碳纖維增強復合材料性能研究★

周 菁

（安徽三聯學院 機械工程學院， 安徽 合肥 230601）

1 研究背景

碳纖維是一種含碳量在90%以上的高強度高模量纖維，具有比強度高、比模量高、耐熱、耐磨損、質量輕、耐化學腐蝕等特點，因而成為近些年來復合材料當中重要的增強材料之一。其復合材料常被用于土木建筑、體育器材、航空航天和軍工領域等。近年來，也成為了增強材料中研究的熱點，包括碳纖維表面處理、碳纖維增強復合材料，碳纖維布表面處理及其復合織物的研究等。沒有經過處理的碳纖維表面呈現疏水性，存在活性比表面積小、表面邊緣活性碳原子數目少和表面能低等缺點，與樹脂基體之間的粘結性能較差，因此需要對碳纖維進行表面改性，如圖1 所示。

2 碳纖維增強復合材料

碳纖維作為復合材料有其優點，也有其不足。首先，碳纖維表面官能團較少，化學性質不活潑且表面平滑，導致其與樹脂難以實現良好浸潤，復合材料界面性能下降，碳纖維與樹脂基體之間的界面結合力較弱，受外力作用時復合材料界面易先被破壞，無法有效地將載荷傳遞到碳纖維，從而限制了碳纖維復合材料的綜合性能。復合材料的界面層容易在外力作用下產生微裂紋，引發應力集中并最終破裂。即使通過其他方法增強了界面層，仍無法避免微裂紋的產生。而界面破裂后不僅難以發現，且無法自行復原，因此界面破壞后材料性能將明顯降低，同時大大影響復合材料的使用壽命。此外，碳纖維直徑較細，存在比表面積小、活性比表面積小、碳原子數目少和表面能低等缺點，導致其表面疏水，與基體之間的接觸角大，進而影響碳纖維與復合材料之間的粘結性[1-2]。

陳紀強[3]通過碳纖維表面改性工藝、利用化學氣相沉積生長碳納米管／碳納米纖維，結果表明其復合材料増加了碳纖維表面粗糙度以及纖維與樹脂之間的結合面積，顯著改善了界面結合效果。何焯健以化學改性為主要方法增強了碳纖維與樹脂基體的界面強度，并引入界面修復，從而提升了該復合材料的界面性能。鄢飛構建碳納米管/銅/碳纖維多尺度結構，將銅粒子與碳納米管同時沉積到碳纖維表面，起到增強界面強度的作用，通過SEM 結果表明銅和碳納米管均勻地修飾到了碳纖維表面，并實現同步沉積。郭婷婷[4]采用電聚合方法改性碳纖維，結果表明電聚合改性后的碳纖維與環氧樹脂基體之間粘結性能提升。李艷[5]采用陽極氧化法和熱壓成型法制備碳纖維金屬層板，指出碳纖維（CF）預浸漬工藝能增強CF 與基體的界面結合，從而使得Al/CF/PA6 復合層板的力學性能有所提高，其中彎曲強度和沖擊強度都得到了提高。

碳纖維本身具有可編織性，因此有學者通過碳纖維織物來增強復合材料，另外編織物上可以附著其他物質，因此通過加入其他物質可增強編織物的相關機械性能。碳纖維布復合材料包括碳布、樹脂粘結劑以及填料，可以得到具有良好耐磨損性能的復合材料[6]。K.Kumaresan[7]研究了SiC 填料對碳布復合材料摩擦磨損性能的影響，發現SiC 的加入能夠提高復合材料的表面硬度。Feng-hua Su[8]等人研究了不同納米顆粒的加入對材料性能的影響，發現納米CaCO3、納米TiO2以及納米SiO2的加入都能夠提高碳纖維織物的力學性能和耐磨性能。其中，納米CaCO3對提高材料的耐磨性最有效。

潘廣鎮研究了碳纖維布復合材料的摩擦性能，概括了國內外碳纖維布復合材料的組成、制備工藝和摩擦磨損機理方面的研究現狀，并指出碳布表面處理方法和納米顆粒改性相關研究工作使碳布復合材料的物理機械性能和摩擦磨損性能不斷提高。

3 碳纖維復合材料的應用

碳纖維因其材料的優越性，因此其復合材料常被用于土木建筑、體育器材、航空及軍工等。碳纖維是衛星、火箭、艦船及導彈等相關武器裝備必不可少的材料，其在戰略導彈的應用上，可極大得減輕重量，提高導彈射程。另外，碳纖維在艦艇上也因其可減輕重量，并且碳纖維不會產生腐蝕等緣故。正因為碳纖維可大幅度地降低結構重量，因此可顯著提高燃料效率。采用碳纖維為基礎材料制成的火箭、飛機、衛星等裝置，因其質量小而動力消耗少，可節約不少燃料，并且噪音還小。

沈真[9]探討了碳纖維復合材料在飛機結構中的應用，指出碳纖維復合材料廣泛應用于在空客A380、A350 和波音787 飛機中。張新元[10]介紹了碳纖維復合材料在火箭、導彈和高速飛行器等航空航天領域。由于碳纖維碳纖維管制作的桁梁構架比鋼材輕，因此也常用于土木建筑中，也可以用于補強混凝土結構時。玻璃纖維和碳纖維混雜復合材料結構可以提高風力發電機葉片的捕風能力,質量輕、強度高、成為目前大型風力發電機葉片的首選材料。此外，利用碳纖維不僅可提高葉片的承載能力,還可因碳纖維具有導電性而有效避免雷擊對葉片造成的損傷，因此廣泛應用于翼緣等對材料強度和剛度要求較高的部分。此外，碳纖維還經常用于體育器材的應用上，例如高爾夫球桿、弓箭、自行車等。

4 結語

碳纖維作為增強材料，具有良好的性能，而被廣泛應用。碳纖維的廣泛應用在我們的生活當中也是隨處可見的，足以證明其材料本身的優異。但其實碳纖維本身還是存在一些不足的，重要的是通過一些方法對碳纖維進行處理，進而發揮出它的優勢乃是需要探討的。通過對碳纖維的研究，會更加地了解這種材料的特性，從而更好地利用這種材料。通過對碳纖維性能的探討，對我們利用其他的碳材料，例如碳納米管纖維等，也提供了新的研究思路。