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碳纤维增强复合材料用环氧树脂研究进展

摘要：综述了环氧树脂的合成方法、固化方法以及改性的研究现状以及理论知

识，介绍了碳纤维增强环氧树脂复合材料的生产和性能，重点讲述了环氧树脂的

改性方法。

关键词：环氧树脂；碳纤维；复合材料；改性

碳纤维〔carbonfiber，简称CF〕，是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量、综合

性能优异的新型纤维材料，其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维作为一种高性能纤

维,具有高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、抗蠕变、耐辐射、耐疲劳、导电、传热和

热膨胀系数小等诸多优异性能。此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1]。碳纤维既可用作构

造材料来承载负荷,又可用作功能材料。因此在国外碳纤维及其复合材料近几年的开展都十

分迅速。碳纤维的制备是有机纤维进展碳化的过程，在惰性气体中将含碳的有机物加热到

3000℃左右，非碳元素脱离，碳元素含量逐步增大并最终形成碳纤维。其典型的宏观构造如

图1所示。

图1碳纤维的宏观构造

a整体效果b局部效果

1891年德国的Lindmann用对苯二酚和环氧氯丙烷合成了树脂状产物，1909年俄国化学

家Prileschajew发现用过氧化苯甲醚和烯烃反响可生成环氧化合物，在19世纪末20世纪

初的这两个重大发现揭开了环氧树脂走向世界的帷幕。环氧树脂是一类重要的热固性树

脂,是聚合物复合材料中应用最广泛的基体树脂。环氧树脂具有优异的粘接性能、耐磨性能、

机械性能、电绝缘性能、化学稳定性能、耐上下温性能,以及收缩率低、易加工成型和本钱

低廉等优点,在胶粘剂、电子仪表、轻工、建筑、机械、航天航空、涂料、电子电气绝缘材

料及先进复合材料等领域得到广泛应用[2]。我国环氧树脂的研制开场于1956年，在、两地

首获成功，并在1958年于首先开场了工业化生产。到了60年代中期国开场研究新型的环氧

树脂，如脂环族环氧树脂、酚醛环氧树脂、缩水甘油酯环氧树脂、聚丁二烯环氧树脂等种类，

70年代末着手开发了元素改性环氧树脂、特种环氧树脂等诸多新品种。经过五十余年的开

展，环氧树脂的生产和应用取得了长足的进步，然而和金属等传统材料相比，我国的环氧树

脂产业在生产规模、品种数量、产品质量等方面和兴旺国家仍有较大差距。随着国民经济建

立中的应用需要越来越多，对环氧树脂本身性能和生产的要求越来越苛刻，我国的环氧树脂

产业暴露出了一系列的问题：①首先是产业格局分布不合理，目前我国环氧树脂的产业集中

在低端性能的环氧树脂上，导致低端产品产能过剩高端产品开展后续缺乏的严重问题。②环

氧树脂的广阔需求刺激了其市场的快速增长，但环氧树脂生产相关的配套体系开展过慢，不

能满足环氧树脂生产的需求。③随着环氧树脂使用环境的增多，对环氧树脂的综合性能要求

也越来越高，而环氧树脂本身在韧性、耐热性方面的缺乏大大局限了其开展空间[3]。目前，

为了满足环氧树脂的市场需求，环氧树脂产业正向着规模化、高纯化、专用化、精细化、功

能化、系列化的六化方向开展。

1环氧树脂的理化性质

环氧树脂是一种重要的热固性树脂，泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高

分子，相对分子质量都不高。由于分子构造中环氧基团较活泼，它们可以与多种类型的固化

剂发生交联反响形成不溶不熔具有三向网状构造的聚合物。环氧树脂具有良好的物理化学性

能，对金属和非金属都具有优异的粘结强度，介电性能良好，制品尺寸稳定性好，硬度高，

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对碱及大局部溶剂的稳定性好，可作浸渍、浇注、层压料、粘结剂、涂料等各种用途。

环氧树脂按化学构造和环氧基结合方式可分为五大类：缩水甘油醚类、缩水甘油酯类、

缩水甘油胺类、脂肪族环氧化合物和脂环族环氧化合物，此外还有混合型环氧树脂。常用的

环氧树脂有两种类型：一种是双酚A缩水甘油醚型环氧树脂，被称为双酚A型环氧树脂,其

产量占到环氧树脂总产量的90%,可由二酚基丙烷(双酚A)与环氧氯丙烷在碱性催化剂〔常

用NaOH〕作用下聚合而得;另一是高官能度环氧树脂(分子中具有2个以上环氧基)，可由线

型酚醛树脂和环氧氯丙烷聚合得到。环氧树脂在室温下根据树脂的状态可分为固态环氧树脂

和液