碳纤维增强树脂基复合材料性能的研究.doc

碳纤维增强树脂基复合材料性能的研究

摘要：碳纤维增强树脂基复合材料以其优异的综合性能成为当今世界材料学科研究的重点。本文介绍了的碳纤维增强复合材料的性能，简述了增强机理、成型工艺及其应用领域和开展趋势。

新材料的研究、开展与应用一直是当代高新技术的重要内容之一。其中复合材料，特别是先进复合材料在新材料技术领域占有重要的地位，对促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的作用，因此近年来倍受重视。

复合材料(Compositematerials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。【1】

碳纤维增强复合材料(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，，而这些优异的性能可使碳纤维成为一种十分良好的增强材料。目前，碳纤维大局部应用于碳纤维增强树脂基复合材料〔CarbonFiberReinforcedPolymerComposite，简称CFRP〕。是其它纤维增强复合材料所无法比较的。因为环氧树脂的热机械性能、抗蠕变性能、粘接性能优异而且吸湿性好；固化收缩率和线膨胀系数小；固化温度较低；较高温度下稳定性好；尺寸稳定性、综合性能好[2]；而且又与有机材料的浸润性能好等优点，所以近年来应用最多的就是碳纤维增强环氧树脂复合材料。目前为止，CFRP可以应用于航空、航天，体育用品，交通工具，建筑材料等多个领域。无论是军用还是民用，随着研究的不断深入和工厂的大规模生产，其应用领域更为广阔。

碳纤维增强树脂基复合材料的性能【10】

碳纤维增强树脂基复合材料具有一系列的优异性能,主要表现在以下几个方面。

具有高的比强度和比模量。CFRP的密度仅为钢材的1/5，钛合金的1/3，比铝合金和玻璃钢〔GFRP〕还轻，使其比强度〔强度/密度〕是高强度钢、超硬铝、钛合金的4倍左右，玻璃钢的2倍左右；比模量〔模量/密度〕是它们的3倍以上。CFRP轻而刚、刚而强的特性是其广泛用于宇航结构材料最根本的性能。

耐疲劳。在静态下，CFRP循环105次、承受90%的极限强度应力时才被破坏，而钢材只能承受极限强度的50%左右。对于碳纤维增强树脂基复合材料，在应力作用下呈现粘弹性材料的疲劳特性，显示出耐疲劳特性。CFRP呈现出良好的抗蠕变性能，这可能与碳纤维的刚性有关。

热膨胀系数小。碳纤维的热膨胀系数α具有显著的各向异性，使其复合材料的α也具有各向异性。

耐磨擦，抗磨损。CFRP有优良的耐疲劳特性、热膨胀系数小和热导率高的特性，具耐磨擦、抗磨损的根本性能。再加之碳纤维具有乱层石墨结构，自润滑性好，适用于摩擦磨损材料。比磨耗量可用以下三式表示。

Wr=KLa

a=(b+2)/3

N=〔So/S〕/b

式中Wr为比磨耗量；K为比例常数；S为循环作用的应力；So为材料的拉伸强度；N为断裂时的循环次数。

CFRP具有高的拉伸强度，是优良的摩擦材料。

〔5〕耐蚀性。碳纤维的耐蚀性非常优异，在酸、碱、盐和溶剂中长期浸泡不会溶胀变质。CFRP的耐蚀性主要取决于基体树脂。长期在酸、碱、盐和有机溶剂环境中，刻蚀、溶胀等使其变性、腐蚀，导致复合材料性能下降。

〔6〕耐水性好。碳纤维复合材料的耐水性好，可长期在潮湿环境和水中使用。一般沿纤维方向(0°)的强度保持率较高，垂直于纤维方向(90o)的保持率较低。这可能与基体树脂的吸湿、溶胀有关。

〔7〕导电性好。碳纤维具有导电性能。对于CFRP导电性能来自碳纤维，基体树脂是绝缘体。因此，CFRP的导电性能也具有各向异性。

〔8〕射线透过性。CFRP对X射线透过率大，吸收率小，可在医疗器材〔如X光机〕方面应用。

2增强机理碳纤维增强树脂基复合材料是以聚合物为基体(连续相)，纤维为增强材料(分散相)组成的复合材料。纤维材料的强度和模量一般比基体材料高得多，使它成为主要的承载体。但是必须有一种粘接性能好的基体材料把纤维牢固地粘接起来。同时，基体材料又能起到使外加载荷均匀分布，并传递给纤维的作用【11】。