碳纤维导摩擦磨损性能及导热性能的研究

毕满琪

摘要：文章叙述了碳纤维作为环氧树脂基增强体的摩擦磨损和导热性能的研究。

关键词：复合材料；碳纤维；导热性能；增强体

随着复合材料的广泛应用，其导热性能也受到越来越多的人们的重视。复合材料的导热性能的效果直接决定了复合材料的应用领域。例如，在太空中使用复合材料制件时，必须考虑复合材料的导热性能，有些制件需要其具有较好的导热性能，以便于及时将产生的热量排出制件，延长制件的使用寿命；而有些制件则需要复合材料具有较低的导热系数。这是由于当外界的温度远远大于制件内部的温度时，为了保证制件内部的正常应用，必须保证制件内部不受到或少受到外界温度的干扰。因此，复合材料的导热性能是扩展复合材料应用领域必须解决的问题。

由此导致在20实际60年代发展了高强度、高模、低密度的碳纤维，来满足航空航天工业受力结构的应用需求。碳（石墨）纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。其最高强度已达7000MPa，最高弹性模量达900GPa，而其密度约为1.8～2.1g/ cm3，并具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温等优异性能，是一种很有发展前景的高性能纤维。

碳纤维是以碳、石墨纤维的总称。碳纤维有许多品种，有不同的分类方法，一般可以根据原丝的类型、碳纤维的性能和用途进行分类。碳纤维按石墨化程度可分为碳纤维和石墨纤维，一般将小于1500℃碳化处理成的称为碳纤维，将碳化处理后再经高温石墨化处理（2500℃）的碳纤维称为石墨纤维。碳纤维强度高，而石墨纤维模量高；以制取碳纤维的原丝类型分则可以分为聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维、沥青基碳纤维和木质素纤维基碳纤维。按其力学性能分可以分为：高强度碳纤维、高模量碳纤维和中模量碳纤维。其中后者有耐火纤维、碳质纤维和石墨纤维等

碳纤维由于具有石墨微晶的自润滑特性及较高的模量，加入热固性聚合物后能使摩擦系数与磨损率降低。朱波[2]等研究了影响碳纤维增强树脂基复合材料摩擦系数的因素，他发现在复合材料中加入碳纤维后可显著降低复合材料的摩擦系数，随碳纤维加入方式的不同，碳纤维对摩擦系数的影响作用也不同。王玉果等人研究了三维编织碳纤维增强环氧树脂复合材料的摩擦学行为，他发现随着纤维体积含量的增加， 复合材料的摩擦系数先下降后上升；而当纤维体积含量达到35%时，复合材料具有最小的磨损率；将纤维表面进行处理后，复合材料的磨损率进一步降低， 耐磨性提高并且在水润滑条件下复合材料的摩擦磨损性能远优于干摩擦条件下的摩擦磨损性能；此外，干摩擦条件下的复合材料的磨损机制主要为粘着磨损， 而水润滑条件下则以磨粒磨损为主

[3]。Su[4]通过实验发现，在环境温

度为0～75℃时，碳纤维增强环氧树脂基复合材料的摩擦系数随温度的升高而降低，但是，当外界环境温度高于75℃时，复合材料的摩擦系数随环境温度的升高而增大。而复合材料的磨损率则在任何温度下，均随温度的升高而增大。同时，他还发现在碳纤维增强复合材料中加入纳米Al2O3与Si3N4颗粒时，在摩擦过程中有助于在摩擦副的表面形成一层转移膜，这层膜的出现有助于降低复合材料的摩擦系数与磨损率。

随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐普及。在当今世界高速工业化的大背景下，碳纤维用途正趋向多样化。中国已经有使用长纤作为高性能纤维的一种，在要求高温，物理稳定性高的场合，碳纤维复合材料具备不可替代的优势。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，正是由于兼具优异性能，碳纤维在国防和民用领域均有广泛的应用前景。

碳纤维在传统使用中除用作绝热保温材料外。 多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维已成为先进复合材料最重要的增强材料。由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面积整体成型等特点，已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。

高性能碳纤维作为制造先进复合材料最重要的增强材料，随着高新技术的发展而日益深入，其结构和性能的可设计性不断推动着新材料的问世和性能的改善，其应用领域也是将越来越广泛。

参考文献

[1] 周曦亚. 复合材料[M]. 北京：化学工业出版社，2009.

[2] 朱波，王成国. 影响碳纤维增强复合材料摩擦系数的因素[J]. 材料科学与工程， 2002；20（3）：361-363.

[3] 王玉果，王玉林. 三维编织碳/环氧复合材料的摩擦学特性[J]. 天津大学学报， 2005；38（9）：759-762.

[4] Feng-Hua Su， Zhao-Zhu Zhang， Kun Wang， Wei Jiang，Xue-Hu Men， Wei-MinLiu. Friction and wear properties of carbon fabric composites filledwith nano-Al2O3 and nano-Si3N4[J]. Composites Part A， 2006；37：1351-1357.

[5] 刘家浚. 材料磨损原理及其耐磨性[M]. 北京. 清华大学出版社，1993；285.

[6] 胡保全，牛晋川. 先进复合材料[M]. 北京：国防工业出版社，2006.