文档：碳纤维及其复合材料.pdf

碳纤维及其复合材料

碳纤维（carbonfiber）它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤

维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量

是其3倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且

在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基

CF浸泡在强碱NaOH溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。碳

纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐

辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。此外，

还具有纤维的柔曲性和可编性。碳纤维既可用作结构材料承载负荷，又可作为功

能材料发挥作用。因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速。

1碳纤维的结构、特性以及分类

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一

般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导

热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、

可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很

高的比强度。其是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热

稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。

碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000℃以上的高温下碳化形

成，且含碳量在90%以上的高性能纤维材料。

碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中

碳原子平面总是沿纤维轴平行取向。用x-射线、电子衍射和电子显微镜研究发

现，真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构，而是属于乱层石墨结构，如

图1-1。构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格，由层晶格组成层平面。在

层平面内的碳原子以强的共价键相连，其键长为0.1421nm；在层平面之间则

由弱的范德华力相连,层间距在0.336~0.344nm之间；层与层之间碳原子没有规

则的固定位置，因而层片边缘参差不齐。处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部

结构完整的基础碳原子不同。层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的，键能

高，反应活性低；处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子，活性

比较高。

图1-1碳纤维结构示意图

碳纤维主要具备以下特性:

(1)密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5-2g/cm3,相当于钢密度的1/4、铝

合金密度的1/2；

(2)强度、弹性模量高,其强度比钢大4-5倍,弹性回复为100%；

(3)热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄

氏度的高温突然降到常温也不会炸裂；

(4)摩擦系数小,并具有润滑性；

(5)导电性好,25℃时高模量碳纤维的比电阻为775Ω·cm,高强度碳纤维则

为1500Ω·cm；

(6)耐高温和低温性好,在3000℃非氧化气氛下不熔化、不软化，在液氮温

度下依旧很柔软也，不脆化；耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸

等侵蚀。除此之外，碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中

子减速等特性。

碳纤维根据原料不同，可以分为聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维和沥青基

碳纤维三种。

碳纤维主要经过原料的聚合，纺丝，预氧化，炭化和石墨化之后即可制得。

聚丙烯腈溶液聚合、乳液聚合、悬浮聚合和本体聚合，通过湿法纺丝或者是干喷

湿纺法纺丝制得原丝。黏胶基碳纤维的制备工艺流程具体如图1-2所示。

图1-2生产黏胶基碳纤维的工艺流程示意

2碳纤维增强复合材料

2.1碳纤维增强复合材料的结构与性能

纤维增强基复合材料是由碳纤维织物增强碳或石墨化的树脂（包括沥青）碳

以及化学气相沉积碳所形成的复合材料，简称碳-碳复合材料。它以碳纤维或碳

纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。复合以后的这种材料在高温

下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高

强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。

碳复合材料的特性主