碳纖維導摩擦磨損性能及導熱性能的研究

畢滿琪

摘要：文章敘述了碳纖維作為環氧樹脂基增強體的摩擦磨損和導熱性能的研究。

關鍵詞：復合材料；碳纖維；導熱性能；增強體

隨著復合材料的廣泛應用，其導熱性能也受到越來越多的人們的重視。復合材料的導熱性能的效果直接決定了復合材料的應用領域。例如，在太空中使用復合材料制件時，必須考慮復合材料的導熱性能，有些制件需要其具有較好的導熱性能，以便于及時將產生的熱量排出制件，延長制件的使用壽命；而有些制件則需要復合材料具有較低的導熱系數。這是由于當外界的溫度遠遠大于制件內部的溫度時，為了保證制件內部的正常應用，必須保證制件內部不受到或少受到外界溫度的干擾。因此，復合材料的導熱性能是擴展復合材料應用領域必須解決的問題。

由此導致在20實際60年代發展了高強度、高模、低密度的碳纖維，來滿足航空航天工業受力結構的應用需求。碳（石墨）纖維是由碳元素組成的一種高性能增強纖維。其最高強度已達7000MPa，最高彈性模量達900GPa，而其密度約為1.8～2.1g/ cm3，并具有低熱膨脹、高導熱、耐磨、耐高溫等優異性能，是一種很有發展前景的高性能纖維。

碳纖維是以碳、石墨纖維的總稱。碳纖維有許多品種，有不同的分類方法，一般可以根據原絲的類型、碳纖維的性能和用途進行分類。碳纖維按石墨化程度可分為碳纖維和石墨纖維，一般將小于1500℃碳化處理成的稱為碳纖維，將碳化處理后再經高溫石墨化處理（2500℃）的碳纖維稱為石墨纖維。碳纖維強度高，而石墨纖維模量高；以制取碳纖維的原絲類型分則可以分為聚丙烯腈基碳纖維、黏膠基碳纖維、瀝青基碳纖維和木質素纖維基碳纖維。按其力學性能分可以分為：高強度碳纖維、高模量碳纖維和中模量碳纖維。其中后者有耐火纖維、碳質纖維和石墨纖維等

碳纖維由于具有石墨微晶的自潤滑特性及較高的模量，加入熱固性聚合物后能使摩擦系數與磨損率降低。朱波[2]等研究了影響碳纖維增強樹脂基復合材料摩擦系數的因素，他發現在復合材料中加入碳纖維后可顯著降低復合材料的摩擦系數，隨碳纖維加入方式的不同，碳纖維對摩擦系數的影響作用也不同。王玉果等人研究了三維編織碳纖維增強環氧樹脂復合材料的摩擦學行為，他發現隨著纖維體積含量的增加， 復合材料的摩擦系數先下降后上升；而當纖維體積含量達到35%時，復合材料具有最小的磨損率；將纖維表面進行處理后，復合材料的磨損率進一步降低， 耐磨性提高并且在水潤滑條件下復合材料的摩擦磨損性能遠優于干摩擦條件下的摩擦磨損性能；此外，干摩擦條件下的復合材料的磨損機制主要為粘著磨損， 而水潤滑條件下則以磨粒磨損為主

[3]。Su[4]通過實驗發現，在環境溫

度為0～75℃時，碳纖維增強環氧樹脂基復合材料的摩擦系數隨溫度的升高而降低，但是，當外界環境溫度高于75℃時，復合材料的摩擦系數隨環境溫度的升高而增大。而復合材料的磨損率則在任何溫度下，均隨溫度的升高而增大。同時，他還發現在碳纖維增強復合材料中加入納米Al2O3與Si3N4顆粒時，在摩擦過程中有助于在摩擦副的表面形成一層轉移膜，這層膜的出現有助于降低復合材料的摩擦系數與磨損率。

隨著從短纖碳纖維到長纖碳纖維的學術研究，使用碳纖維制作發熱材料的技術和產品也逐漸普及。在當今世界高速工業化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化。中國已經有使用長纖作為高性能纖維的一種，在要求高溫，物理穩定性高的場合，碳纖維復合材料具備不可替代的優勢。材料的比強度愈高，則構件自重愈小，比模量愈高，則構件的剛度愈大，正是由于兼具優異性能，碳纖維在國防和民用領域均有廣泛的應用前景。

碳纖維在傳統使用中除用作絕熱保溫材料外。 多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構成復合材料。碳纖維已成為先進復合材料最重要的增強材料。由于碳纖維復合材料具有輕而強、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結構尺寸穩定性好以及設計性好、可大面積整體成型等特點，已在航空航天、國防軍工和民用工業的各個領域得到廣泛應用。碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。

高性能碳纖維作為制造先進復合材料最重要的增強材料，隨著高新技術的發展而日益深入，其結構和性能的可設計性不斷推動著新材料的問世和性能的改善，其應用領域也是將越來越廣泛。

參考文獻

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