增强 塑料(CFRP)轻质材料；东丽与戴姆勒(Daimler)达成共同研发协议，为梅赛德 斯—奔驰研发CFRP部件等。 预计未来随着汽车领域需求的增长，碳纤维复合材料的市场容量将会进一步扩 大。据美国咨询公司弗若斯特沙利文日前发布的相关数据显示，2010-2017年， 碳纤维复合材料的复合年均增长率将达到31.5%。预计到2017年，全球汽车碳 纤维复合材料市场将增长至7885吨，其销售额也将由2010年的1470万美元增 长至2017年的9550万美元。 中投顾问发布的《2011-2015年中国新材料产业投资分析及前景预测报告》显 示，碳纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻、强度大，其重量仅相当于钢 材的20 %-30 % ，硬度却能达到钢材的10 倍以上。因此，现在碳纤维材料已 备受汽车制造商的青睐，目前已被开始大量应用于汽车内外装饰中。
2、 氰酸酯树脂
氰酸酯树脂吸湿率低、韧性好、介电性能好（介电常数2.7-3.2，介电损耗 0.001-0.005）。氰酸酯是未来结构/功能一体化的有力候选材料，氰酸酯 树脂一般需要较高的后处理温度。 氰酸酯树脂收缩率较低,吸湿率小于115% ,电性能好,介电损耗角正切值低, 仅为01002～01008,介电常数为218～312,具有优良的粘结性和良好的阻燃 性。此外,氰酸酯树脂还具有优良的力学性能,其弯曲强度和弯曲模量高于双 官能团环氧树脂,弯曲模量介于双马来酰亚胺和多官能团环氧树脂之间,玻璃 化转变温度较高( Tg为240～280℃) ,并且改性后可以在170℃左右进行固 化。因此,有关氰酸酯树脂的应用及改性已愈来愈受到人们的关注。
磨碎碳纤维增强环氧树脂复合材料的性能
汽车在行驶过程中会受到冲击力的作用，磨碎碳纤维增强 环氧树脂复合材料具有较好的抗冲击性能，能够提高材料 的耐久性。
建筑领域的应用
01
结构加固
磨碎碳纤维增强环氧树脂复合材料可以用于建筑结构的加固，提高结构
的承载能力和抗震性能。
02
防腐保护
建筑结构中的钢结构、混凝土结构等易受到腐蚀介质的影响，磨碎碳纤
01
02
03
复合材料的定义
由两种或两种以上不同性 质的材料，通过物理或化 学的方法组成，具有新性 能的材料。
复合材料的优点
具有各组成材料的优点， 如强度高、质量轻、耐腐 蚀等。
复合材料的应用
广泛应用于航空航天、汽 车、建筑、体育器材等领 域。
碳纤维增强环氧树脂复合材料简介
碳纤维的特性
01
具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀、导电性好等优点。
导热性能与隔热性能
导热性能
磨碎碳纤维增强环氧树脂复合材料具有较好的导热性能，能够有效地传递热量。
隔热性能
该材料具有较好的隔热性能，能够有效地阻挡热量的传递。
耐候性与耐腐蚀性
耐候性
磨碎碳纤维增强环氧树脂复合材料具有较好的耐候性，能够在恶劣的环境条件下保持较好的性能。
耐腐蚀性
该材料具有较好的耐腐蚀性，能够抵抗化学物质的侵蚀。
环氧树脂的特性
02
具有优良的力学性能、电绝缘性能、耐腐蚀性能等。
碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法
03
将碳纤维与环氧树脂混合，经过固化反应形成。
磨碎碳纤维增强环氧树脂复合材料的研究意义
提高材料的力学性能
通过磨碎碳纤维可以增加材料的比表 面积，提高材料的力学性能。
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高性能塑料与工程
第一部分： 碳纤维表面处理
表面涂层改性法：
将某种聚合物涂覆在碳纤维表面，改变复
合材料界面层的结构与性能，使界面极性等 相适应以提高界面粘结强度，同时提供一个 可消除界面内应力的可塑界面层。
西北工业大学材料科学与工程学院曾金芳等采用活性涂层、 刚性涂层和柔性涂层，分别对HTA—P30碳纤维进行表面处理
黏合力较弱。
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其表面石墨层面边缘 较大面积氧化，边缘 活性点数量增加，致 使凹凸不平的表面更 有利于与EP基体的键 合，使复合材料的剪 切性能提高。
同时，其表面能增加， 显著改善了CF与基体 间的润湿性，接触角 减小，表面呈现亲液 性。
另外，经过处理后， 其表面出现了大量的 羟基、羧基、醌类等 官能团，提高了CF表 面的极性、增强体与 EP基体之间的润湿性 和它们的黏结程度。
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高性能塑料与工程
第一部分： 碳纤维表面处理
等离子体氧化法： 利用非聚合性气体对材料表面进行物理和
化学作用的过程。
DilsizN,Ebert E,Weisweiler W.Effect of plasma polymerization on carbon fibers used fo9r fiber/epoxy．Comp JColloid Interf Sci，1995，170：241
高性能塑料与工程
碳纤维增强环氧树脂基复合 材料研究进展
黄洪亮 10721325
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高性能塑料与工程
1.碳纤维表面处理 2.复合体系及其特点 3.EP/CF复合材料的增强机理
4.EP／CF复合材料的成型工
5.EP／CF复合艺材料的界面结构表征方
法6. EP／CF复合材料的应用
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高性能塑料与工程
第四部分：复合成型工艺
EP/CF复合材料的复合成型工艺:
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2011.01.13高性源自塑料与工程手糊成型：第四部分：复合成型工艺
孙酣经．化工新型材料，1998(4)：42—44
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高性能塑料与工程
树脂传递成型：
第四部分：复合成型工艺
马青松，等．材料科学与工程，2000，18(4)：92—97
结果
活性涂层可显著改善复合材料的剪切性能， 而且涂层浓度对性能的影响非常敏感，当浓 度为1％-2％时，剪切强度可以提高20％。
曾金芳.乔生儒.丘哲明等.纤维表面处理对碳纤维复合材料剪切性能影响．固体火
箭技术，2002，25(4)：45—49
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高性能塑料与工程
第二部分： 复合材料基本特点
阳极氧化法：
把碳纤维作为电解池的阳极、石墨作为阴
极，在电解水的过程中利用阳极生成的氧，氧 化碳纤维表面的碳及其含氧官能团，将其先氧 化成羟基之后逐步氧化成酮基、羧基和CO2的 过程 。
夏丽刚 ,李爱菊 ,阴 强 ,王威强; 碳纤维表面处理及其对碳纤维/树脂界面影响的研究;
材料导报 ,2006(5)：254-257
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高性能塑料与工程
第五部分：界面结构表征方法
EP/CF复合材料的界面结构表征方法：
电镜分析 扫描电子显微镜 (SEM ) 透射电子显微镜 (TEM ) 扫描隧道显微镜 (STM ) 原子力显微镜(AFM )
谱学分析
离子散射谱( ISS) 二次离子质谱(SIMS) 俄歇电子谱(AES) X射线光电子谱(XPS) 卢瑟福背散射(RBS) 红外光谱(IR) 紫外光谱(UV)
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高性能塑料与工程
第一部分： 碳纤维表面处理
液相氧化法： 采用液相介质对碳纤维表面进行氧化的方
法。常用的液相介质有浓硝酸、混合酸和强 氧化剂等。
赵东宇,李滨耀,余赋生.碳纤维表面的液相氧化处理改性[J]．应用化学，1997，(4)：11
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高性能塑料与工程
第一部分： 碳纤维表面处理
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高性能塑料与工程
真空袋法成型：
第四部分：复合成型工艺
李斌太，等．航空材料学报，2006，26(3)：222—22
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高性能塑料与工程
树脂膜熔浸成型：
第四部分：复合成型工艺
陈立军，等：环氧树脂／碳纤维复合材料的成型工艺与应用，工程
塑料应用，2007（35）：77-79
高性能塑料与工程
EP/CF复合材料的发展：
背景介绍
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高性能塑料与工程
第一部分：碳纤维表面处理
表面处理目的：
提高碳纤维增强复合材料
中碳纤维与基体的结合强度。
途径：
清除表面杂质；在纤维表面形成微孔或 刻蚀沟槽，从类石墨层面改性成碳状结构以 增加表面能；引进具有极性或反应性官能团； 形成能与树脂起作用的中间层。
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高性能塑料与工程
第六部分：复合材料的应用
EP／CF复合材料的应用：
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高性能塑料与工程
文献部分
Experimental study of mechanical and electrical properties of carbon
nanofiber/epoxy composites
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高性能塑料与工程
预浸料成型：
第四部分：复合成型工艺
张彦中．纤维复合材料，1997(1)：26—30 预浸料高压釜法示意图
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高性能塑料与工程
拉挤成型：
第四部分：复合成型工艺
Wingard C D．Themlochimiea Acta，2000，357／358：293—301
EP/CF复合材料具有优异的性能：
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高性能塑料与工程
第三部分：增强机理
EP/CF复合材料的增强机理：
常规的CF： 表面平滑
活性官能团少表面
因此，需要对CF表面改性处理，提 高其与基体树脂的黏结性，进而提 高复合材料的性能。
能低，
呈现表面化学惰性，
与EP基体浸润性较
差，复合材料界面
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高性能塑料与工程
第一部分： 碳纤维表面处理
气相氧化法：
气相氧化法是将碳纤维暴露在气相氧化剂
中，在加温、加催化剂等特殊条件使其表面 氧化生成一些活性基团。
W.H. Lee et al. / Applied Surface Science 171 (2001) 136-142
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