碳_碳复合材料的性能和应用进展
碳纤维复合材料力学性能研究进展
包 装 工 程第44卷 第21期 ·36·PACKAGING ENGINEERING 2023年11月收稿日期：2023-05-30基金项目：国家自然科学基金（12172344） *通信作者碳纤维复合材料力学性能研究进展段裕熙，张凯*，徐伟芳，陈军红，龚芹（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621999）摘要：目的 综述碳纤维复合材料这一热结构材料的力学性能研究进展，推进碳纤维复合材料的研制和应用。
方法 采用文献调研法，梳理和汇总国内外有关碳纤维复合材料力学性能的研究内容，对二维复合材料、针刺复合材料及三维编织复合材料3种结构进行性能影响因素分析。
结论 影响碳纤维复合材料静态和动态力学性能的因素主要有温度、应变率、密度等，提出应进一步开展碳纤维复合材料在多因素耦合及高温动态性能方面的研究。
关键词：碳纤维复合材料；静态力学性能；动态力学性能；三维编织复合材料 中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)21-0036-10 DOI ：10.19554/ki.1001-3563.2023.21.005Mechanical Property of Carbon Fiber CompositesDUAN Yu-xi , ZHANG Kai *, XU Wei-fang , CHEN Jun-hong , GONG Qin(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621999, China) ABSTRACT: The work aims to explore recent advancements in the mechanical properties of carbon fiber composites for thermal structural applications, with the objective of promoting the development and utilization of carbon fiber composites. Through a comprehensive literature review, the current research status on the mechanical properties of carbon fiber composites was summarized, and the factors affecting the static and dynamic mechanical properties of 2D composites, needled composites, and 3D woven composites were analyzed. The results indicate that factors affecting the static and dynamic mechanical properties of carbon fiber composites include temperature, strain rate, density, et al. And further investigations are necessary in multi-factor coupling and high temperature dynamic properties of carbon fiber composites. KEY WORDS: carbon fiber composite; static mechanical properties; dynamic mechanical properties; three-dimensional weaving composite碳纤维由有机纤维经过一系列热处理转化而成，它是含碳量高于90%的无机高性能纤维，既具有碳材料的固有本征，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。
碳纤维复合材料应用研究报告进展
碳纤维复合材料的应用研究进展姜楠＜湖北大学材料科学与工程学院，武汉430062）摘要：本文概述了碳纤维复合材料vCFRP）的性能特点和应用研究进展。
简要介绍了碳纤维复合材料在大飞机制造业，深海油气田，非织造设备等方面的应用情况，碳纤维复合材料湿热性能和抗氧化烧蚀技术的研究进展以及国内外的研究状况。
关键词：碳纤维复合材料大飞机深海油气田非织造设备湿热性能抗氧化烧蚀技术应用研究1前言碳纤维复合材料＜CFRP）自20世纪50年代面世以来就主要用于军工，航天，航空等尖端科学技术领域，其高强、高模、轻质、耐热、抗腐蚀等独特的性能使其在飞机、火箭、导弹、人造卫星等方面发挥了巨大作用。
随着CFRP材料性能的不断完善和提高，其优越的性能逐步被认可及价格的大幅度下降，使得它在民用工业上的应用逐步扩大，目前在土木建筑、纺织、石油工业、医疗机械、汽车工业等领域得到了广泛应用。
2CFRP材料的性能特点碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。
其最高强度已达7000MPa ，最高弹性模量达900GPa,而其密度约为1.8~2.1g/cm3,并具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温等优异性能，是一种很有发展前景的高性能纤维。
碳纤维由高度取向的石墨片层组成，并有明显的各向异性，沿纤维轴向，强度高、模量高，而横向性能差，其强度和模量都很低。
因此在使用时，主要应用碳纤维在轴向的高性能。
[1-2]碳纤维是黑色有光泽，柔软的细丝。
单纤维直径为5~10pm，一般以数百根至一万根碳纤维组成的束丝供使用。
由于原料和热处理工艺不同，碳纤维的品种很多。
高强度型碳纤维的密度约为 1.8g/cm3,而高模量和超高模量的碳纤维密度约为1.85~2.1g/cm3。
碳纤维具有优异的力学性能和物理化学性能。
碳纤维的另一特征是热膨胀系数小，其热膨胀系数与石墨片层取向和石墨化程度有密切的关系。
碳纤维具有优异的耐热和耐腐蚀性能。
在惰性气氛下碳纤维热稳定性好，在2000C的高温下仍能保持良好的力学性能；但在氧化氛围下超过450C碳纤维将被氧化，使其力学性能下降。
国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向概要
国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向概要碳纤维复合材料是一种具有很高强度和轻质化特性的新型材料。
它由碳纤维和树脂等基质材料组成，具有优异的力学性能和低密度，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域。
本文将对国内外碳纤维复合材料的现状以及研究开发方向进行概述。
首先，国内外碳纤维复合材料的现状可以概括为以下几个方面。
一是碳纤维复合材料在航空航天领域的应用。
由于碳纤维复合材料具有高强度、低密度和热稳定性等特点，被广泛应用于航空航天领域，如飞机机体、发动机和燃气涡轮等部件。
二是碳纤维复合材料在汽车领域的应用。
汽车制造商越来越倾向于采用碳纤维复合材料制作汽车车身和结构件，以提高汽车的燃油效率和减轻车重，提高车辆的性能。
三是碳纤维复合材料在体育器材领域的应用。
碳纤维复合材料制作的高级运动器材，如高尔夫球杆、网球拍和自行车等，具有很高的刚性和强度，能够提高运动员的表现水平。
四是碳纤维复合材料在船舶领域的应用。
船舶结构件的重量和强度对于船舶的性能至关重要。
碳纤维复合材料具有高强度和轻质化特性，因此被广泛应用于船舶制造，可以提高船舶的性能和节能减排。
接下来，本文将重点讨论国内外碳纤维复合材料的研究开发方向。
一是开发新型碳纤维原料。
目前，市场上主要使用的碳纤维原料是聚丙烯腈纤维。
研究人员正在开发新型纤维原料，如石墨烯、纳米碳纤维等，以提高碳纤维的力学性能和热稳定性。
二是改善碳纤维与基质材料的界面粘结性能。
碳纤维与树脂等基质材料的界面粘结性能对复合材料的力学性能和耐久性影响很大。
研究人员正在探索提高界面粘结性能的方法，如表面改性和介入增韧等。
三是提高碳纤维复合材料的制备工艺。
制备工艺是影响碳纤维复合材料质量的关键因素之一、研究人员正在开发新的制备工艺，如预浸法、纺丝法和层合法等，以提高复合材料的力学性能和制造效率。
四是研究碳纤维复合材料的寿命与损伤机理。
碳纤维复合材料容易受到外界环境和应力加载的影响，会出现疲劳和损伤现象。
碳纤维复合材料的制备和性能研究
碳纤维复合材料的制备和性能研究复合材料作为一种新型材料，由于其具有结构轻、强度高、耐腐蚀、抗疲劳等优良性能，在航空、航天、汽车、船舶等众多领域得到广泛应用。
碳纤维复合材料是其中一种材料，由于其高强度、低密度、高刚度和优良的热稳定性等特点，已经广泛应用于各种高端产品，如飞机、汽车、大型模具、船舶制造等领域。
本文主要介绍碳纤维复合材料的制备和性能研究方面的进展和成果，对于进一步研究这种材料的应用前景和发展具有参考价值。
一、碳纤维复合材料的制备碳纤维复合材料的制备是一个复杂的过程，需要对材料的性质进行深入的了解，并结合实际生产情况进行设计和试验。
一般来说，碳纤维复合材料的制备分为以下几个步骤：1、预制备碳纤维碳纤维是制备碳纤维复合材料的关键组成部分，其质量对复合材料的性能起到至关重要的作用。
碳纤维的质量受到多种因素的影响，如选择的原料、生产工艺、热处理方式等。
通常采用纤维束成型、碳化及氧化等工艺制备碳纤维，确保碳纤维的品质。
2、浸渍树脂将预制的碳纤维放入树脂中，使其充分浸泡。
树脂中的成分可以根据需要调整，以达到预期的力学性能。
3、热固化热固化是碳纤维复合材料制备的关键步骤之一。
材料通过温度和时间的控制，让树脂变成固体，并在碳纤维表面形成一层牢固的化学键连接。
通过这一步工艺，可以提高碳纤维复合材料的强度和刚度。
4、精加工精加工是制备碳纤维复合材料的最后步骤。
通过对材料进行切割、抛光、打磨、胶接等方式，可以获得一定形状、尺寸和光泽度的制品。
精加工过程中需要注意不要损伤材料的表面和内部结构，保证材料性能的完好。
以上是碳纤维复合材料制备的主要步骤，整个制备过程需要物理学、化学、材料学等多学科的知识和技术的支持，且需要结合多种因素综合评估生产效果。
二、碳纤维复合材料的性能研究碳纤维复合材料具有优良的力学性能、热性能和热膨胀性等特点，但其性能亦受制备过程中的各种因素影响。
为了更好地应用这种材料，需要对其性能进行全面研究和分析。
碳纤维复合材料
碳纤维复合材料碳纤维复合材料是一种由碳纤维和树脂基体组成的高性能材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀和耐磨损等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶建造、体育器材等领域。
本文将从碳纤维复合材料的制备工艺、性能特点及应用领域等方面进行介绍。
首先，碳纤维复合材料的制备工艺包括预浸料制备、层叠成型、固化和后处理等步骤。
预浸料是将碳纤维与树脂预先混合，形成一种浸渍了树脂的碳纤维布，以便于后续的成型加工。
层叠成型是将预浸料铺在模具中，按照设计要求依次叠加，形成所需的复合材料结构。
固化是通过加热或加压等方式使树脂固化，使碳纤维与树脂基体充分结合。
最后进行后处理，包括修整、表面处理等工艺，以提高复合材料的表面质量和性能。
其次，碳纤维复合材料具有轻质、高强度、耐腐蚀和耐磨损等优点。
碳纤维的比强度和比模量都很高，比重却很低，因此碳纤维复合材料具有很高的强度和刚度，同时又非常轻便。
此外，树脂基体的耐腐蚀性能和碳纤维的耐磨损性能也使得碳纤维复合材料在恶劣环境下有着良好的表现。
因此，碳纤维复合材料被广泛应用于航空航天领域，用于制造飞机机身、机翼等部件，以减轻飞机重量，提高飞行性能。
同时，汽车制造业也将碳纤维复合材料应用于汽车车身、悬挂系统等部件，以提高汽车的安全性和燃油经济性。
在船舶建造领域，碳纤维复合材料可以用于制造船体结构、船舶内部装饰等部件，以提高船舶的航行性能和舒适性。
此外，碳纤维复合材料还被广泛应用于体育器材制造，如高尔夫球杆、自行车车架等，以提高器材的性能和使用寿命。
综上所述，碳纤维复合材料具有制备工艺简单、性能优异、应用广泛等特点，是一种具有很高发展潜力和广阔市场前景的材料。
随着科技的不断进步和人们对轻质高强材料需求的增加，碳纤维复合材料必将在未来得到更广泛的应用和发展。
碳／碳复合材料的性能和应用进展
学 、热 学性能 ，化 学性能 和其在各 领域 的应用进 展 。 关键 词 ：碳／ 复合材料 ；石 墨化度 ；性能 ；应 用 碳
中图分类号 ：Ｔ １ Ｑ ３
ｏ ｘ ｅｌ ｎ ｅｆ ｒ ｎ ｅ， ｓ ｈ ｓ ｉｈ ｐ ｃ ｆ ｓｒ ｎ ｔ ｆ ｅ ｃ ｌ ｔｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｅ ｕｃ ａ ｈｇ ｓ ｅ ｉ ｃ ｔｅ ｇｈ， ｈｇ ｓ ｅ ｉ ｃ ｉ ｉｈ ｐ ｃ ｆ ｍｏ ｕ ｕ ， ｈ ｇ ｔｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｒ ｓｓａ ｃ ｉ ｄ ｌｓ ｉｈ ｅ ｅａ ｕ ｅ ｅ ｉｔｎ ｅ，
ｓｏ ｏ ｆ ｃｅ ｔ Ｓ ｔｃ ｎ ｎ ｔｏ ｌ ｅ ａ ｓｒ ｃ ｕ ａ ｔｒａ ｅ ｒｎ ａ ｙ ｌ ａ ｓ， ｂ ｔａｓ ｌｙ ａ ｒ ｌ ｓｆ ｎ ｔ ｎ ｌ ｉ ｎ ｃ ｅ ｉ ｎ ． ｏ ｉ ａ ｏ ｎｙ ｂ ｔｕ ｔｒ ｌｍａｅ ｉｌｂ ａ ｉ ｇ ｈｅ ｖ ｏ ｄ ｉ ｕ ｌｏ ｐ ａ ｏ ｅ ａ ｕ ｃｉ ａ ｏ
ａ ｕ ｅ ，ａ ｄ ａ ｅ ｃ ｎｓｄ ｒ ｄ ａ ｈ ｓ ｒ ｍｉｉｇ ｃ ｎ ｉ ｔ ｔｒａｓｆｒｈ ｇ ｅ ｅ ａｕ ｅａ ｐ ｉａｉ ｎ ｕ ｈ ａ ｎ ａ ｔ ｒ ｓ ｎ ｒ ｏ ｉ ｅ ｅ ｓｔ ｅ ｍｏ ｔｐ ｏ ｓｎ ａ ｄｄａｅｍａｅ ｉｌ ｏ ｉｈ ｔ ｍｐ ｒｔ ｒ ｐ ｌ ｔｏ ｓｓ ｃ ｓｉ — ｃ
Ｔｈｅ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｐｒ ｇ ｅ ｓｏ ｈ ｒ ｏ ／Ｃａ ｂ ｎ Ｃｏ ｐ ｓｔｓ ｓ ａ ｃ ｏ ｒ ｓ ｎ ｔ ｅ Ｃａ ｂ ｎ ｒ ｏ ｍ ｏ ｉｅ ’Ｐｒ ｐ ｒｉｓ ｏ ｅ ｔｅ
ａ ｄ Ａｐ ｌｃ ｔｏ ｎ ｐ ｉ ａ ｉ ｎｓ
碳纤维复合材料论文
碳纤维复合材料论文导言碳纤维复合材料（CFRP）是一种由碳纤维和树脂基体组成的高性能材料。
随着科技的进步，CFRP在航空航天、汽车工业、体育用品等领域中得到了广泛的应用。
本论文将就CFRP的制备方法、性能特点以及应用前景进行详细探讨。
1. CFRP的制备方法CFRP的制备方法通常包括纺丝、预浸料、固化和成型四个步骤。
1.1 碳纤维纺丝碳纤维是由多个碳纤维丝束组成的。
纺丝过程中，先将碳纤维丝束在高温下拉伸，然后进行表面处理，以增加纤维与树脂的粘合性能。
1.2 预浸料制备预浸料是将纺丝得到的碳纤维与树脂基体进行浸渍得到的材料。
树脂基体一般采用环氧树脂。
预浸料制备过程中需要控制纤维的含量、纤维间的排列方式以及树脂的渗透性。
1.3 固化固化是指通过加热或加压将树脂基体中的单体或低分子量聚合物转变为高分子量聚合物的过程。
固化可以提高CFRP的强度和刚度。
1.4 成型成型是将固化后的预浸料经过特定形状的模具加热或加压成型，得到最终的CFRP产品。
2. CFRP的性能特点CFRP具有许多优良的性能特点，使其成为许多领域的首选材料。
2.1 高强度和高刚度相比于传统的金属材料，CFRP具有更高的强度和刚度。
其拉伸强度可以达到2000 MPa，弹性模量可以达到150 GPa以上。
2.2 轻质CFRP的密度大约为1.6 g/cm³，相比于钢材（7.8 g/cm³）和铝材（2.7g/cm³），CFRP具有更轻的重量优势。
2.3 抗腐蚀性由于CFRP的主要组成部分是碳纤维和树脂基体，它具有优良的抗腐蚀性能，不易受潮湿环境、化学物质和气候变化的影响。
2.4 热稳定性CFRP具有较高的热稳定性，可以在高温环境下长期使用而不发生形变或脆化。
2.5 高耐疲劳性由于CFRP的高强度和高刚度，它具有出色的耐疲劳性能，适用于长期受到重复加载的应用场景。
3. CFRP的应用前景随着CFRP技术的不断发展，其在各个领域的应用前景十分广阔。
碳材料的发展前沿和展望
碳材料的发展前沿和展望在当今的工业生产和科技领域中，碳材料被视为一种非常重要的材料。
它们既具有轻量化、耐腐蚀等优良性能，又包含多种结构和形态，可以用于制造各种功能性材料和器件。
近年来，碳材料的研究和应用领域不断拓展，取得了许多新的成果和进展。
下面将介绍碳材料的发展前沿和展望。
碳材料的发展前沿1. 三维打印技术三维打印技术可以打印出各种形状和复杂度的结构，这对于制造碳材料的复杂器件具有重要意义。
目前，基于三维打印技术的碳纤维增强聚酰亚胺复合材料已经成功实验。
未来，三维打印技术将可用于构建更为复杂的碳材料器件。
2. 炭烤液态金属炭烤液态金属是指在炭烤后得到的具有类金属外观的多孔炭化体。
通过这种方法可以制造出各种具有特殊形状和功能的碳材料，如超级电容器、钠离子电池等。
由于其多孔性，炭烤液态金属还具有非常好的分离效果，可以用于水处理等领域。
3. 石墨烯材料石墨烯是一种新兴的碳材料，拥有极高的导热、导电、机械强度和化学稳定性。
石墨烯材料具有一个原子层的厚度，具备很多现有材料所没有的优异性能和潜在应用，如电子器件、生物医学材料、过滤和分离领域。
石墨烯的研究和发展成为了碳材料的重要方向之一。
碳材料的展望1. 发展碳材料复合材料碳材料复合材料是将碳材料与其他材料复合形成新型材料的方法。
未来，复合材料的发展领域会非常广阔，如碳纤维与塑料复合材料、碳化硅与炭纤维复合材料、石墨烯与聚合物复合材料等。
这些复合材料将能够满足更多的应用需求。
2. 在新能源材料中的应用新能源汽车、储能、光伏和光催化等领域需要大量的碳材料。
经过科学家的不断研究和开发，碳材料已经成功地应用于新能源中，如钠离子电池、超级电容器等。
3. 探索碳材料的光电响应性质碳材料有着良好的光学、光电性质，可以发挥出光学、光电及光化学等特殊功能。
未来，可以通过改变碳材料的具体结构和形态来探索该领域的可能性。
预计随着人们对光电响应性质的理解越来越深入，碳材料光电应用领域将不断扩大。
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碳/碳复合材料的性能和应用进展康 永1,柴秀娟2(1 陕西金泰氯碱化工有限公司技术中心,陕西榆林,718100;2 陕西金泰氯碱化工有限公司,陕西榆林,718100)摘要:碳/碳(C/C)复合材料是以碳为基体,碳纤维增强的复合材料,具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和膨胀系数小等一系列优异性能,既可作为结构材料承载重荷,又可作为功能材料发挥作用。
同时,碳/碳(C/C)复合材料是一种能在超高温条件下工作的高温结构材料,所以在航空航天领域具有广阔的应用前景。
本文综述了碳/碳(C/C)复合材料的制备相应力学、热学性能,化学性能和其在各领域的应用进展。
关键词:碳/碳复合材料;石墨化度;性能;应用中图分类号:TQ31The R esearch Progress on the Carbon/Carbon Co m posites Propertiesand ApplicationsKANG Yong1,C HA I X i u j u an2(1The Research C enter of Shanx i Ji n tai Chlor-alkaliChe m ica lCo LTD.,Yuli n718100,Shanx,i China;2Shanx i Ji n ta iCh l o r a l k ali Che m ical Co LTD.Yu lin718100,Shanx,i China)A bstract:C arbon/Carbon co m posites wh ich is reinforced by carbon fiber bases on carbon m atr i x.It has a ser i e s of excellent perfor m ance,such as h i g h specific strength,h i g h specific m odu l u s,high te m perature resistance, corrosion resistance,fati g ue to lerance,creep resistance,e lectrical conductiv ity,heat transfer and s m a ll expan si o n coeffic ien.t So it can not on ly be a structura lm aterial beari n g heavy loads,but a lso play a ro l e as functi o na l m aterials.M ean w h ile,Carbon/C ar bon(C/C)co m posites exh i b it excellent structura l properties at e l e vated te m per atures,and are consi d ered as the m ost pr o m i s ing candida te m ateria ls for h i g h te m perature applicati o ns such as in a viati o n and space fli g ht i n dustries.K ey words:C arbon/Carbon co m posites;graph itization degree;properti e s;app li c ations碳/碳复合材料是以碳纤维及其织物为增强材料,以碳为基体,通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。
碳/碳复合材料在高温热处理之后碳元素含量高于99%,故该材料具有密度低,耐高温,抗腐蚀,热冲击性能好,耐酸、碱、盐,耐摩擦磨损等一系列优异性能。
此外,碳/碳复合材料的室温强度可以保持到2500 ,对热应力不敏感,抗烧蚀性能好。
故该复合材料具有出色的机械特性,既可作为结构材料承载重荷,又可作为功能材料发挥作用,适于各种高温用途使用[1]。
碳/碳复合材料在树脂基复合材料,金属基复合材料,碳/碳复合材料以及陶瓷基复合材料四大类复合材料中就其研究与应用水平来说,仅次于树脂基复合材料,优先于其他类复合材料,已经全面走向工程应用阶段[2]。
C/C复合材料是一种多相非均质混合物。
这种材料的力学性能、热物理性能及摩擦磨损性能与材料的碳结构密切相关[3 5]。
石墨化度是C/C复合材料最重要的结构参数之一,通过调整、控制C/C复合材料各组元及整体的石墨化状态、程度,可以赋予C/C复合材料不同的综合性能,满足不同的使用要求[6 9]。
因此,石墨化研究是C/C复合材料研究的一个非常重要的38 康 永等 碳/碳复合材料的性能和应用进展收稿日期:2010 06 12领域。
1 C/C复合材料的特点C/C复合材料是指以炭纤维作为增强体,以炭作为基体的一类复合材料。
C/C复合材料是新材料领域中重点研究和开发的一种新型超高温材料,它具有以下显著特点:(1)密度小(<2 0g/c m3),仅为镍基高温合金1/4,陶瓷材料的1/2,这一点对许多结构或装备要求轻型化至关重要。
(2)高温力学性能极佳,随着温度升高(可达2200 ),其强度不仅不降低,甚至比在室温时还高,这是其它结构材料所无法比拟的。
(3)抗烧蚀性能良好,烧蚀均匀,可以用于高于3000 的高温,短时间烧蚀的环境中,如航天工业使用的火箭发动机喷管,喉衬等,具有无与伦比的优越性。
(4)摩擦磨损性能优异,其摩擦系数小,性能稳定,是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。
(5)具有其它复合材料的特征,如高强度、高模量、高疲劳度和蠕变性能等。
2 C/C复合材料的性能2 1 石墨化度与性能的关系石墨化度对C/C复合材料力学性能的影响非常复杂,不同作者得到的结果不同,有的甚至相反。
对于炭纤维,通常,随着热处理温度升高,强度先升高后降低,转折温度点约为1900 [10]。
对于C/C材料,G ranoff等[11]发现,石墨化处理使CVD热解炭基体复合材料的弯曲强度和模量降低;而Tzeng等[12]发现,石墨化处理使酚醛树脂炭基体复合材料的弯曲强度和模量升高;Tw ash ita 等[13]认为,各向同性基体C/C复合材料的强度和模量随着热处理温度升高而提高,但各向异性基体C/C复合材料却相反。
炭纤维的预石墨化处理对C/C力学性能也有影响[14],Seriza w aa等[15]发现,炭纤维预处理温度不同的2种C/C材料的杨氏模量随热处理温度变化的趋势相反。
2 2 C/C复合材料的力学性能C/C复合材料的力学性能,主要取决于碳纤维的种类、取向、含量以及制备工艺。
单向增强的CFC,沿碳纤维长度方向的力学性能比垂直的方向高出几十倍。
CFC的高强高模量特性来自碳纤维,随着温度的升高,CFC的强度不降反升,而且要比室温下的强度还要高。
在1000 以上,强度最低的CFC的比强度也较耐热合金和陶瓷材料高。
2 3 C/C复合材料的断裂性能C/C复合材料制成的构件在承受载荷的状态下,当受力超出其蠕变极限的情况下,既不会突然折断,也不会显示出金属的塑性,呈现非线性断裂方式。
加在C/C复合材料的应力起初只是造成少数纤维断裂,只有在重复拉伸才发生失效现象。
2 4 C/C复合材料的热弯曲强度同其他陶瓷和金属高温材料不同的是C/C复合材料的强度随温度的升高而提高。
在高温下材料处于基本无应力状态,随着材料的冷却,材料内部的应力逐渐形成,并产生一些残余应力。
其是造成在常温下强度低、而在高温下(1000~2000 )强度高的原因。
2 5 C/C复合材料的电阻率C/C复合材料的电阻率不受重复加热的影响,并随石墨化程度的增大材料的电阻率降低。
导电性能好,且具有屏蔽电磁波的功能,对X射线的透过性好。
此外炭纤维还具有吸能减振,对振动有优异的衰减功能。
尽管生产工艺参数相同(如:致密化处理和热处理温度),不同缠绕方式的管材及不同纤维排列的板材其电阻率也相差很大,比如纤维同管轴线平行排列的越少则其电阻率越高。
2 6 C/C复合材料的导热性C/C复合材料的导热性受纤维的排列方向、基体碳种类以及热处理温度的影响。
如双向排列纤维材料的导热性在常温下通常为5~150W/m k,导热性最大的500W/m k的C/C复合材料是专为核聚变工厂研制的,采用超高温处理温度并能形成极好的石墨基材结构。
C/C复合材料抗温度波动性比其它大多数陶瓷基材料和金属要好,同时它在高温工作时动态强度好。
这是它在高温用途中被广泛使用的关键。
2 7 C/C复合材料的氧化性能C/C复合材料主要用于真空或保护气氛中,氧化是在高温下有氧气存在的情况下发生的。
C/C392010年第39卷第3期 合成材料老化与应用复合材料的氧化过程由气体介质中的氧流动至材料边界开始。
反应气体吸附在材料表面,通过材料本身的孔隙向材料内部扩散,以材料缺陷为活性中心,炭纤维及其炭/炭复合材料的氧化特性研究并在杂质微粒的催化作用下发生氧化反应,生成的CO或CO2气体最终从材料表面脱附。
氧化的程度取决于氧气的部分压力,也与材料的类型有关。
在空气中,碳材料在300 左右开始氧化,石墨化C/ C复合材料在350 左右开始氧化。
氧化速率也取决于基体碳的性质,孔隙度,杂质的催化氧化性能以及周围气体运动速率和其他组成成分(如:水分含量)。
通过浸润抗氧化剂或涂以碳化硅可改善材料的抗氧化性。
具体应用中,温度是关键因素,需要通过初步实验和具体情形决定。
2 8 C/C复合材料的耐化学腐蚀性能C/C复合材料耐油、耐酸、耐腐蚀性能好,与生物有很好的相容性。
除了强氧化剂外,浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮、碱都对其不起作用。
而在高温下,某些金属特别是过渡金属(如:铁,镍和钴)在碳存在的情况下,会起催化作用使C/ C复合材料形成碳化物。
3 C/C复合材料的应用根据炭纤维所具有的优异性能,炭纤维广泛应用于国民经济的各个部门之中:(1)航空航天是最早应用炭纤维的领域。
已研制出飞机的二次结构件,如垂尾、刹车片、方向舵等炭纤维复合材料。
炭纤维复合材料还可用于导弹的鼻锥体、喷管、固体火箭的发动机等。
炭纤维也用于民用工业领域。
(2)体育休闲用品炭纤维的用量占总量的80%。
主要用在高尔夫球杆、钓鱼杆、羽毛球拍、乒乓球拍、赛艇、自行车等。
所用的炭纤维大部分来自韩国、日本、美国和台湾。
(3)氧化纤维、炭纤维密封垫料是工业用炭纤维制品中用量最大的品种。
主要用于发电厂、化工厂、化肥厂和油田等耐高压、耐腐蚀的泵和阀。
这些密封材料的功能和寿命大大优于石棉。
(4)在纺织工业领域,其中30%-40%的织机使用炭纤维剑杆头、剑杆带。