碳纤维增强复合材料性能研究★

周 菁

（安徽三联学院 机械工程学院， 安徽 合肥 230601）

1 研究背景

碳纤维是一种含碳量在90%以上的高强度高模量纤维，具有比强度高、比模量高、耐热、耐磨损、质量轻、耐化学腐蚀等特点，因而成为近些年来复合材料当中重要的增强材料之一。其复合材料常被用于土木建筑、体育器材、航空航天和军工领域等。近年来，也成为了增强材料中研究的热点，包括碳纤维表面处理、碳纤维增强复合材料，碳纤维布表面处理及其复合织物的研究等。没有经过处理的碳纤维表面呈现疏水性，存在活性比表面积小、表面边缘活性碳原子数目少和表面能低等缺点，与树脂基体之间的粘结性能较差，因此需要对碳纤维进行表面改性，如图1 所示。

2 碳纤维增强复合材料

碳纤维作为复合材料有其优点，也有其不足。首先，碳纤维表面官能团较少，化学性质不活泼且表面平滑，导致其与树脂难以实现良好浸润，复合材料界面性能下降，碳纤维与树脂基体之间的界面结合力较弱，受外力作用时复合材料界面易先被破坏，无法有效地将载荷传递到碳纤维，从而限制了碳纤维复合材料的综合性能。复合材料的界面层容易在外力作用下产生微裂纹，引发应力集中并最终破裂。即使通过其他方法增强了界面层，仍无法避免微裂纹的产生。而界面破裂后不仅难以发现，且无法自行复原，因此界面破坏后材料性能将明显降低，同时大大影响复合材料的使用寿命。此外，碳纤维直径较细，存在比表面积小、活性比表面积小、碳原子数目少和表面能低等缺点，导致其表面疏水，与基体之间的接触角大，进而影响碳纤维与复合材料之间的粘结性[1-2]。

陈纪强[3]通过碳纤维表面改性工艺、利用化学气相沉积生长碳纳米管／碳纳米纤维，结果表明其复合材料増加了碳纤维表面粗糙度以及纤维与树脂之间的结合面积，显著改善了界面结合效果。何焯健以化学改性为主要方法增强了碳纤维与树脂基体的界面强度，并引入界面修复，从而提升了该复合材料的界面性能。鄢飞构建碳纳米管/铜/碳纤维多尺度结构，将铜粒子与碳纳米管同时沉积到碳纤维表面，起到增强界面强度的作用，通过SEM 结果表明铜和碳纳米管均匀地修饰到了碳纤维表面，并实现同步沉积。郭婷婷[4]采用电聚合方法改性碳纤维，结果表明电聚合改性后的碳纤维与环氧树脂基体之间粘结性能提升。李艳[5]采用阳极氧化法和热压成型法制备碳纤维金属层板，指出碳纤维（CF）预浸渍工艺能增强CF 与基体的界面结合，从而使得Al/CF/PA6 复合层板的力学性能有所提高，其中弯曲强度和冲击强度都得到了提高。

碳纤维本身具有可编织性，因此有学者通过碳纤维织物来增强复合材料，另外编织物上可以附着其他物质，因此通过加入其他物质可增强编织物的相关机械性能。碳纤维布复合材料包括碳布、树脂粘结剂以及填料，可以得到具有良好耐磨损性能的复合材料[6]。K.Kumaresan[7]研究了SiC 填料对碳布复合材料摩擦磨损性能的影响，发现SiC 的加入能够提高复合材料的表面硬度。Feng-hua Su[8]等人研究了不同纳米颗粒的加入对材料性能的影响，发现纳米CaCO3、纳米TiO2以及纳米SiO2的加入都能够提高碳纤维织物的力学性能和耐磨性能。其中，纳米CaCO3对提高材料的耐磨性最有效。

潘广镇研究了碳纤维布复合材料的摩擦性能，概括了国内外碳纤维布复合材料的组成、制备工艺和摩擦磨损机理方面的研究现状，并指出碳布表面处理方法和纳米颗粒改性相关研究工作使碳布复合材料的物理机械性能和摩擦磨损性能不断提高。

3 碳纤维复合材料的应用

碳纤维因其材料的优越性，因此其复合材料常被用于土木建筑、体育器材、航空及军工等。碳纤维是卫星、火箭、舰船及导弹等相关武器装备必不可少的材料，其在战略导弹的应用上，可极大得减轻重量，提高导弹射程。另外，碳纤维在舰艇上也因其可减轻重量，并且碳纤维不会产生腐蚀等缘故。正因为碳纤维可大幅度地降低结构重量，因此可显著提高燃料效率。采用碳纤维为基础材料制成的火箭、飞机、卫星等装置，因其质量小而动力消耗少，可节约不少燃料，并且噪音还小。

沈真[9]探讨了碳纤维复合材料在飞机结构中的应用，指出碳纤维复合材料广泛应用于在空客A380、A350 和波音787 飞机中。张新元[10]介绍了碳纤维复合材料在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天领域。由于碳纤维碳纤维管制作的桁梁构架比钢材轻，因此也常用于土木建筑中，也可以用于补强混凝土结构时。玻璃纤维和碳纤维混杂复合材料结构可以提高风力发电机叶片的捕风能力,质量轻、强度高、成为目前大型风力发电机叶片的首选材料。此外，利用碳纤维不仅可提高叶片的承载能力,还可因碳纤维具有导电性而有效避免雷击对叶片造成的损伤，因此广泛应用于翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部分。此外，碳纤维还经常用于体育器材的应用上，例如高尔夫球杆、弓箭、自行车等。

4 结语

碳纤维作为增强材料，具有良好的性能，而被广泛应用。碳纤维的广泛应用在我们的生活当中也是随处可见的，足以证明其材料本身的优异。但其实碳纤维本身还是存在一些不足的，重要的是通过一些方法对碳纤维进行处理，进而发挥出它的优势乃是需要探讨的。通过对碳纤维的研究，会更加地了解这种材料的特性，从而更好地利用这种材料。通过对碳纤维性能的探讨，对我们利用其他的碳材料，例如碳纳米管纤维等，也提供了新的研究思路。