碳纖維強化聚合物

以碳纖維作增強材料的聚合物基複合材料是性能非常出色的新型工程材料。碳纖維/聚合物複合材料的性能同樣與聚合物的性能、含量、纖維排列方向以及相互問界面結合強度等因素有關，因碳纖維比玻璃纖維具有更優良的性能，因此這種複合材料不僅保留了玻璃纖維增強塑膠的許多優點，而且某些性能還遠遠超過了它。

基本介紹

• 中文名：碳纖維強化聚合物
• 外文名：Carbon fiber reinforced polymer
• 影響因素：聚合物的性能、含量等
• 特點：強度大，性能好

製備工藝

世界各國多採用聚丙烯腈纖維(PAN)製造碳纖維，其工藝過程如下：PAN纖維→氧化處理(空氣中，加張力，200～300℃)→碳化處理(N₂氣中或真空，1000～2000℃)→高強度碳纖維(碳纖維Ⅲ，W_c=75%～95%)→石墨化處理(N₂氣中或真空中，2000℃以上)→高模量碳纖維(碳纖維Ⅰ，W_c=98%～99%)。碳纖維的主要成分是碳，以具有一定取向度的層狀石墨條帶重疊而成，其密度P=1.7～2.09/cm，為鋼的1/4，拉伸強度為鋼絲的4倍，比強度為鋼的16倍，鋁的12倍。

性能特點

(1)彈性模量高。玻璃鋼的彈性模量較低，承受負荷時其應變數也相應較大，一般當應變數達到1%～2%時聚合物便發生脆裂，因此玻璃鋼零件設計時，其允許承載能力不超過極限應力的60%，而碳纖維/聚合物複合材料的彈性模量約為玻璃鋼的3～6倍，承載時應變數較小，因而設計時可允許在極限應力條件下使用。

(2)比強度和比模量高。碳纖維/聚合物複合材料的密度約為鋼的1/4，鋁合金的1/2，而強度和模量超過鋁合金並接近於高強度鋼，因此比強度和比模量是現有複合材料中最高的，特別是比模量要高出玻璃鋼好幾倍。

(3)耐衝擊性能好。碳纖維聚合物複合材料抗衝擊性能極好，是“柔中有剛”的好材料，試驗表明，用手槍在十步遠的距離擊穿不了1cm厚的碳纖維增強塑膠。

(4)高潮濕或高溫條件下強度損失少。玻璃鋼在潮濕環境下使用時，強度損失15%，甚至更多，而碳纖維增強塑膠兒乎不受影響。在高溫老化試驗中，碳纖維增強塑膠的強度損失也比玻璃鋼少，此外，它的摩擦係數小，耐腐蝕、抗疲勞、耐瞬時高溫性也比玻璃鋼好。但其製品也存在各向異性、層間剪下強度低的特點，使其套用受到一定限制。

納米碳纖維

納米碳纖維是一種一維碳納米材料，結構上和納米碳管相似，直徑一般在100 nm左右，長度是幾十至幾百微米。CNF是一種介於石墨碳和球型碳之間的材料，可看做是由具有納米尺寸的石墨層在空間上按不同方式堆積而成的。CNF的熱導率比CNT要低，但仍可以達到2000 W/(m·K)左右，這是傳統金屬材料所無法比擬的，且CNF具有與CNT相當的力學性能，較低的生產成本和較成熟的製備技術。因此，CNF在改善聚合物的導熱性能上具有一定的優勢。科技工作者研究了CNF/EP複合材料導熱性能，CNF用量為56vol%時首次製得了密度1.48 g/cm，熱導率達695W/(m·K)的低CTE樹脂基複合材料。

套用

碳纖維增強複合材料在宇航、航空和航海等領域有作為結構材料的趨勢，以取代或部分取代某些金屬材料或其它非金屬材料來製造要求比強度高和比模量高的零部件。研究表明，如果能使航天飛行器的質量減輕1kg，則可使運載火箭減輕500kg。據統計，碳纖維增強複合材料在飛機上的套用，可使飛機質量減少25%～50%，例如用碳纖維/環氧複合材料作直升飛機的槳葉其壽命比金屬槳葉長3倍，美國最先進的大黃蜂式戰鬥機的機架裝配零件有1/8是碳纖維增強複合材料，軌道飛行器一號系統的飛船、發動機艙、隔離裝置接合器、級間接合器等都是使用碳纖維環氧複合材料。

在機械工業中，碳纖維增強塑膠可用於製造磨床磨頭、齒輪等以提高精度和運轉速度，減少電能消耗。在動力機械、礦山機械和農業機械上，用於製造要求摩擦係數低、耐磨性能好，具有自潤滑性能的軸承、齒輪、活塞、連桿以及密封圈、襯墊板等。在化學工業上，則利用其耐腐蝕性製造各類罐、泵、閥及各種形式的管道等…總之，碳纖維增強塑膠在國民經濟各個部門特別是尖端工業部門的套用越來越廣泛。