复合材料中三维编织碳纤维增强体的性能特点.pdf

第2l卷第l期 河北建筑科技学院学报 V01．21No．1 2004年3月 Jounlal《 HebeiIIlstitllteof ArchitechlralScienceand Mar．2004 Technolog)r 文章编号：1007—6743(2004)0l—0077—04 复合材料中三维编织碳纤维增强体的性能特点 赵立新1，郑立允1，一，韩彦华3，牛兰芹1 (1．河北工程学院机械系，河北，邯郸056038；2．华中科技大学材料工程学院，湖北， 武汉430074；3．邯郸市亚东塑胶有限公司，河北邯郸056006) 摘要：作者对复合材料中的碳纤维增强方式进行了论述，三维编织碳纤维增强体具有整体性并口 可适应构件多种外形的特点，由其复合成的材料避免了方向性，使复合材料具有优良的综合性 能。 关键词：复合材料；碳纤维；三维编织碳纤维增强体 中图分类号：TQ332 文献标识码：A 在工程上，复合材料主要是指为克服单一材料的某些弱点，充分发挥材料的综合性能，将一种或几种 材料用人工的方法均匀地与另一材料结合而成的一种工程材料。按复合形式不同可分为三类：l纤维增 强复合材料，2层合复合材料，3颗粒复合材料…。目前以纤维增强复合材料发展较快，应用最广。材料 经过复合后，有的性能指标往往超过了各组成材料性能的总和。复合已成为改善材料性能的一种有效手 段，并引起人们的重视。有人预言，2l世纪是进入复合材料的时代怛J。 能增强纤维，尤其是碳纤维的应用发展最快。 1长短纤维增强体 碳元素的同素异构体一石墨具有很高的强度和硬度，其分子结构是层状的六方晶体结构。层面是由 间距为1．42A的碳原子作六角形连结，层与层之间的距离是3．34A，故呈现各向异性：平行于层面方向的 强度和弹性模量高，而垂直于层面方向的强度和弹性模量则较低。碳纤维就是一种由许多石墨晶体组成 的多晶纤维。 1．1传统碳纤维增强体 碳纤维增强体复合材料一直是被区分为长(连续)纤维和短纤维来加工的，纤维长度可从300—400m 到几个毫米不等，过去十几年中，人们在改进不同种类的碳纤维复合材料加工方法和性能方面投入了大 量的研究，从预浸料处理到模塑法加工，从短纤维混料注射加工到层压成型，力求为这种性能优良的材料 寻找到最佳的加工方法。研究表明，长碳纤维有其抗冲击性能方面的优越性，但与短切纤维比较又有加 工困难的缺点。目前的发展趋势是，长碳纤维复合材料在加工上继续完善新工艺方法，短切碳纤维复合 J。 材料则向具有更高冲击和拉伸等性能方向发展L3 应该说明，碳纤维增强尼龙复合材料是各向异性非均质材料。由于纤维和基体是形状和性能完全不 同的两种材料，它们之间的界面又具有分割作用，因此它不是连续和均质的，其力学性能是各向异性的。 特别是长碳纤维或纤维制品增强的复合材料更为突出。因此在作强度和刚度设计时不能完全按金属的 设计方法进行。 长、短碳纤维增强两种方式对复合材料性能的影响比金属更为复杂。一般来说，除了纤维和基体材 料本身的性能以及它们之间界面的结合牢固程度外，对于复合材料，碳纤维的排列方向将起决定性的作 用，沿碳纤维排列方向受力最大。试验结果表明，顺纤维方向比垂直方向的抗拉强度大40倍。为了消除 复合材料方向上的受限性，研究人员开始对三维编织碳纤维进行研究。 收稿日期：2003—09—09 基金项目：河北建筑科技学院2003年青年基金项目资助(7110) 作者简介：赵立新(1969一)，男，河北邯郸市人，副教授，从事复合材料力学研究。 万方数据 河北建筑科技学院学报 2碳纤维三维编织复合材料 三维编织复合材料是近二十年来诞生的一种新型复合材料，是复合材料科学中异军突起的一支新 秀，它以三维整体织物为增强体，其优良的结构性显著改善了复合材料多方面的力学特性，从根本上克服 了传统层合板层间剪切强度低而且易分层的缺点，在航空、航天、军工、汽车、医疗以及高级体育用品等领