碳纤维复合材料导热系数研究 1993
T1000 级碳纤维及其复合材料研究与应用进展
摘要本文介绍了T1000 级碳纤维的发展历程，综述了T1000 级碳纤维及其复合材料的研究及应用情况，指出了国产T1000 级碳纤维应用研究需要关注的问题。
1引言碳纤维是一种碳元素组成占总质量90％以上，具有高强度、高模量、耐高温等优点的纤维材料。
最早可追溯至18 世纪的爱迪生和斯旺，1959年日本首先发明了聚丙烯腈（PAN）基碳纤维，而当下碳纤维的核心技术和产能被日本、美国以及一些欧洲发达国家和地区掌控。
T1000 级碳纤维作为碳纤维中的高端产品，在航空航天领域有着极大的用途。
高性能碳纤维的研究可以改善固体火箭发动机消极质量、提升载药量、提高质量比，对于先进武器的发展研究以及航天探索有重大意义。
目前国外已经大量使用T1000 级碳纤维的缠绕容器和固体火箭发动机壳体，因此开展国产T1000级碳纤维及其复合材料的应用研究迫在眉睫。
碳纤维的制备包括物理、化学、材料科学等多个领域的内容，总体分为纺丝原液的聚合、聚丙烯腈原丝的纺制、预氧化和碳化三个步骤，有众多因素需要调控。
根据缺陷理论和最弱连接理论，制备过程中产生的缺陷是影响碳纤维性能的主要因素，为保证碳纤维的性能，需要对每个工艺流程中工艺参数精准调控，由于加工过程中的各参数之间相互作用十分复杂，且目前一些工艺流程中的实际形成和演变机理不明，也使得高性能碳纤维，尤其是T1000 级碳纤维的研制有很大困难。
T1000 级碳纤维的研究主要包括碳纤维本身性能的研究、碳纤维复合材料的改性研究、碳纤维复合材料使用性能的研究几个方面。
由于T1000 级碳纤维本身的高性能、价格昂贵等原因，且国产T1000 级碳纤维还没有正式投入应用的报道，在实际应用方面主要介绍国外T1000 级碳纤维在航空航天以及其他领域的应用情况。
2T1000 级碳纤维性能研究现状1962 年正式开展PAN 基碳纤维的研制，1986 年研制出T1000G 碳纤维。
2014 年 3 月，通过碳化精细控制技术在纳米层级内控制纤维结构，成功研发出T1100G 碳纤维，2017 年 6 月强度由6600MPa 更新至7000MPa，目前东丽已完成了T1200 碳纤维的量产。
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。
碳纤维复合材料导热系数
碳纤维复合材料导热系数简介碳纤维复合材料是一种由碳纤维和树脂基体组成的复合材料。
它具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域。
其中一个重要的性能参数就是导热系数，它对于材料在热传导过程中的表现起着关键作用。
导热系数的定义和意义导热系数（thermal conductivity）是指单位时间内单位面积上温度梯度单位长度所传递的热量。
它反映了材料在温度差条件下传递热量的能力，通常用符号λ表示。
碳纤维复合材料的导热系数决定了其在高温条件下的应用性能。
较低的导热系数意味着该材料具有较好的隔热性能，可以有效地防止热量传递，从而保护其他部件免受高温损伤。
而较高的导热系数则表明该材料具有良好的导热性能，可以快速传递热量，使其在散热和导电方面具有优势。
影响导热系数的因素纤维类型和取向碳纤维是碳元素的一种高强度纤维，具有优异的导热性能。
不同类型的碳纤维具有不同的导热系数。
常见的碳纤维类型包括PAN（聚丙烯腈）基碳纤维和高模量（HM）基碳纤维等。
此外，纤维取向也会对导热系数产生影响，通常情况下，与传热方向平行的取向会导致较高的导热系数。
树脂基体树脂基体是碳纤维复合材料中起到粘结作用的部分。
不同种类的树脂基体具有不同的导热性能。
一些树脂具有较低的导热系数，可以减少传递到复合材料中的热量；而另一些树脂则具有较高的导热系数，可以加快传递到复合材料中的热量。
纤维体积分数纤维体积分数是指碳纤维在复合材料中的体积占比。
较高的纤维体积分数通常意味着更多的碳纤维，从而导致较高的导热系数。
界面碳纤维和树脂基体之间的界面也会对导热系数产生影响。
一个良好的界面能够提高导热性能，而一个较差的界面则可能导致传热阻力增加，降低导热系数。
导热系数测量方法测量碳纤维复合材料导热系数的常用方法包括稳态法和非稳态法。
稳态法稳态法是通过测量样品两侧温度差来计算导热系数。
该方法需要将样品加热到一定温度后保持稳定状态，然后测量样品两侧温度差，并根据传热方程计算导热系数。
碳碳复合材料导热系数
碳碳复合材料导热系数一、引言碳碳复合材料是一种高性能、高温、高强度的新型材料，具有优异的耐热、抗氧化和耐腐蚀等性能，因此在航空航天、汽车制造、核工业等领域得到广泛应用。
其中，导热系数是影响碳碳复合材料热传导性能的重要因素之一。
二、什么是导热系数导热系数是指单位时间内单位面积上的热量流动量与温度梯度之比，通常用W/(m·K)表示。
在物理学中，导热系数也被称为热传递系数或热导率。
三、碳碳复合材料的导热系数1. 碳纤维增强碳基复合材料（C/C）的导热系数C/C复合材料具有优异的导热性能，其导热系数通常在100~400 W/(m·K)范围内。
其中，高模量C/C复合材料的导热系数约为200 W/(m·K)，而高强度C/C复合材料则可达到400 W/(m·K)以上。
2. 碳纤维增强陶瓷基复合材料（C/SiC）的导热系数C/SiC复合材料的导热系数通常在20~100 W/(m·K)范围内，其导热性能相对较弱。
其中，高温下的C/SiC复合材料导热性能较好，其导热系数可达到100 W/(m·K)以上。
3. 碳纤维增强碳化硅基复合材料（C/C-SiC）的导热系数C/C-SiC复合材料具有优异的导热性能，其导热系数通常在100~400 W/(m·K)范围内。
其中，高温下的C/C-SiC复合材料导热性能最好，其导热系数可达到400 W/(m·K)以上。
四、影响碳碳复合材料导热系数的因素1. 材料成分：不同成分的碳碳复合材料具有不同的导热性能。
一般来说，纯碳基材料具有较好的导热性能，而陶瓷基和金属基复合材料则相对较差。
2. 纤维取向：纤维取向是影响碳碳复合材料导热性能的重要因素之一。
纤维取向越接近于横向，导热系数越小；纤维取向越接近于纵向，导热系数越大。
3. 纤维体积分数：碳碳复合材料中纤维的体积分数也会影响导热性能。
一般来说，纤维体积分数越高，导热系数也就越高。
碳纤维复合材料导热系数
导热系数的含义导热系数是一个物质的热导性能的量度，它描述了热量在物质中传导的能力。
导热系数越大，物质传导热量的能力就越强。
碳纤维复合材料的导热系数1.碳纤维的导热系数碳纤维是一种由碳元素构成的纤维状材料，具有轻质、高强度和高刚度的特点。
然而，碳纤维的导热系数相对较低。
碳纤维的导热系数通常在1.0-3.0 W/(m·K)之间，取决于纤维的结构和制备过程。
相比之下，常见的金属材料如铜和铝的导热系数分别为385 W/(m·K)和237 W/(m·K)，因此碳纤维的导热性能较差。
2.碳纤维复合材料的导热系数碳纤维复合材料是由碳纤维和树脂基体组成的复合材料。
碳纤维具有较低的导热系数，而树脂基体的导热系数通常更低。
因此，当碳纤维与树脂基体相结合形成碳纤维复合材料时，材料的导热系数往往会降低。
具体来说，碳纤维复合材料的导热系数取决于碳纤维的含量、纤维的取向、树脂基体的类型和含量，以及复合材料的制备工艺等因素。
一般而言，碳纤维复合材料的导热系数在0.1-1.0 W/(m·K)之间，相对于纯碳纤维，导热性能有所降低。
碳纤维复合材料导热系数的影响因素1.碳纤维含量：碳纤维含量的增加可以提高碳纤维复合材料的强度和刚度，但也会增加导热系数。
2.碳纤维取向：碳纤维的取向对导热系数有影响。
当纤维沿着热传导方向排列时，导热性能会更好。
3.树脂基体类型和含量：树脂基体的导热系数通常较低，选择低导热系数的树脂基体可以降低碳纤维复合材料的导热性能。
4.制备工艺：制备工艺中的压力、温度和时间等因素也会对碳纤维复合材料的导热系数产生影响。
总结碳纤维复合材料的导热系数通常较低，取决于碳纤维的导热性能以及复合材料中碳纤维和树脂基体的含量、取向和制备工艺等因素。
虽然碳纤维复合材料的导热系数相对较低，但由于其轻质、高强度和高刚度等优点，在许多领域中仍具有广泛的应用前景。
碳碳复合材料概述
碳碳复合材料概述1概述碳／碳复合材料是由碳纤维(或石墨纤维)为增强体,以碳(或石墨)为基体(de)复合材料,是具有特殊性能(de)新型工程材料,也称为“碳纤维增强碳复合材料”. 碳／碳复合材料完全是由碳元素组成,能够承受极高(de)温度和极大(de)加热速率.它具有高(de)烧蚀热和低(de)烧蚀率,抗热冲击和在超热环境下具有高强度,被认为是超热环境中高性能(de)烧蚀材料.在机械加载时,碳／碳复合材料(de)变形与延伸都呈现出假塑件性质,最后以非脆性方式断裂.它(de)主要优点是：抗热冲击和抗热诱导能力极强,具有一定(de)化学惰性,高温形状稳定,升华温度高,烧蚀凹陷低,在高温条件下(de)强度和刚度可保持不变,抗辐射,易加工和制造,重量轻.碳／碳复合材料(de)缺点是非轴向力学性能差,破坏应变低,空洞含量高,纤维与基体结合差,抗氧化性能差．制造加工周期长,设计方法复杂,缺乏破坏准则.1958年,科学工作者在偶然(de)实验中发现了碳／碳复合材料,立刻引起了材料科学与工程研究人员(de)普遍重视.尽管碳／碳复合材料具有许多别(de)复合材料不具备(de)优异性能,但作为工程材料在最初(de)10年间(de)发展却比较缓慢,这主要是由于碳／碳(de)性能在很大程度上取决于碳纤维(de)性能和谈集体(de)致密化程度.当时各种类型(de)高性能碳纤维正处于研究与开发阶段,碳／碳制备工艺也处于实验研究阶段,同时其高温氧化防护技术也未得到很好(de)解决.在20世纪60年代中期到70年代末期,由于现代空间技术(de)发展,对空间运载火箭发动机喷管及喉衬材料(de)高温强度提出了更高要求,以及载人宇宙飞船开发等都对碳／碳复合材料技术(de)发展起到了有力(de)推功作用.那时,高强和高模量碳纤维已开始应用于碳／碳复合材料,克服碳／碳各向异性(de)编织技术也得到了发展,更为主要(de)是碳／碳(de)制备工艺也由浸渍树脂、沥青碳化工艺发展到多种CVD沉积碳基体工艺技术.这是碳／碳复合材料研究开发迅速发展(de)阶段,并且开始了工程应用.由于20世纪70年代碳／碳复合材料研究开发工作(de)迅速发展,从而带动了80年代中期碳／碳复合材料在制备工艺、复合材料(de)结构设计,以及力学性能、热性能和抗氧化性能等方面基础理论及方法(de)研究,进一步促进和扩大了碳／碳复合材料在航空航天、军事以及民用领域(de)推广应用.尤其是预成型体(de)结构设计和多向编织加工技术日趋发展,复合材料(de)高温抗氧化性能已达1700oC,复合材料(de)致密化工艺逐渐完善,并在快速致密化工艺方面取得了显着进展,为进一步提高复合材料(de)性能、降低成本和扩大应用领域奠定了基础. 目前人们正在设法更有效地利用碳和石墨(de)特性,因为无论在低温或很高(de)温度下,它们都有良好(de)物理和化学性能.碳／碳复合材料(de)发展主要是受宇航工业发展(de)影响,它具有高(de)烧蚀热．低(de)烧蚀率．在抗热冲击和超热环境下具有高强度等一系列优点,被认为是超热环境中高性能(de)烧蚀材料.例如,碳／碳复合材料制作导弹(de)鼻锥时,烧蚀率低且烧蚀均匀,从而可提高导弹(de)突防能力和命中率.碳／碳复合材料具有一系列优异性能,使它们在宁宙飞船、人造卫星、航大飞机、导弹、原子能、航空以及一般工业部门中都得到了日益广泛(de)应用.它们作为宇宙飞行器部件(de)结构材料和热防护材料,不仅可满足苛刻环境(de)要求,而且还可以大大减轻部件(de)重量,提高有效载荷、航程和射程.碳／碳复合材料还具有优异(de)耐摩擦性能和高(de)热导率,使其在飞机、汽车刹车片和轴承等方面得到了应用. 碳与生物休之间(de)相容性极好,再加上碳／碳复合材料(de)优异力学性能,使之适宜制成生物构件插入到活(de)生物机体内作整形材料,例如：人造骨路,心脏瓣膜等. 今后,随着生产技术(de)革新,产量进步扩大．廉价沥青基碳纤维(de)开发及复合工艺(de)改进,使碳／碳复合材料将会有更大(de)发展. 2碳／碳复合材料(de)制造工艺最早(de)碳／碳复合材料是由碳纤维织物二向增强(de),基体由碳收率高(de)热固性树脂(如酚醛树脂)热解获得.采用增强塑料(de)模压技术,将二向织物与树脂制成层压体,然后将层压体进行热处理,使树脂转变成碳或石墨.这种碳／碳复合材料在织物平面内(de)强度较高,在其他方向上(de)性能很差,但因其抗热应力性能和韧性有所改善,并且可以制造尺寸大、形状复杂(de)零部件,因此,仍有一定用途.为了克服两向增强(de)碳／碳复合材料(de)缺点,研究开发了多向增强(de)碳／碳复合材料.这种复合材料可以根据需要进行材料设计,以满足某一方向上对性能(de)最终要求.控制纤维(de)方向、某一方向(de)体积含量、纤维间距和基体密度,选择不同类型(de)纤维、基体和工艺参数,可以得到具有需要(de)力学、物理及热性能(de)碳／碳复合材料. 多向增强(de)碳／碳复合材料(de)制造分为两大步：首先是制备碳纤维预制件,然后将预制件与基体复合,即在预制件中渗入碳基体.碳／碳复合材料制备过程包括增强体碳纤维及其织物(de)选择、基体碳先驱体(de)选择、碳／碳预成型体(de)成型工艺、碳基体(de)致密化工艺,以及最终产品(de)加工、检测等环节. （1）碳纤维(de)选择碳纤维纱束(de)选择和纤维织物结构(de)设计是制造碳／碳复合材料(de)基础.可以根据材料(de)用途、使用(de)环境以及为得到易于渗碳(de)预制件来选择碳纤维.通过合理选择纤维种类和织物(de)编织参数(如纱束(de)排列取向、纱束间距、纱束体积含量等),可以改变碳／碳复合材料(de)力学性能和热物理性能,满足产品性能方向设计(de)要求.通常使用加捻、有涂层(de)连续碳纤维纱.在碳纤维纱上涂覆薄涂层(de)目(de)是为编织方便,改善纤维与基体(de)相容性.用做结构材料时,选择高强度和高模量(de)纤维．纤维(de)模量越高,复合材料(de)导热性越好；密度越大,膨胀系数越低.要求导热系数低时,则选择低模量(de)碳纤维.一束纤维中通常含有1000-10000根单丝,纱(de)粗细决定着基体结构(de)精细性.有时为了满足某种编织结构(de)需要,可将不同类型(de)纱合在一起.另外,还应从价格、纺织形态、性能及制造过程中(de)稳定性等多方面(de)因素来选用碳纤维.可供选用(de)碳纤维种类有粘胶基碳纤维、聚丙烯腊(PAN)基碳纤维和沥青基碳纤维. 目前,最常用(de)PAN基高强度碳纤维(如T300)具有所需(de)强度、模量和适中(de)价格.如果要求碳／碳复合材料产品(de)强度与模量高及热稳定性好,则应选用高模量、高强度(de)碳纤维；如果要求热传导率低,则选用低模量碳纤维(如粘胶基碳纤维).在选用高强碳纤维时,要注意碳纤维(de)表面活化处理和上胶问题.采用表面处理后活性过高(de)碳纤维,使纤维和基体(de)界面结合过好,反而使碳／碳呈现脆性断裂,导致强度降低.因此,要注意选择合适(de)上胶胶料和纤维织物(de)预处理制度,以保证碳纤维表面具有合适(de)活性. （2）碳纤维预制体(de)制备预制体是指按照产品(de)形状和性能要求,先将碳纤维成型为所需结构形状(de)毛坯,以便进一步进行碳／碳致密化工艺.按增强方式可分为单向纤维增强、双向织物和多向织物增强,或分为短纤维增强和连续纤维增强.短纤维增强(de)预制体常采用压滤法、浇铸法、喷涂法、热压法.对于连续长丝增强(de)预制体,有两种成型方法：一种是采用传统(de)增强塑料(de)方法,如预浸布、层压、铺层、缠绕等方法做成层压板、回旋体和异形薄壁结构；另一种是近年得到迅速发展(de)纺织技术——多向编织技术,如三向编织、四向编织、五向编织、六向编织以至十一向编织、极向编织等.单向增强可在一个方向上得到最高拉伸强度(de)碳／碳.双向织物常常采用正交平纹碳布和8枚缎纹碳布.平纹结构性能再现性好,缎纹结构拉伸强度高,斜纹结构比平纹容易成型.由于双向织物生产成本较低,双向碳／碳在平行于布层(de)方向拉伸强度比多晶石墨高,并且提高了抗热应力性能和断裂韧性,容易制造大尺寸形状复杂(de)部件,使得双向碳／碳继续得到发展.双向碳／碳(de)主要缺点是：垂直布层方向(de)拉伸强度较低,层间剪切强度较低,因而易产生分层. 多向编织技术能够针对载荷进行设计,保证复合材料中纤维(de)正确排列方向及每个方向上纤维(de)含量.最简单(de)多向结构是三向正交结构.纤维按三维直角坐标轴x、y、z排列,形成直角块状预制件.纱(de)特性、每一点上纱(de)数量以及点与点(de)间距,决定着预制件(de)密度、纤维(de)体积含量及分布.在x、y、z三轴(de)每一点上,各有一束纱(de)结构(de)充填效率最高,可达75％,其余25％为孔隙.由于纱不可能充填成理想(de)正方形以及纱中(de)纤维间有孔隙,因而实际(de)纤维体积含量总是低于75％.在复合材料制造过程中,多向预制件中纤维(de)体积含量及分布不会发生明显变化,在树脂或沥青热解过程中,纤维束和孔隙内(de)基体将发生收缩,不会明显改变预制件(de)总体尺寸.三向织物研究(de)重点在细编织及其工艺、各向纤维(de)排列对材料(de)影响等方面.三向织物(de)细编程度越高,碳／碳复合材料(de)性能越好,尤其是作为耐烧蚀材料更是如此. 为了形成更高各向同性(de)结构,在三向纺织(de)基础上,已经发展了很多种多向编织,可将三向正交设汁改型,编织成四、五、七和十一向增强(de)领制件.九向结构是在三向正交结构(de)基础上,在xy平面内补充两个45o(de)方向,在三向正交结构中,如果按上下面(de)四条对角线或上下面各边中点(de)四条连线补充纤维纱,则得七向预制件.在这两种七向预制件中去掉二个正交方向上(de)纱,便得四向结构.在三向正交结构中(de)四条对角线上和四条中点连线上同时补充纤维纱,可得非常接近各向同性结构(de)十一向预制件.将纱按轴向、径向和环向排列,可得圆筒和回转体(de)预制件.为了保持圆筒形编织结构(de)均匀性,轴向纱(de)直径应由里向外逐步增加,或者在正规结构中增加径向纱.在编织截头圆锥形结构时,为了保持纱距不变和密度均匀,轴向纱应是锥形(de).根据需要可将圆筒形和截头圆锥形结构变形,编织成带半球形帽(de)圆筒和尖形官窿(de)预制件. 制造多向预制件(de)方法有：干纱编织、织物缝制、预固化纱(de)编排、纤维缠绕以及上述各种方法(de)组合. 1) 干纱编织干纱编织是制造碳／碳复合材料最常用(de)一种方法.按需要(de)间距先编织好x和y方向(de)非交织直线纱,x、y层中相邻(de)纱用薄壁钢管隔开,预制件织到需要尺寸时,去掉这些管子,用垂直(z向)(de)碳纤维纱代替.预制件(de)尺寸决定于编织设备(de)大小.用圆筒形编织机能使纤维按环向、轴向、径向排列,因而能制得回转体预制件.先按设计做好扎板,再将金属杆插入孔板,编织机自动地织好环向和径向纱,最后编织机自动取出金属杆以碳纤维纱代替. 2)穿刺织物结构如果用两向织物代替三向干纱编织预制什中x、y方向上(de)纱,就得到穿刺织物结构.具体制法是：将二向织物层按设计穿在垂直(z向)(de)金属杆上．再用未浸过或浸过树脂(de)碳纤维纱并经固化(de)碳纤维——树脂杆换下金属杆即得最终顶制件.在x、y方向可用不同(de)织物,在z向也可用各种类型(de)纱.同种石墨纱用不同方法制得(de)预制件(de)特性差别显着,穿刺织物预制件(de)纤维总含量和密度都较高．有更大(de)通用性. 3)预固化纱结构预固化纱结构与前两种结构不向,不用纺织法制造：这种结构(de)基本单元体是杆状预固化碳纤维纱,即单向高强碳纤维浸酚醛树脂及固化后得(de)杆.这种结构比较有代表性(de)是四向正规四面体结构,纤维按二向正交结构中(de)四条对角线排列,它们之间(de)夹角为.预固化杆(de)直径为1~,为了得到最大充填密度,杆(de)截面呈六角形,碳纤维(de)最大体积含量为75％,根据预先确定(de)几何图案很容易将预固化(de)碳纤维杆组合成四向结构. 用非纺织法也能制造多向圆筒结构.先将预先制得(de)石墨纱——酚醛预固化杆径向排列好,在它们(de)空间交替缠绕上涂树脂(de)环向和轴向纤维纱,缠绕结束后进行固化得到二向石墨——酚醛圆筒,再经进一步处理,即成碳／碳复合材料. 3碳／碳(de)致密化工艺 , 碳／碳致密化工艺过程就是基体碳形成(de)过程,实质是用高质量(de)碳填满碳纤维周围(de)空隙,以获得结构、性能优良(de)碳／碳复合材料.最常用(de)有两种制做工艺：液相浸渍法和化学气相沉积法. 1)液相浸渍法液相浸债工艺是制造碳／碳(de)一种主要工艺.按形成基体(de)浸渍剂,可分为树脂浸渍、沥青浸渍及沥青树脂混浸工艺；按浸渍压力,可分为低压、中压和高压浸渍工艺.通常可用做先驱体(de)有热固性树脂,例如：酚醛树脂和呋喃树脂以及煤焦油沥青和石油沥青. ①浸渍用基体先驱体(de)选择在选择基体(de)先驱体时,应考虑下列特性：黏度、产谈率、焦炭(de)微观结构和晶体结构.这些特性都与碳／碳复合材料制造过程中(de)时间-温度-压力关系有关.绝大多数热固性树脂在较低温度(低于250oC)下聚合成高度交联(de)、不熔(de)非晶固体.热解时形成玻璃态碳,即使在3000 oC时也不能转变成石墨,产碳率为50％—56％,低于煤焦油沥青.加压碳化并不使碳收率增加,密度也较小(小于1,5g／cm3).酚醛树脂(de)收缩率可达20％,这样大(de)收缩率将严重影响二向增强(de)碳／碳复合材料(de)性能.收缩对多向复合材料性能(de)影响比二向复合材料小.预加张力及先在400—600oC范围内碳化,然后再石墨化都有助于转变成石墨结构. 沥青是热塑性(de),软化点约为400oC,用它作为基体(de)先驱体可归纳成以下要点：下(de)碳收率约为50％；在大于或等于10 MPa压力下碳化,有些沥青(de)碳收率可高达90％；焦炭结构为石墨态,密度约为2g／cm3,碳化时加压将影响焦炭(de)微观结构. ②低压过程预制件(de)树脂浸渍通常将领制体置于浸渍罐中,在温度为50 oC左右(de)真空下进行浸渍,有时为了保证树脂渗入所有孔隙也施加一定(de)压力,浸渍压力逐次增加至3~5MPa,以保证织物孔隙被浸透.浸渍后,将样品故入固化罐中进行加压固化,以抑制树脂从织物中流出.采用酚醛树脂时固化压力为l MPa左右,升温速度为5~10oC/h,固化温度为140~170oC,保温2h；然后,再将样品放入碳化炉中,在氮气或氩气保护下,进行碳化(de)温度范围为650~1100oC,升温速度控制在10~30oC/h,最终碳化温度为1000 oC,保温1h. 沥青浸渍工艺常常采用煤沥青或石油沥青作为浸渍剂,先进行真空浸渍,然后加压浸渍.将装有织物预制体(de)容器故人真空罐中抽真空,同时将沥青放人熔化罐中抽真空并加热到250oC,使沥青融化,强度变小；然后将熔化沥青从熔化罐中注入盛有预制体(de)容器中,使沥青浸没预制体．待样品容器冷却后,移人加压浸渍罐中,升温到250℃进行加压涅渍,使沥青进一步浸入预制体(de)内部空隙中,随后升温至600~700oC进行加压碳化.为了使碳／碳具有良好(de)微观结构和性能,在沥青碳化时要严格控制沥青中间相(de)生长过程,在中间相转变温度(430~460℃)．控制中间相小球生长、合并和长大. 在碳化过程中树脂热解,形成碳残留物,发生质量损失和尺寸变化,同时在样品中留下空隙.因此,浸渍——热处理需要循环重复多次,直到得到一定密度(de)复合材料为止.低压过程中制得(de)碳／碳复合材料(de)密度为~／cm3.,孔隙率为8％—10％. ⑧高压过程先用真空——压力浸渍方法对纤维预制体浸渍沥青,在常压下碳化,这时织物被浸埋在沥青碳中,加工以后取出已硬化(de)制品,把它放入一个薄壁不锈钢容器(称为“包套”)中,周围填充好沥青,并将包套袖真空焊封起来；然后将包套放进热等静压机中慢慢加热,温度可达600~700oC,同时施加7~100 MPa(de)压力.经过高压浸渍碳化之后,将包套解剖,取出制品,进行粗加工．去除表层；最后在2500~2700oC(de)温度和氩气保护下进行石墨化处理.上6碳／碳复台材料(de)氧化保护碳／碳复合材料具有优异(de)高温性能,当工作温度超过2000oC时,仍能保持其强度,它是理想(de)耐高温工程结构材料,已在航空航天及军事领域得到广泛应用.但是,在有氧存在(de)气氛下,碳／碳复合材料在400oC以上就开始氧化.碳／碳复合材料(de)氧化敏感性限制了它(de)扩大应用.解决碳／碳复合材料高温抗氧化(de)途径主要是,采用在碳／碳复合材料表面施加抗氧化涂层,使C与O2隔开,保护碳／碳复合材料不被氧化.另一个解决高温抗氧化(de)途径是,在制备碳／碳复合材料时,在基体中预先包含有氧化抑制剂. 1)抗氧化涂层法在碳／碳复合材料(de)表面进行耐高温氧化材料(de)徐层,阻止与碳／碳复合材料(de)接触,这是一种十分有效地提高复合材料抗氧化能力(de)方法.一般而言,只有熔点高、耐氧化(de)陶瓷材料才能作为碳／碳复合材料(de)防氧化涂层材料.通常,在碳／碳复合材料表面形成涂层(de)方法有两种：化学气相沉积法和固态扩散渗透法.防氧化涂层必须具有以下特性：与碳／碳复合材料有适当(de)黏附性,既不脱粘,又不会过分渗透到复合材料(de)表面；与碳／碳复合材料有适当(de)热膨胀匹配,以避免涂覆和使用时因热循环造成(de)热应力引起涂层(de)剥落；低(de)氧扩散渗透率,即具有较高(de)阻氧能力,在高温氧化环境中氧延缓通过涂层与碳／碳复合材料接触；与碳／碳复合材料(de)相容稳定性,既可防止涂层被碳还原而退化,又可防止碳通过涂层向外扩散氧化；具有低(de)挥发性,避免高温下自行退化和防止在高速气流中很快被侵蚀. 硅基陶瓷具有最佳(de)热膨胀相容性,在高温时具有最低(de)氧化速率,比较硬且耐烧蚀.SiC具有以上优点并且原料易得,当02分压较高时,其氧化产物固态SiO2在1650oC 以下是稳定(de),形成(de)玻璃态SiO2薄膜能防止02进一步向内层扩散.因此,在碳／碳表面渗上一层SiC涂层,能有效地防止碳／碳在高温使用时(de)氧化.在碳／碳表面形成SiC涂层(de)方法有两种：一种方法是采用固体扩散渗SiC工艺,另一种方法是近年来采用(de)化学气相沉积法.此外,利用硅基陶瓷涂层(SiC、Si3C4)对碳／碳进行氧化防护,其使用温度一般在1700~1800oC以下,高于1800oC使用(de)碳／碳复合材料(de)氧化防护问题还有待研究解决. 2)抑制剂法从碳／碳复合材料内部抗氧化措施原理来说,可以来取两种办法,即内部涂层和添加抑制剂.内部涂层是指在碳纤维上或在基体(de)孔隙内徐覆可起到阻挡氧扩散(de)阻挡层.但由于单根碳纤维很细(直径约7um),要预先进行涂层很困难,而给碳／碳复合材料基体孔隙内涂层,在工艺上也是相当困难(de).因此,内部涂层(de)办法受到很大限制.而在碳／碳复合材料内部添加抑制剂,在工艺上相对容易得多,而且抑制剂或可以在碳氧化时抑制氧化反应,或可先与氧反应形成氧化物,起到吸氧剂作用. 在碳、石墨以及碳／碳复合材料中,采用抑制剂主要是在较低温度范围内降低碳(de)氧化.抑制剂是在碳／碳复合材料(de)碳或石墨基体中,添加容易通过氧化而形成玻璃态(de)物质.研究表明,比较经济而且有效(de)抑制剂主要有B203,、B4C和ZrB2等硼及硼化物.硼氧化后形成B202；具有较低(de)熔点和强度,因而在碳和石墨氧化(de)温度下,可以在多孔体系(de)碳／碳复合材料中很容易流动,井填充到复合材料内连(de)孔隙中去,起到内部涂层作用,既可阻断氧继续侵入(de)通道,又可减少容易发生氧化反应(de)敏感部位(de)表面积.同样,B4C、ZrD2等也可在碳氧化时生成一部分CO后,形成B302,例如B4C依以下反应形成B203. 研究表明,抑制剂在起到抗氧化保护时,碳／碳复合材料有一部分已经被氧化.硼酸盐类玻璃形成后,具有较高(de)蒸气压以及较高(de)氧(de)扩散渗透率.因此,一般碳／碳复合材料采用内含抑制剂(de)方法,大都应用在600oC以下(de)防氧化. 3碳／碳复合材料(de)性能碳／碳复合材料(de)性能与纤维(de)类型、增强方向、制造条件以及基体碳(de)微观结构等因素密切相关,但其性能可在很宽(de)范围内变化.由于复合材料(de)结构复杂和生产工艺(de)不同．有关文献报道(de)数据分散性较大,仍可以从中得出一些一般性(de)结论. （1）碳／碳复合材料(de)化学和物理性能碳／碳复合材料(de)体积密度和气孔率随制造工艺(de)不同变化较大,密度最高(de)可达 2．o 6／cm 5,开f[气孔率为2％—3％.树脂碳用做基体(de)盼碳复合材料,体积密度约又 1．5g ／cm J. 耐碳复合材料除含有少量(de)氢、氮和微量(de)金属元素外．99％以亡都是由元素碳组成‘因此,碳／碳复合材料与石墨样具合化学稳定性．它勺一舱(de)酸、碱、盐溶液不起反应p不溶于有机溶剂,只与浓氧化性酸溶液起反应.碳在石墨态下,只有加热到4000霓,才会熔化(在压力超过12cPa条件产)；只有加热到2500 Y以上,才能测出其塑性变形；在常压下加热致 3删吧,碳才仆始升华.伊碳复合材料具有碳(de)优良性能,包括耐高温、抗腐蚀、较低(de)邦膨胀系数和较好(de)抗热冲击性能. 份碳复合材料在常温下不与氧作用,开始氧化(de)温度为则Y(特别是当微量K、Na、c5 等分属杂质存在时),温度高于600 Y将会发生严重氧化.队碳复合材料(de)最大缺点是耐匀化性能差. 碳／碳复合材料(de)热物理件能仍然典有碳和石墨材料(de)特征,主要表现为以下特点：①热导率较高酣碳复合材料(de)热导率随石墨化程度(de)提高而增加.阶碳复合材料热寻率还勺纤维(特别是石墨纤维)(de)方向有关.热导率高(de)阶碳复合材料具有较好(de)抗效应力性能,但却给结构设计带来困难(要求采取绝热措施).队碳复合材料(de)热导率—‘般为 250 W／(m·K). ②热膨胀系数较小多晶碳和心墨(de)热膨胀系数主要取决于品体(de)取向度,同时也受到扎陈度和裂纹(de)影响.因此,碳／碳复合材料(de)热膨胀系数随着柯墨化程度(de)提高而降低.热膨胀系数小,使得阶碳复合材料结构在温度变化时尺寸稳定性特别好.由于热膨胀系数小 (一般(o 5—1．5)M10‘／Y),胁碳复合材料(de)抗热应力性能比较好.所有这些性能对1；在宁航方圆(de)设计和应用非常重要. ③比热容大与碳和石墨材料柏近,室洲至2删℃,比热容约为800—2删J／(kg·K)L)l [2)矽碳复台材料(de)力学性能耐碳复合材料(de)力学性能主要取决于碳纤维(de)种类、取向、含量和制备工艺等.研究友明．酣碳复合材料(de)高强度、高模量特性主要是来自碳纤维,。
碳纤维增强热塑性复合材料的研究进展
2020 年第49 卷第 12 期石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY·1153·特约述评DOI ：10.3969/j.issn.1000-8144.2020.12.001［收稿日期］2020-08-03；［修改稿日期］2020-10-29。
［作者简介］张琦（1984—），女，安徽省宿州市人，博士，高级工程师，电话 010-********，电邮 zhangqi01.bjhy@ 。
联系人：张师军，教授级高级工程师，中国石化高级专家，电话 010-********，电邮 zhangsj.bjhy@ 。
［基金项目］中国石油化工股份有限公司资助项目（219025-4）。
碳纤维增强热塑性复合材料的研究进展张 琦，张师军（中国石化 北京化工研究院，北京 100013）［摘要］碳纤维增强热塑性复合材料因出色的机械性能及易于加工、回收等优点受到广泛关注。
对碳纤维/树脂进行界面改性可改善碳纤维与热塑性树脂之间的化学键合、机械啮合以及界面浸润性，进而提高复合材料的综合性能。
对碳纤维增强热塑性复合材料的界面改性和材料性能研究等方面进行了综述，重点总结了碳纤维增强聚酰胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚醚砜等热塑性复合材料的最新研究进展。
［关键词］碳纤维；热塑性复合材料；高性能；界面改性［文章编号］1000-8144（2020）12-1153-12 ［中图分类号］TQ 322.4 ［文献标志码］AResearch development on carbon fiber reinforced thermoplastic compositesZhang Qi ，Zhang Shijun（Sinopec Beijing Research Institute of Chemical Industry ，Beijing 100013，China ）［Abstract ］Carbon fiber reinforced thermoplastic composite has attracted much attention due to its advantages ，such as excellent mechanical properties ，easy to process and recycle. The interfacial modification of carbon fiber/thermoplastic resin can improve the chemical bonding ，mechanical meshing and interfacial wettability between carbon fiber and thermoplastic matrix ，so as to improve the comprehensive properties of the composite. In this paper ，the research on the interfacial modification ，mechanical properties and other aspects of carbon fiber reinforced thermoplastic composites are reviewed ，and the latest research progress of carbon fiber reinforced polyamide ，polyphenylene sulfide ，polyetheretherketone ，polyetherimide ，polyethersulfone and other thermoplastic resin matrix composites were emphatically summarized.［Keywords ］carbon fibers ；thermoplastic composites ；high performance ；interfacial modification碳纤维（CF ）是由有机纤维在惰性气氛中经高温碳化制得，具有高强度、高比模量、优异的热性能和化学稳定性以及阻尼减震降噪等特性，是优异的增强体材料［1-4］。
碳纤维复合材料的导热系数
碳纤维复合材料是一种由碳纤维与树脂、金属或其他材料复合而成的先进材料。
这种材料具有优异的力学性能、耐腐蚀性和轻质化等特点，广泛应用于航空航天、汽车、体育设备、建筑等领域。
在导热性能方面，碳纤维复合材料的导热系数是表征材料传热性能的重要参数。
定义：导热系数是指材料在温差作用下，单位时间内通过单位面积传递的热量。
导热系数越大，材料的传热性能越好。
对于碳纤维复合材料，其导热系数取决于纤维类型、纤维含量、纤维取向以及基体材料的性质等因素。
用法：碳纤维复合材料的导热系数通常需要通过实验测量。
测量方法包括热线法、热板法、激光闪射法等。
其中，热线法是最常用的方法之一，通过在材料表面放置热线并测量其热量损失来计算导热系数。
重点：碳纤维复合材料的导热性能受到多种因素的影响，如纤维类型、纤维含量、纤维取向以及基体材料的性质等。
因此，在设计和制备碳纤维复合材料时，需要综合考虑这些因素，以达到所需的导热性能。
同时，导热系数也是评价碳纤维复合材料性能的重要指标之一，对于产品的设计和应用具有重要意义。
难点：由于碳纤维复合材料的导热性能受到多种因素的影响，因此其导热系数的预测和控制具有一定的难度。
同时，由于碳纤维复合材料的各向异性，其导热系数可能会因纤维取向的不同而有所差异。
此外，在制备碳纤维复合材料时，纤维和基体之间的界面热阻也是影响其导热性能的重要因素之一。
注意事项：在使用碳纤维复合材料时，需要注意其导热性能是否符合应用场景的要求。
例如，对于需要承受高温和高湿度的应用场景，需要选择具有较高导热系数的碳纤维复合材料。
同时，在制备碳纤维复合材料时，需要注意控制纤维取向和界面热阻等因素，以保证其导热性能的稳定性和可预测性。
应用案例1：在航空航天领域，碳纤维复合材料被广泛应用于制造飞机和火箭等高速飞行器。
在这些飞行器上，由于温度变化较大，需要具有良好的导热性能以保持温度稳定。
因此，设计师通常会选择具有较高导热系数的碳纤维复合材料来制造机翼、机身和火箭发动机等关键部件。