碳纤维复合材料的特性与应用现状
摘要：本文主要阐述了碳纤维复合材料的独特的力学，耐腐蚀性，界面结合强度，吸波性等优良性能，进一步总结了碳纤维复合材料的应用领域的研究,最后指出了碳纤维复合材料未来发展的趋势并对其发展与应用前景进行了展望。 关键词：碳纤维 复合材料 性能 应用
前言
碳纤维(Carbon fiber，简称CF)是含碳量高于90%的无机高分子纤维，是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构，也是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维。作为优异的增强体，高性能碳纤维的加入能大幅提高材料的强度、模量、阻尼、减振性能、低热膨胀导电导热性好系数等优异性能，碳纤维增强复合材料(CFRP)是目前最先进的复合材料之一，在风力发电[1]、航空航天[2,3]、汽车[4]、建筑[5-7]、计算机[8]、空间光学结构[9] 等领域有诸多的应用，逐渐成为现代高新技术领域最有应用前景的一种复合材料。
1碳纤维增强复合材料的特性
碳纤维增强复合材料(CFRP)由于与传统材料相比具有独特的力学性能，电阻特性，耐磨损性，界面结合强度，吸波性等优良性能，在国内引起了广大科研工作者的兴趣和喜好，并在近今年取得了很多成就。
1.1强度
金属材料在外载荷的作用下抵抗塑形变形和断裂的能力称为强度。根据受力种类的不同分为以下几种：(1)抗压强度--材料承受压力的能力；(2)抗拉强度--材料承受拉力的能力；(3)抗弯强度--材料对致弯外力的承受能力；(4)抗剪强度--材料承受剪切力的能力。本文将进行简单的阐述。 1.1.1抗拉强度
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由连续增强碳纤维和树脂基体组成的复合材料-碳纤维增强复合材料（CFRP）与传统加固材料相比，CFRP具有抗拉强度高、自重轻、施工方便等优点[10]。
罗小萍等[11]对炭纤维进行了表面化学镀镍处理，采用粉末冶金热挤压法将镀层炭纤维与镁基体复合，当炭纤维含量为4.0%的镁基预制体采用压制压力为420MPa，烧结温度为550℃，保温0.5h后，480℃用280 MPa的压力进行热挤压得到镀层炭纤维/镁基复合材料的抗拉强度达167MPa，同时硬度、屈服强度分别为120MPa，125MPa。 1.1.2弯曲强度
艾娇艳等[12]将碳纤维增强聚碳酸酯(PC)与玻璃纤维增强聚碳酸酯(PC)复合材料性能对比进行了研究，发现碳纤维增强PC在机械性能、电性能和加工性等方面有明显的提高。随着碳纤维含量的增加，拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量明显呈上升趋势。
龚伟平等[13]采用溶胶-凝胶法在炭纤维表面涂覆TiO2薄膜，通过球磨混合均匀、热压烧结制备炭纤维增强羟基磷灰石复合材料，用三点弯曲法测试复合材料的弯曲强度。结果表明，球磨时间影响羟基磷灰石中炭纤维的长度及其分布，球磨时间以2.5 h为宜。表面涂层TiO2的炭纤维增强羟基磷灰石的弯曲强度比未涂层的高，尤以用丙酮除胶、盐酸与水量比例为1.0:8进行TiO2涂层，得到的炭纤维增强羟基磷灰石的弯曲强度最高。在炭纤维表面均匀涂覆一层厚度合适TiO2薄膜有利于提高炭纤维增强羟基磷灰石复合材料的力学性能。 1.1.3抗压强度
项东虎等[14]采用直碳纤维和螺旋碳纤维增强 PTFE 复合材料，发现直纤维增强复合材料的硬度呈先增大后减小的趋势，螺旋碳纤维增强复合材料的硬度则缓慢提高，两种纤维均可使抗压强度提高，且螺旋碳纤维的效果更为明显。
1.2断裂韧性
高弹性模量的碳纤维对材料既能增强，又可显著增韧。碳纤维增强镁合金层合板具有比玻璃纤维增强铝合金层合板更高界面断裂韧性[15]；在水泥砂浆中掺入碳纤维可显著提高水泥砂浆的断裂韧度和断裂能，且随着碳纤维掺量的增加，断裂韧度和断裂能随之增大[6]，水泥基材料的密度和弹性模量降低、泊松比也随之增加[16]；采用碳纤维填充改善聚四氟乙烯( PTFE)，大大改善了纯 PTFE 的塑
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性性能[14]。
1.3耐磨性
项东虎等[14]选用螺旋碳纤维( CMCs) 和直碳纤维( SCF) 填充改善聚四氟乙烯( PTFE) 的综合性能。测试了纯 PTFE 及其复合材料的摩擦磨损、硬度、抗压强度等性能，并利用扫描电镜对磨损表面及残留在表面的磨屑和转移膜进行形貌观察。结果表明： 添加其中任何一种碳纤维都会不同程度地提高 PTFE 复合材料的摩擦因数，高载下的摩擦因数稍低于低载下的摩擦因数，另外，随着碳纤维含量的增加，其耐磨性能逐步提高，磨损率下降。
1.4灵敏性
1.4.1功能响应的机理
碳纤维水泥基复合材料能以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。
碳纤维水泥基复合材料界面性能对其功能响应特性的具体机理[17]为：（1）碳纤维在拔出力的作用下，试样界面力及电阻变化率随着拉伸位移的增加而逐渐增大，当界面力达到极值时，纤维与基体间的结合被破坏，电阻迅速上升。试验所表现出的这种电学特性可用隧道效应理论来描述。界面应力的作用使材料内部导电网络发生改变，引起隧道电流的变化，从而导致了电阻的变化。（3）在荷载作用下，碳纤维水泥基复合材料通过界面将载荷传递给碳纤维，碳纤维和基体之间界面应力的变化导致界面结构变化，材料内部的导电网络发生改变，其电导率变化能够反映材料在受载过程中的应力-应变并具有灵敏的响应，材料表现出机敏性。
连续碳纤维增强水泥基复合材料在弹性阶段，其电阻随拉力增大而可逆增大，随拉力减小而可逆减小[18]。 1.4.2电阻特性
碳纤维水泥基复合材料CFRC电阻率[19]随着碳纤维体积分数的提高而下降；碳纤维掺入量存在一个饱和点，超过此饱和点，碳纤维水泥基复合材料的电阻率变化趋于稳定；碳纤维水泥基复合材料电阻率随加载频率的增大而降低。不同成型压力制备的复合材料电阻率均随温度升高而呈先增大后减小的趋势[20]。较小成型压力制备的CFRC，其临界温度为75-100℃；较大成型压力制备的CFRC，
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碳纤维复合材料的特性与应用现状
