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碳纤维增强复合材料的发展及应用
前言
碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。它比重不到钢的1/4，但强度却非常强。而且其耐蚀性出类拔萃，是新一代增强纤维。碳纤维广泛用于民用、军用、建筑、航天以及超级跑车领域。由于碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。
据《中国碳纤维行业深度调研与投资战略规划分析报告》数据显示我国是碳纤维需求大国，预计未来几年，随着供应量的提升以及宏观经济的整体向好，我国碳纤维行业的需求量也将保持着较快速度的增长。
碳纤维的特性、结构及分类
碳纤维是纤维状的碳材料，由有机纤维原丝在1000℃以上的高温下碳化形成，且含碳量在90%以上的高性能纤维材料。碳纤维主要具备一下特性：
1) 密度小、质量轻、碳纤维的密度维1.5-2g/cm3，相当钢密度1/4、
铝合金密度的1/2；
2) 强度、弹性模量高，其强度比钢大4-5倍，弹性回复为100%；
3) 热膨胀系数小，导热率随温度的升高而下降，耐骤冷、急热、即
使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂； 4) 摩擦系数小，并具有一定的润滑性；
5) 导电性好，25℃时高模量碳纤维的比电阻为775Ω·cm，高强度
碳纤维则为1500Ω·cm；当碳纤维＜10%时，电阻随碳纤维含量的增加急剧下降；当碳纤维＞10%时，体积电阻的变化趋于平缓，电阻值的下降与碳纤维含量的增加并不成正比；（王钧、杨小利、刘东等 碳纤维增强复合材料电阻率-温度特性研究【J】.武汉理工大学学报，2001.23（12））
6) 耐高温和低温性好，在3000℃非氧化气氛下不熔化、不软化，在
液氮温度下依旧很柔软，也不脆化；
7) 耐酸性好，对酸成惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。除此
之外，碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。
由于原料及制法不同，碳纤维可以从以下两个方面进行分类： 1) 根据碳纤维的力学性能可分为高模量、超高模量、高强度和超高
强度4种
2) 根据原丝的类型可分为聚丙烯腈基碳纤维、纤维素基碳纤维、沥
青基碳纤维、酚醛基碳纤维等。
碳纤维增强复合材料
尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能，然而，它属于脆性材料，只能将它与基体材料牢固地结合在一起时，才能利用其优异的力学性能，
使之更好地承载负荷。因此，碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。根据使用目的的不同可选用各种基体材料和增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷，目前使用的最多、最广泛的是树脂基复合材料。（姜作义。张和善.纤维-树脂复合材料技术与应用【M】.北京；中国标准出版社，1990.30） 碳纤维增强树脂基复合材料
树脂基复合材料具有比强度高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能好以及便于大面积整体成型和具有特殊的电磁性能等独特优点。酚醛树脂虽然是最老的一类热固性树脂，但由于他的原料易得，合成方便，以及酚醛树脂具有良好的机械强度和耐热性能，尤其是具有突出的瞬间耐高温烧蚀性能，（贺福.碳纤维及其应用技术[M].北京：化学工业出版社，2004）而且树脂本身又具有广泛性的余地，素以目前酚醛树脂仍广泛用于制造玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料等复合材料（贺福、王茂章 碳纤维及复合材料【M】.北京；科学出版社，1995）
碳纤维增强金属基复合材料
金属基复合材料与陶瓷相比，具有高的韧性和耐冲击性能，金属基多采用Al、Mg、Ni、Ti及它们的合金等其中碳纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟。目前，在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等，但因其过程复杂、成本高，限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用。
金属基复合材料航空航天研究开始初期，有机复合材料和金属基复合
材料都应经通过特定的高刚度和接近为零的热膨胀系数开发为空间应用。金属基复合材料具有耐高温、高导热能力、低的热膨胀系数和特定的高刚度和强度。（Jerry G. Baetz, “Metal Matrix Composites: Their Time Has Come,” Aerospace America (November 1998), pp.14-16.）
碳纤维增强陶瓷基复合材料
陶瓷具有优异的耐腐蚀性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性，广泛应用于工业和民用产品。它的弱点是对裂纹、气孔和夹杂物等细微缺陷很敏感。而碳纤维增强陶瓷基复合材料（CMC-Cf）在克服陶瓷材料脆性的同时，发挥了其比强度高、耐高温性能优异等优点，同时碳纤维作为增强相，实现了复合材料的轻量化并具有优良的力学性能、抗磨损性能和热传导性能，成为高温结构材料的研究热点。目前，CMC-Cf的基体主要有碳、碳化硅、微晶玻璃以及多元多层复合材料等。然而CMC-Cf在温度高于400℃时，一旦与氧化介质接触，碳纤维将被氧化，性能迅速下降，影响材料的整体性能和使用寿命。（TRABANDT U.ESSER B.KOCH D Ceramic matrix composites life cycle testing under reusable launcher environmental conditions 2005(02) 张玉娣.周新贵.张长瑞Cf/SiC陶瓷基复合材料的发展与应用现状[期刊论文]-材料工程 2005(04)） 碳/碳复合材料
碳/碳复合材料具有低密度、高强度、高比模、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气、尺寸稳定、抗氧化性能好；