碳纤维材料性能

碳纤维材料性能（精选8篇）

碳纤维材料性能 第1篇

碳纤维材料的性能及应用

摘要：介绍了碳纤维及其增强复合材料，详细介绍了碳纤维复合材料的分类和特性,着重阐述了碳纤维及其复合材料在高新技术领域和能源、体育器材等民用领域的应用，并对未来碳纤维复合材料的发展趋势进行了分析。

关键词：碳纤维性能应用 0引言

碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料，不仅在国防战略武器建设中具有不可替代性，在绿色能源建设、节约能源技术发展和促进能源多样化过程中也将发挥极其重要的作用。若将先进碳纤维复合材料在国防领域的应用水平和规模视作国家安全的重要保证，则碳纤维复合材料在交通运输、风力发电、石油开采、电力输送等领域的应用将与有效减少温室气体排放、解决全球气候变暖等环境问题密切相关。随着对碳纤维复合材料认识的不断深化，以及制造技术水平的不断提升，碳纤维复合材料在相关领域的应用研究与装备不断取得进展，借鉴国际先进的碳纤维复合材料应用经验，牵引高性能碳纤维及其复合材料的国产化步伐，对于改变经济结构、节能减排具有重要的战略意义。

1碳纤维材料

1.1何为碳纤维材料

碳纤维是一种含碳量在9 2% 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不仅是21 世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。碳纤维分为聚丙烯睛基、沥青基和粘胶基3种, 其中90 % 为聚丙烯睛基碳纤维。聚丙烯睛基碳纤维的生产过程主要包括原丝生产和原丝碳化两部分。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料, 广泛应用于航空航天领域体育休闲领域以及汽车制造、新型建材、信息产业等工业领域。1.2碳纤维的特点

碳纤维是纤维状的碳材料, 由有机纤维原丝在1 000 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。碳纤维主要具备以下特性:

(1)密度小、质量轻, 碳纤维的密度为1.5~ 2 g /cm3, 相当于钢密度的1 /

4、铝合金密度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, 并具有润滑性;

(5)导电性好, 25 时高模量碳纤维的比电阻为775 cm, 高强度碳纤维则为1 500 cm;(6)耐高温和低温性好, 在3 000 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, 对酸呈惰性, 能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。除此之外, 碳纤维还具有耐油、抗辐射的特性

2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, 只有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。根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷, 而目前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料。2.1碳纤维增强陶瓷基复合材料

陶瓷具有优异的耐蚀性、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的缺陷很敏感。用碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性, 改变陶瓷的脆性断裂形态, 同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料, 因其具有优良的高温力学性能, 在高温下服役不需要额外的隔热措施,因而在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域具有广泛应用。2.2碳/碳复合材料

碳/碳复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称, 也是一种高级复合材料。它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成。碳/碳复合材料主要由各类碳组成, 即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种完全由人工设计、制造出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能, 除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外, 还具有较高的断裂韧性和假塑性。特别是在高温环境中, 强度高、不熔不燃, 仅是均匀烧蚀。这是任何金属材料无法与其比拟的。因此广泛应用于导弹弹头, 固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等高科技领域。2.3碳纤维增强金属基复合材料

碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维, 金属为基体的复合材料。碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比, 具有高的比强度和比模量;与陶瓷相比, 具有高的韧性和耐冲击性能, 金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等, 其中, 碳纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟。制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层, 以防止在复合过程中损伤碳纤维,从而使复合材料的整体性能下降。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 2.4碳纤维增强树脂复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是目前最先进的复合材料之一。它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料, 是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。碳纤维增强树脂复合材料所用的基体树脂主要分为两大类, 一类是热固性树脂, 另一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预集体或带有活性基团高分子量聚合物组成;成型过程中, 在固化剂或热作用下进行交联、缩聚, 形成不熔不溶的交联体型结构。在复合材料中常采用的有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成, 在一定条件下溶解熔融, 只发生物理变化。常用的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。在碳纤维增强树 脂基复合材料中, 碳纤维起到增强作用, 而树脂基体则使复合材料成型为承载外力的整体, 并通过界面传递载荷于碳纤维, 因此它对碳纤维复合材料的技 术性能、成型工艺以及产品价格等都有直接的影响。碳纤维的复合方式也会对复合材料的性能产生影响。在制备复合材料时, 碳纤维大致可分为两种类型: 连续纤维和短纤维。连续纤维增强的复合材料通常具有更好的机械性能, 但由于其制造成本较高,并不适应于大规模的生产。短纤维复合材料可采用与树脂基体相同的加工工艺, 如模压成型、注射成型以及挤出成型等。当采用适合的成型工艺时, 短纤维复合材料甚至可以具备与连续纤维复合材料相媲美的机械性能并且适宜于大规模的生产, 因此短纤维复合材料近年来得到了广泛的应用。

李军《碳纤维及其复合材料的研究应用进展》辽宁化工2010年9月第39卷第9期

3碳纤维及其复合材料的应用

3.1高新技术领域

碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在航空领越特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70％~80％，在军用飞机上占30％~40％，在大型客机上占15％~50％。AV—8B 改型“鹞”式飞机是美国军用飞机中使用复合材料最多的机种，其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部件，全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的26％，使整机减重9％，有效载荷比AV—8A飞机增加了一倍。数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22 为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。在法国电信一号通信卫星本体结构中，带有4 条环形加强筋的中心承力筒是由CFRP 制成的，它通过螺接连接在由CFRP 制成的仪器平台上。卫星的蒙皮是由T300 CFRP 制成。由于CFRP 的比模量高，在日本JERS-1 地球资源卫星壳体内部的500 mm 的推力筒、仪器支架、8 根支撑杆和分隔环都使用了M40JB CFRP，此外，卫星的外壳、一些仪器的安装板均采用了碳纤维/环氧蜂窝夹层结构。美国空军实验室1997 年在国家导弹防御系统试验项目(BMDO CEP)支持下，成功设计并制造了以CFRP 为加强筋的AGS 整流罩，重量仅37 kg，同类型铝合金防护罩重97 kg，运用纤维缠绕技术实现了自动化生产，工艺周期缩短88%，比同类型蜂窝夹层结构制造复合材料整流罩减重40%，成本降低20%

图3 CEP 火箭有效载荷整流罩 Fig． 3 Payload fairing of CEP launch rocket 3.2民用领域

3.2.1碳纤维复合材料在体育器材上的应用

像撑竿、高尔夫球杆、网球拍、自行车、滑雪板、皮划艇等靠人力来使其运动的体育器材，人们希望其质量越轻越好;即使是靠人力以外的其他动力来使其运动的器材，如赛车、帆船、摩托艇等，在相同的条件下也以质轻为好。碳纤维复合材料在此方面具有不可比拟的优势，其密度为1． 76 ～1． 80 g /cm3，所制复合材料密度为1． 50 ～1． 60 g /cm3，而钢材约为7． 87 g /cm3、铝材2． 7 g /cm3、钛材4． 5 g /cm3。显然，CFRP 要比金属材料轻得多。3.2.1碳纤维在新能源领域的应用

叶片是风力发电装备的关键部件，它的质量（W）随叶片长度（L）的三次方增加（W=A L3）。当风机叶片质量增长到一定程度时，叶片质量的增加幅度大于风机能量输出的增加，那么叶片长度的增加则存在一个极值。风力发电机叶片的长度尺寸、刚性以及质量代表着风电机组的发电水平，常规的玻璃纤维增强材料制备叶片已难以满足叶片尺寸加大对刚性与质量的综合要。碳纤维复合材料优异的抗疲劳特性和良好的导电特性，可有效减弱恶劣环境对叶片材料的损害，避 免雷击对叶片造成的损伤求，在全球风机装机容量快速增长的今天，提高碳 纤维复合材料用量的长叶片大容量风机将成为主要趋势。3.2.3碳纤维在工业领域的应用

铁道部规划在3 ～ 5 年内，时速为160km / h 的车辆将达到50% 以上，约1 万5千辆，每辆车需刹车片32 片，共需约48 万片。车辆提速之前，铁路客车和货车的最高设计时速分别为120km / h 和80km / h。由于车辆速度每提高一倍，其制动功率将增加8 倍，因此对提速车辆用制动材料提出了相当严格的技术要求。理论研究和实车运营状况表明，现有的常规制动材料，无论是摩擦系数和列 车运行平稳性，还是耐磨性、导热性、制动距离等均不能满足提速车辆的需要碳纤维复合材料刹车片是国际上仍在不断研究的新型制动材料，它具有强度高、弹性模量适中、耐热性好、重量轻、膨胀系数小、耐磨损等优点，而所有这些都是提速列车制动所必需的性能，因此开发这类新型材料已被发达国家重视德国铁路部门投巨资，由KnoorBremse公司研制了高速列车用碳纤维复合材料盘型制动器;日本、法国开发研制的碳纤维复合材料刹车片已成功地应用于新干线和TGV 高速列车制动。面对国外碳纤维复合材料高技术的发展趋势和我国铁路对高性能制动片的迫切需求，研制开发高速列车用碳纤维复合材料刹车片不仅具有重要的现实意义，而且具有巨大的推广应用价值

4碳纤维产业的前景展望

自２００４年随着碳纤维在汽车应用上的起步、飞机应用及风力发电等领域的扩大，碳纤维的需求快速增加，使全球碳纤维供应呈严重短缺现象，促使世界各国 碳纤维生产厂家纷纷加大资金投入、扩大产能，碳纤维的生产进入高速发展时期。由于全球对碳纤维需求的持续增长，预计未来碳纤维还将以超过１０％年增长率 速度持续增长。目前世界碳纤维生产和技术主要集中在日本、美国等少数几个国家，其中日本占全球产能的５０％以上，美国占全球产能的２７．５％。尽管我国从２０世纪６０年代后期就开始ＰＡＮ基碳纤维研究工作，且与国外开始的时间相差不远；但由于在原丝与碳化的关键技术及设备上一直未能取得突破，特别是ＰＡＮ原丝技术停滞不前，因此与世界上碳纤维生产先进水平的国家相比，在数量和质量上差距越拉越大。尽管我国的碳纤维生产发展缓慢，但消费量却与 日俱增，市场需求旺盛。随着市场需求的增加，特别是国防、军工、航空航天、体育用品等方面需求的增长，每年从国外进口的碳纤维越来越多。这就要求我们必需加快研究、生产步伐，抓住发展机遇，尽快实现和提高我国碳纤维国产化生产水平。

碳纤维材料性能 第2篇

摘 要：碳纤维增强树脂基复合材料以其优异的综合性能成为当今世界材料学科研究的 重点。本文介绍了的碳纤维增强复合材料的性能，简述了增强机理、成型工艺及其应用领 域和发展趋势。

新材料的研究、发展与应用一直是当代高新技术 的重要内容之一。其中复合材料，特别是先进复合材料 在新材料技术领域占有重要的地位，对促进世界各国 军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的 作用，因此近年来倍受重视。

复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。【1】

碳纤维增强复合材料(CFRP)是目前最先进的复合 材料之一。它以轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能 优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料，而这些优 异的性能可使碳纤维成为一种十分良好的增强材 料。目前，碳纤维大部分应用于碳纤维增强树脂基 复 合 材 料（Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite，简称CFRP）。是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。因为环氧树脂的热机械 性能、抗蠕变性能、粘接性能优异而且吸湿性好； 固化收缩率和线膨胀系数小；固化温度较低；较高 温度下稳定性好；尺寸稳定性、综合性能好[2]；而 且又与有机材料的浸润性能好等优点，所以近年来 应用最多的就是碳纤维增强环氧树脂复合材料。目 前为止，CFRP 可以应用于航空、航天，体育用品，交通工具，建筑材料等多个领域。无论是军用还 是民用，随着研究的不断深入和工厂的大规模生产，其应用领域更为广阔。

碳纤维增强树脂基复合材料的性能【10】

碳纤维增强树脂基复合材料具有一系列的优异性能, 主要表现在以下几个方面。

（1）具有高的比强度和比模量。CFRP的密度仅为 钢材的 1/5，钛合金的 1/3，比铝合金和玻璃钢（GFRP）还轻，使其比强度（强度 / 密度）是高强度钢、超硬铝、钛合金的4倍左右，玻璃钢的2倍左右；比模量（模量/ 密度）是它们的3倍以上。CFRP轻而刚、刚而强的特性 是其广泛用于宇航结构材料最基本的性能。

（2）耐疲劳。在静态下，CFRP 循环 105 次、承受 90%的极限强度应力时才被破坏，而钢材只能承受极 限强度的 50%左右。对于碳纤维增强树脂基复合材 料，在应力作用下呈现粘弹性材料的疲劳特性，显示出 耐疲劳特性。CFRP呈现出良好的抗蠕变性能，这可能 与碳纤维的刚性有关。

（3）热膨胀系数小。碳纤维的热膨胀系数α具有 显著的各向异性，使其复合材料的α也具有各向异 性。

（4）耐磨擦，抗磨损。CFRP 有优良的耐疲劳特 性、热膨胀系数小和热导率高的特性，具耐磨擦、抗磨 损的基本性能。再加之碳纤维具有乱层石墨结构，自 润滑性好，适用于摩擦磨损材料。比磨耗量可用以下 三式表示。

Wr=KLª

a=(b+2)/ 3

N=（So /S）/ b

式中Wr 为比磨耗量； K为比例常数； S为循环作 用的应力； So 为材料的拉伸强度； N为断裂时的循环次 数。CFRP具有高的拉伸强度，是优良的摩擦材料。

（5）耐蚀性。碳纤维的耐蚀性非常优异，在酸、碱、盐和溶剂中长期浸泡不会溶胀变质。CFRP 的耐蚀性 主要取决于基体树脂。长期在酸、碱、盐和有机溶剂环 境中，刻蚀、溶胀等使其变性、腐蚀，导致复合材料性能 下降。

（6）耐水性好。碳纤维复合材料的耐水性好，可长 期在潮湿环境和水中使用。一般沿纤维方向(0°)的强度 保持率较高，垂直于纤维方向(90º)的保持率较低。这可 能与基体树脂的吸湿、溶胀有关。

（7）导电性好。碳纤维具有导电性能。对于 CFRP 导电性能来自碳纤维，基体树脂是绝缘体。因此，CFRP 的导电性能也具有各向异性。

（8）射线透过性。CFRP对 X射线透过率大，吸收 率小，可在医疗器材（如 X光机）方面应用。增强机理 碳纤维增强树脂基复合材料是以聚合物为基体(连续相)，纤维为增强材料(分散相)组成的复合材料。纤维材料的强度和模量一般比基体材料高得多，使它 成为主要的承载体。但是必须有一种粘接性能好的基 体材料把纤维牢固地粘接起来。同时，基体材料又能起到使外加载荷均匀分布，并传递给纤维的作用【11】。

这种复合材料的特点是，在应力作用下，使纤维的 应变与基体树脂的应变归于相等，但由于基体树脂的 弹性模量比纤维小得多，且易塑性屈服，因而当纤维和 基体处在相同应变时，纤维中的应力要比基体中的应 力大得多，致使一些有裂口的纤维先断头，然而由于断 头部分受到粘着它的基体的塑性流动的阻碍，断纤维 在稍离断头的未断部分仍然与其周围未断纤维一样承 担相同的负荷。复合增强的另一原因是基体抑制裂纹 的效应，柔软基体依靠切变作用使裂纹不沿垂直方向 发展而发生偏斜，导致断裂能有很大一部分用于抵抗 基体对纤维的粘着力，从而使银纹在 CFRP 整个体积 内得到一致，而使抵抗裂纹产生、生长、断裂以及裂纹 传播的能力都大为提高。因此，CFRP的力学性能得到 很大的改善和提高【12】。实验部分

1.1 实验原料

碳纤维（12K/T-300）：台湾台塑厂；环氧树脂 E51：星辰化工无锡树脂厂；固化剂：二乙烯三胺（DETA）分析纯，国药集团化学试剂有限公司；活 性稀释剂：市售。

1.2 实验仪器及设备 电子天平：H10KS，上海仪器总厂；电热恒温 鼓风干燥箱：DHG-9030 型，上海精密实验设备有 限公司；搅拌器：DF-1 型，荣华仪器制造有限公 司；模具：自制。

1.3 复合材料的制备

（1）将碳纤维干燥，条件为：150 ℃/2 h；（2）按规定配比配制树脂胶液；

（3）采用手糊成型工艺制作层合板，并固化，固化条件为 100 ℃/3 h + 150 ℃/2 h；

（4）用万能制样机切割标准样条；

其中制作的层合板长宽为 200 mm×200 mm，厚度为 5 mm 的方形板材，基体树脂每层用量为 20 g，碳纤维每层平铺，一共为 8 层，层与层之间的碳 纤维丝束成十字交叉排列。

试验结果与讨论

2.1 碳纤维含量对硬度的影响 显微硬度试验结果示于图 1。可以看出, 随着 碳纤维含量的增加, 试样的硬度呈现 S 形增加趋 势, 增加幅度由小到大又由大到小。碳纤维是脆性 材料, 具有高的强度和比模量, 所以加入碳纤维能提 高试样的硬度[ 5]。基体是树脂材料, 其硬度较低, 当 碳纤维含量较低时, 由于在基体中较分散, 所以对显 微硬度的贡献较小;当碳纤维含量> 10%, 碳纤维的 作用变的非常明显, 所以硬度有较大幅度的增加;但 是, 当碳纤维含量> 25% , 碳纤维的增强作用逐渐达 到饱和, 硬度的增加速度开始下降。总之, 碳纤维的 加入对硬度的提高非常明显。

图y为不同碳纤维含量样品的电导率。从中可 以看出, 当碳纤维含量< 10%时, 电阻随纤维含量的 增加急剧下降;当碳纤维含量> 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, 有一个渗滤阀值, 这个渗滤阀值约为 15%。这表明, 碳纤维/ 酚醛树脂复合体系在碳纤维 含量为 15%以上, 试样具有一定的导电性能[ 6]。

上述结果可用以下理论解释, 当复合体系中导 电填料的含量在达到一个临界值前, 其电阻率急剧 下降, 在电阻率导电填料含量曲线上出现一个狭窄 的突变区域。在此区域内, 导电填料含量的任何细 微变化均会导致电阻率的显著改变, 这种现象通常 称为渗滤现象, 导电填料的临界含量称为渗滤阀值。在突变区域之后, 即使导电填料含量继续提高, 复合 材料的电阻率变化甚小, 这反映在突变点附近导电 填料的分布开始形成导电通路网络。导电高分子材 料的导电现象是由导电填料的直接接触和填料间隙 之间的隧道效应的综合作用产生的;或者说是由导 电通道、隧道效应和场致发射三种导电机理竞相作 用的结果。在低导电填料含量及低外加电压下, 导 电粒子间距较大, 形成链状导电通道的几率极小, 这 时隧道效应起主要作用;在低导电填料含量和高外 加电压时, 场致发射理论变得显著;在高导电填料含 量下, 导电粒子的间距小, 形成链状导电通道几率较 大, 这时导电通道机理的作用明显增大[ 7]。

碳纤维含量对耐磨性的影响

试样磨损完毕后, 每个试样磨损前、后的质量磨 损量与碳纤维含量的关系如图 3 所示。从图 3 可以 看出, 随着碳纤维含量的增加, 复合材料的磨损率下 降、耐磨性能提高, 且提高程度随着碳纤维含量的增加而减小, 最后趋于不变。

综上所述，碳纤维增强树脂基复合材料品种结构 变化繁多，加工成型技术不断更新，基础理论研究方兴 未艾，应用领域相当广泛，这些事实充分证明了这一材料在工程塑料中的领先地位。随着基础研究和应用研 究的不断深入，该材料在取代金属、节约能源、特殊专 用等方面将发挥独特的作用，其巨大的潜力必将得到 进一步挖掘。

总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面: 4.1 航空航天领域的应用[13] 碳纤维复合材料与钢材相比其质量减轻 75%，而 强度却提高 4 倍，其最早最成熟的应用当属在航空航 天领域，如军用飞机、无人战斗机及导弹、火箭、人造卫 星等。早在 1970 年代初期，美国军用 F-14 战斗机就部 分采用碳纤维复合材料作为主承力结构。在民用航空 领域，如波音 767 和空中客车 A310 中，碳纤维复合材 料也占到了结构质量的 3%和 5%左右。近几年随着碳 纤维工业技术和航空航天事业的不断发展，碳纤维在 这一领域的应用更加广泛，如用于制造人造卫星支架、卫星天线、航天飞机的机翼、火箭的喷焰口、战略导弹 的末级助推器、机器人的外壳等。

4.2 体育休闲领域的应用 体育休闲用品是碳纤维复合材料应用的另一个重 要领域，如高尔夫球杆、滑雪板、滑雪车、网球拍、钓鱼 竿等。用碳纤维复合材料制成的球拍与传统的铝合金 球拍相比，其质量更轻、手感和硬度更好、对震荡和振 动的吸收也更好，且使用寿命大大延长。同时由于复合 材料本身的可设计性，使得制造商在球拍的硬度、弹 性、球感、击球性能的设计上，有了更大的想象空间。而 碳纤维钓鱼竿由于其良好的韧性与耐用性，更是被广 泛青睐。近年来，碳纤维复合材料在运动及休闲型自行 车零组件方面的应用也非常广泛。

4.3 交通运输领域 碳纤维增强复合材料在交通运输方面主要是汽车 骨架、螺旋桨芯轴、轮毂、缓冲器、弹簧片、引擎零件、船 舶的增强材料等，尤其在汽车方面的应用更是潜力巨 大。早在 1979 年，福特汽车公司就在实验车上作了试 验，将其车身、框架等 160 个部件用碳纤维复合材料制 造，结果整车减重 33%，汽油的利用率提高了 44%，同 时大大降低了振动和噪音。

4.5 其他工业领域 防弹产品方面，包括防弹头盔、防弹服、防弹运钞 车和防弹汽车等；电子工业方面，包括各种反射面天 线、印刷电路板、壳架等；生物工程和人体医学方面，包括人造关节、骨骼、CT扫瞄床板等；地铁车辆、发热 材料和电热用品以及机械制造工业等复合材料产品 多种多样，层出不穷，充分体现了其应用多元化的趋 势和特点。

【1】360百科

［2］ 张金祥．新型 BMI/环氧树脂共固化体系的研究[D].大连：大连理 工大学，2011．

碳纤维电极材料的制备及性能研究 第3篇

关键词：碳纤维,电极材料,比电容,正交试验

超级电容器 (又称作电化学电容器、双电层电容器) 是一种新型储能器件, 目前广泛应用于电子、电器、通信、汽车、航天、航空等领域[1,2,3]。超级电容器的性能取决于所用的电极材料的性能。目前超级电容器的电极材料主要包括碳材料、金属氧化物和导电聚合物[4]。碳材料因具有成本低、性能稳定、使用寿命长、无污染等优点而备受关注[5,6]。碳纤维材料与其他碳材料相比, 具有电阻小、有效比表面积大、易加工等优势, 因而成为近年来的研究热点[7,8]。

现有的聚丙烯腈基碳纤维的制备工艺主要是针对高模、高强碳纤维制备。所制备的碳纤维电阻小, 由内阻而引起的电损耗较小, 但其表面极性低、表面官能团少, 无法完全浸润在水基电解液中, 无法完全利用其比表面积大的优势, 致使其比电容值较低。本文采用正交试验法, 讨论制备条件对碳纤维电极材料电容性能的影响, 并得出较好的超级电容器用碳纤维电极材料的制备条件[9,10]。

1 实验部分

1.1 正交试验的设计

本文研究预氧化温度、预氧化时间、碳化温度、碳化时间等四个因素对聚丙烯腈基碳纤维性能的影响, 并设计四因素、三水平正交试验, 表1为正交试验设计表。

1.2 电极的制备

将微米级的聚丙烯腈短切纤维放置在马弗炉中, 在空气气氛中进行预氧化处理, 得到聚丙烯腈预氧化纤维。将预氧化后的聚丙烯腈纤维置于高温炉内, 氮气保护下进行碳化处理, 得到聚丙烯腈基碳纤维。将聚丙烯腈基碳纤维均匀夹在泡沫镍中间, 并使用双辊轧机将其压制成1 mm左右的电极片, 并将电极片浸泡在6 mol/L的氢氧化钾溶液中。

1.3 电化学性能测试

使用天津兰力科化学电子高技术有限公司的LK98B II型微机电化学分析系统进行电化学性能测试。

测试采用三电极体系, 以碳纤维电极片为工作电极, 铂电极为对电极, Hg O/Hg电极为参比电极, 在6 mol/L的氢氧化钾溶液中进行测试, 扫描电压区间为0.15~0.6 V, 扫描速率为1 m V/s。利用公式 (1) 可计算出比电容的大小。

式中, Cp:电极材料的比容量 (F/g) ;i:充放电电流强度 (A) ;v:电位扫描速度 (V/s) ;m:电极上活性物质的质量 (g) 。

1.4 XRD测试

使用德国BRVKER公司的D8 ADVANCE型X射线多晶衍射仪, 对预氧化纤维进行分析。扫描速度为5°/min, 扫描区间为0°~50°。通过式 (2) 求得样品的芳构化指数 (AI) [11]:

式中, Ia:试样在2θ=26°时的衍射峰面积;Ip:试样在2θ=17°时的衍射峰面积。

2 结果讨论

2.1 制备条件对碳纤维质量残留的影响

表2是不同条件制备的碳纤维质量残留和AI值。从表2表中计算出的Rj值可以看出, 试验因素对碳纤维质量残留影响的主次顺序为:预氧化时间、预氧化温度、碳化时间、碳化温度。图1是质量残留实验试验因素试验指标的关系图。从图中可以看出, 当预氧化温度为260℃、预氧化时间为90 min、碳化温度为700℃、碳化时间为150 min时, 碳纤维质量残留最大为50.35%。综合表2、图1可以看出, 预氧化程度对活性碳纤维质量残留影响较大。当预氧化程度较高时 (AI值为0.4~0.6) , 碳纤维的质量损失较少, 其原因可能是由于聚丙烯腈分子的线性结构部分变成了环化结构, 提高了聚丙烯腈的裂解温度, 使其在碳化过程中质量损失较少。当预氧化程度过高时 (AI值>0.6) , 聚丙烯腈分子链会发生氧化裂解现象, 这部分断裂的分子链会在碳化过程中完全分解, 从而降低了碳纤维的质量残留。

*为正交试验试验指标。

2.2 工艺条件对碳纤维碳电容的影响

循环伏安曲线是从理论上说明问题, 看其是否能够应用到实际, 具有一定的理论依据。根据所测试到的图示可以得出氧化峰的电流和还原峰的电流, 再依据公式可计算出各个样品相应的比电容值, 得出各个样品相对应的比能量和比功率。表2是第五组实验的循环伏安曲线图, 从图中可以看出, 碳纤维电极材料明显的氧化还原峰和类矩形峰, 这分别是赝电容电容器和双电层电容器的典型特征, 说明碳纤维表面双电层储能和碳纤维上的官能团氧化还原储能均发挥了作用。

表3是不同工艺条件制备的活性碳纤维电极材料比电容数据。

从表3表中计算出的Rj值可以看出, 试验因素对活性碳纤维质量残留影响的主次顺序为:碳化温度、预氧化温度、碳化时间、预氧化时间。

图3是比电容实验试验因素试验指标的关系图。从图中可以看出, 当预氧化温度为240℃、预氧化时间为90 min、碳化温度为800℃、碳化时间为150 min时, 活性碳纤维的比电容值应为最大值, 但正交实验中没有该组实验。按正交实验得出的工艺条件制备碳纤维, 经过测试其比电容值为236.71 F/g, 大于正交试验中的所有测试结果, 说明正交试验计算的结果正确。综合表3、图2可以看出, 碳化温度、预氧化温度对活性碳纤维电容性能影响较大, 聚丙烯腈纤维在环化反应和裂解反应时, 需要一定的反应温度, 当反应温度达到即可发生反应, 而当反应时间较长时, 会使已经形成的结构进一步裂解, 形成小分子随保护气流出。

3 结论

第一, 聚丙烯腈纤维的预氧化程度决定了聚丙烯腈基碳纤维质量残留, 当预氧化程度适中时, 聚丙烯腈基碳纤维的质量残留较高。

第二, 聚丙烯腈基碳纤维电极材料的电容性能主要受碳化温度和预氧化温度的影响。

第三, 通过正交试验及验证试验, 得出聚丙烯腈基碳纤维电极材料最佳的制备工艺是:预氧化温度为240℃、预氧化时间为90 min、碳化温度为800℃、碳化时间为150 min, 此条件下制备的聚丙烯腈基碳纤维电极材料的比电容值为236.71 F/g。

参考文献

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碳纤维材料性能 第4篇

关键词：剑麻纤维；聚丙烯；硅烷偶联剂；复合材料；性能

剑麻，是一种常见的龙舌草属植物。用天然纤维——剑麻增强PP材料有很好的优势。它符合材料向绿色化，可回收的要求。剑麻纤维（SF）可用来制造的地毯、内墙装饰、衬垫等。鉴于剑麻具有密度小、比强度和比模量高、价格低廉等优点，其作为复合材料中的增强材料将具有广泛的应用空间。剑麻纤维经过改性处理， 一方面提高了纤维素的含量和力学性能， 另一方面处理后的纤维表面积增加， 改善了纤维和树脂的界面. 利用处理纤维制备的复合材料的摩擦系数适中， 随温度波动小， 表明剑麻纤维可能可以代替石棉在摩擦材料中的应用[1]。一些实践表明，采用剑麻布作为抛光材料无论在效率或是效果上要明显优于普通棉布和化纤布类[2]。

由于剑麻纤维中存在大量羟基，具有亲水性，而大部分聚合物具有憎水性，不利于纤维与塑料基体的界面粘结[3]。聚丙烯接枝马来酸酐（PP-g-MAH）作为界面相容剂，与PP有着良好的相容性，可改善天然纤维与PP的相容性。

1.方案设计

本文选PP作为基体塑料，改性SF作为增强剂，PP-g-MAH作为界面增容剂。将SF通过碱和硅烷偶联剂表面处理后与PP、PP-g-MAH通过共混挤出，注塑等工艺得到PP/SF/PP-g-MAH复合体系。

2. 实验部分

2.1.偶联处理

将烘干的剑麻纤维用浓度5%的硅烷偶联剂和KH-55的乙醇制得的硅烷偶联剂溶液浸泡1.5h，然后用去离子水洗净，放在80℃的烘箱中烘至恒重。最后用剪刀将剑麻纤维剪成3mm至5mm的短纤维。

将剪好的剑麻纤维、PP、PP-g-MAH按照一定配方在高速混合机中混合均匀，备用。

2.2 挤出实验

依次接通挤出机的总电源和加热开关，设置各段温度如表3所示，待温度升至设定温度后，恒温半小时。

检查冷却系统和真空系统的气密性，打开水阀启动冷却系统，将备用的原料加入料筒中进行挤出造粒实验。其中喂料频率设置为46.8Hz，主机频率设置为8.0Hz 。将造好的粒料在温度设置为80℃ 的烘箱中烘干至恒重。将第一次挤出造粒得到的原料再在相同条件下进行第二次挤出造粒，最后将粒料在温度设置为80℃ 的烘箱中烘干至恒重，备用。

2.3 注塑成型实验

打开注塑机的电源开关，将注塑机各区温度设置如表4所示，启动加热，当温度到达设置温度后，恒温30min后，加料，设置注塑机为半自动，开始注塑成型。

将注塑好的样条在干燥环境中放置24h，得到剑麻纤维复合材料。

2.4 燃烧性能测试

本方法是采用水平的夹住试样的一端，对试样段施加规定的气体火焰，通过测试线性燃烧速度来评价试样的燃烧性能。

选取注塑样条尺寸长为125mm，宽为13mm，厚为3mm。在距离试样一端25mm和100mm处垂直于长轴画两条标线。将试样水平加持在试样夹上，试样与纵轴平行，与横轴倾斜45?，在下方放一水盘，点着本生灯并调节火焰，是灯管在垂直位置时火焰高度为20mm，将本生灯倾斜45?。打开电源，运行，通过“计时控制”按钮记录样条从第一条标线烧至第二条标线的时间。取三条样条的平均燃烧时间，根据下述公式计算燃烧速率。

3.讨论

由表7可知，随着剑麻纤维含量的增加PP复合材料的水平燃烧速度增加。PP属于易燃塑料，而剑麻纤维其体表面积比较小，也非常容易燃烧，且其燃烧速度要快于PP材料，所以随着改性SF含量的增加，其燃烧速度成增长趋势。若在SF改性方面考虑阻燃的性能，通过阻燃改性后将进一步拓宽其应用范围。

参考文献：

[1]梁小波，杨桂成，曾汉民.剑麻纤维增强复合材料的研究进展[J]，中山大学聚合物复合材料和功能材料教育部重点实验室，材料导报，2005，19（2）：63.

[2]XU Xin，CHENG Guangxu，LIU Feiqing.Modifying of sisal and frietion Performance of the sisal reinforcedresin composite，Acta Materiae Compositae Sinica ， 23（1）， 129（2006）.

碳纤维材料性能 第5篇

石英纤维增强氰酸酯树脂基复合材料性能研究

研究了QF210石英纤维增强新型的`改性氰酸酯树脂基复合材料的耐热性、力学性能和介电性能,结果表明5528A/QF210复合材料具有优良的力学性能和优异的介电性能,可在150℃下使用.尤其是5528A/QF210复合材料的介电性能具有极好的频率稳定性,适合作为宽频高透波材料.

作 者：陈梦怡 蔡良元 钟翔屿 包建文 CHEN Meng-yi CAI Liang-yuan ZHONG Xiang-yu BAO Jian-wen 作者单位：北京航空材料研究院,北京,100095刊 名：高科技纤维与应用英文刊名：HI-TECH FIBER & APPLICATION年，卷(期)：200934(3)分类号：V258关键词：石英纤维 氰酸酯 复合材料 力学性能 介电性能

碳纤维材料性能 第6篇

聚丙烯纤维与多孔吸声材料体系性能关系的人工神经网络

本文利用MATLAB设计了BP神经网络预测系统,建立了聚丙烯纤维的长度和掺量与多孔吸声材料体系机械强度和吸声性能的复杂的非线性关系,用已有试验数据进行检验,结果表明:预测值与实测值非常接近.说明该BP神经网络模型在本研究系统的建立是成功的.,它从一些杂乱无章的数据中找出了隐含其中的规律,能较好地解决材料综合性能预测、纤维使用的优化设计等问题.

作 者：余雪莉 作者单位：华南理工大学建筑学院;广州番禺职业技术学院建筑工程系刊 名：广东建材英文刊名：GUANGDONG BUILDING MATERIALS年，卷(期)：25(9)分类号：关键词：吸声性能 聚丙烯纤维 BP神经网络 MATLAB

碳纤维材料性能 第7篇

摘要：

本文观察了聚乳酸纤维在不同化学试剂中的溶解反应，得出聚乳酸纤维具有较好的耐酸性，对碱的抵抗能力较差。配制不同pH值缓冲溶液测试聚乳酸纤维的降解性能，结果表明聚乳酸纤维在碱性溶液中容易发生降解，而在中性和酸性溶液中很难降解。

碳纤维复合材料汽车B柱性能研究 第8篇

近年来, 我国汽车工业得到了快速的发展, 汽车产销量位居世界第一, 汽车工业已成为我国经济发展的支柱产业。汽车给我们的出行带来了便利, 但也造成了环境污染等问题。在全球温室效应、能源危机和环境污染等日益严重的情况下, 节能与环保成为摆在世界各国面前最重要的命题[1]。目前, 汽车行业面临的挑战是, 为了汽车工业的可持续发展, 必须减少环境污染、节约资源。为应对挑战各国都开始研究和开发新能源汽车, 就现阶段技术而言, 汽车轻量化是实现降低油耗和减少排放的有效途径。有试验表明, 汽车总体重量减轻10%, 可提高6%-8%的燃油效率。降低1%汽车重量可降低0.7%的油耗[2]。由此可见汽车轻量化对于节能与环保有显著效果, 使其成为我国汽车行业大力发展的趋势。对于乘用车来说, 车身占整车质量的40%-60%[3], 对于汽车油耗来说, 约70%的油耗是用在了车身质量上, 因而车身的轻量化对于整车的节能、减排具有更为显著的作用。

2 碳纤维复合材料汽车B柱模型建立

文章采用等代设计方法建立碳纤维复合材料汽车B柱模型, 通过Hypermesh对B柱模型完成几何清理并采用四面体单元划分网格, 网格大小10mm。将画好网格的B柱导入ABAQUS进行碰撞分析。

碳纤维复合材料B柱铺层方式为[0/45/90/-45], 铺层层数为18层, 每层厚度0.33mm。复合材料单向层合板的力学性能如表1 所示。其中p为密度, E1、E2 分别为单向层合板的纵向、横向弹性模量, u12为泊松比, G12 为剪切模量, Xt、Xc为纵向拉伸、压缩强度, Yt、Yc为横向拉伸、压缩强度, S为剪切强度。

3 碳纤维复合材料汽车B柱性能分析

以碳纤维复合材料汽车B柱的质量、入侵量、吸能为响应分析碳纤维复合材料汽B柱的综合性能。并与金属材料汽车B对比分析, 与金属材料汽车B柱相比碳纤维复合材料汽车B柱重量降低约33%, 最大入侵量比金属材料汽车B柱小12%, 吸能效果也比金属材料汽车B柱好。

摘要：节能、环保和安全是汽车工业的发展方向, 汽车轻量化是实现节能减排的重要手段。碳纤维复合材料的比强度和比模量高, 密度仅为钢的1/5左右, 在等刚度和或等强度下, 碳纤维复合材料比钢可减重50%以上, 比镁铝合金可减重30%左右, 具有独特的轻量化效果, 是实现汽车轻量化的理想材料。以汽车B柱为研究对象, 基于经典层合板理论, 采用ABAQUS分析研究了碳纤维复合材料B柱的碰撞性能。研究结果表明, 与金属材料汽车B柱相比碳纤维复合材料汽车B柱重量降低约33%, 达到了较好的轻量化效果。同时碳纤维复合材料汽车B柱入侵量与吸能比金属材料小。

关键词：轻量化,碳纤维复合材料,性能,汽车B柱

参考文献

[1]马鸣图, 易红亮, 路洪洲, 等.论汽车轻量化[J].中国工程科学, 2009, 11 (9) :20-27.

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