碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究(精)

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究 A Study of the Ceram ic M atrix Com po sites

R einfo rced by Carbon F ibers

杨雪戴永耀赵广文金东明 (北京航空材料研究院 Yang Xue D ai Yongyao Zhao Guangw J in Dongm ing (In stitu te of A eronau , B eijing [摘要 ]使用 CVD ,

全渗入到基体里面。这是由于“瓶颈” 效应所致 , , 进而封闭了通向大气孔的入口。为此 , ( 通过控制反应气体通道位置和试样的加热位置 , , 使用 PCCVD 技术制造的 C Si C 复合材料 , 。

[]O ne of the p rob lem s w ith the u se of CVD techn iques to den sify the ceram ic m a 2 trix reinfo rced by fibers is the difficu lty in ach ieving com p lete infiltrati on 1T h is is due to “ bo ttle 2 neck ” effects in w h ich the CVD m atrix clo ses off s m all po res , w h ich in tu rn b lock s access to larg 2 er po res 1To th is end a new m ethod , po siti on con tro l CVD (PCCVD , to overcom e the difficu lty above m en ti oned is p resen ted

1B y m ean s of con tro lling the reach ing po siti on of react gases and the heating po siti on in m atrix , the clo se po res in the m atrix den sified by PCCVD techn ique have no t com e in to being from start to fin ish 1T here are on ly a few , if any , po res in m atrix and the den sity of C Si C com po sites m anufactu red by PCCVD techn ique can ach ieve 96%of theo retical den sity 1 Keywords carbon fibers reinfo rced

ceram ic m atrix com po sites

1引言

发展更高效率热机的关键在于提高工作温度 , 而提高工作温度之关键又取决于更高工作温度材料的研制。镍、钴基高温合金已发展到接近其使用温度的极限 , 因此要进一步提高发动机的效率 , 就必须研制和发展陶瓷基复合材料。连续纤维增强陶瓷基复合材料 (CFCC 是最有希望满足发动机高温部件要求的

材料 , 而制造 CFCC 的工艺则是其中最关键的问题。传统的热压烧结工艺会大大损伤纤维 , 并使纤维和基体发生严重的化学反应 [1~3]。溶胶 2凝胶法 (so l

2gel 和化学气相沉积 (CVD 或渗透 (CV I 则是制造 CFCC 的较好方法 , 但使用溶胶 2凝胶法生产出的复合材料密度较低 , 制造温度仍较高 (约 1300~1400℃ , 而且还需加压 , 不够理想。而 CVD (CV I 只能沉积简单的薄壁件 , 如单层纤维薄片或薄壳型材料。对于粗厚型件内部往往出现孔洞 , 存在着致密性差 (一般只能达到理想密度的 70%~ 80% [4]、不易成型且沉积时间过长等问题。为了解决上述问题我们提出了一种新工艺新方法 PCCVD 即位控化学气相沉积法 , 并进行了初步试验。

2实验方法

211实验材料

通过 PCCVD 来制造碳纤维增强碳化硅复合材料。本工艺选用高模量碳纤维 (抗张强度为 212GPa , 抗张模量为 360GPa , 密度为 118g c m 3 和甲基三氯硅烷 (M T S 。 M T S 的纯度约为 94%。使碳化硅基体沉积在碳纤维预制件上。

212PCCVD 的原理

在传统的 CVD 工艺中 , 反应气体是通过载气 (或许参加也可能不参加反应携带到加热的预制件上 , 在预制件的表面 , 气体反应形成固体沉积物 , 而反应生成的? 9 1?

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究

气体由载气带出沉积系统。在沉积过程中 , 整个预制件里外同时沉积 , 由于预制件的外部比内部有更多的机会接触反应气体 , 而迅速达到完全沉积。结果 , 通向预制件内部的入口被封闭 [5], 使得反应物从反应气体到预制件内部纤维表面的物质交换和生成物从纤维表面到主气流的物质交换变得非常困难。最后 , 从复合材料的表面上看 , 得到了完全的沉积 , 但其内部存有较多的气孔。另一方面 , 由于复合材料的表面是不受限制的沉积 , 所以复合材料的外形达不到所规定的尺寸要求。

PCCVD 通过控制试样的加热位置 , 控制反应气体

通道位置 , 从而达到控制沉积位置的三位控沉积法。

PCCVD 不是在整个试样上同时沉积 , 而是在一个不断

移动的截面上沉积 , 沉积部分的交界面 , 称为沉积界面。的一端移到另一端时 , 程中 , 的 , , 全部是开口沉积。 , 试验中最高可达其理论密度的 96%。图 1为PCCVD

的工艺简图。

图 1 PCCVD 的工艺简图

F ig 11 T he schem atic of PCCVD technique

1模子中的温度分布 ; 2温度分布 ; 3温度峰 ; 4完全沉

积部分 ; 5未沉积部分 ; 6模子和预制件 ; 7沉积界面的移动方向 ;

8气体试剂的流动方向 ; 9模子的移动方向 ; 10沉积界面上主气

流的流动方向 ; 11沉积界面

PCCVD 技术很复杂 , 由于整个过程中发生着物理和化学变化及相互作用 , 使用 PCCVD 制造的复合材料其性能受很多因素的影响 , 如 :碳纤维的类型、模子和预制件的设计及 M T S 的纯度等 , 但最重要的先决条件包括 :

(1 靠近沉积界面有一陡的温度梯度并且该温度

峰值等于沉积温度 ;

(2 沉积界面上温度梯度的方向基本与主气流的

流动方向垂直。在放试样的模具内部与外部应产生一定的压力差 , 迫使反应

气流经沉积界面后流出 ;

(3 沉积界面以一定的速度在沿温度梯度方向移

动并且移动速度必须与预制件中碳化硅的沉积速度相匹配 ;

(4 将反应气体引入模子通过沉积界面 , 迫使其在

沉积界面上进行反应 , 然后由泵将反应后的气体从模子中抽出。

213模具

模具的设计是 PCCVD 中重的一环。本实验采用石墨模具。气体全

部流经试样 , 2的反应室示于图 2。

反应室由石英制成 , 其中部有一个具有特定几何形状并能在长度方向产生温度梯度 (参见图 1 的石墨感应发热体。最初将装有碳纤维的模子置于石墨感应发热体的下端 , 当将模子以适当的速度移进感应发热体里时 , 其移进石墨感应体里的部分通过辐射加热形成一个达到沉积温度的热区。 M T S 和载气

通过一根管子被直接插进模子内部。反应室里为负压。由于模子与管子间的密封 , 把气体送入相对于反应室为正压的预制件内部 , 这样模子内部与外部间会产生一

个压力差 , 迫使气体流过碳纤维预制件。移进沉积温度区的碳纤维预制件部分开

始沉积 , 而未移进该区的部分仍有气体流过 , 沉积界面上的沉积随模子逐渐移进感应发热体逐步地进行 , 一旦基体达到完全沉积时流过

模子的气体将被阻止。

图 2 PCCVD 反应室的简图

F ig 2 Schem atic of the reacto r cham ber used fo r PCCVD ?

02?材料工程 1999年 2期

3实验结果与讨论

PCCVD 是制造纤维增强陶瓷特别是连续纤维增强

陶瓷复合材料的新方法。通过改变 PCCVD 的工艺参数

来研究其对沉积的影响程度 , 以便控制沉积条件。

本实验用于沉积的标准条件为 :沉积温度 1150~ 1250℃ , 气流速度为60c m 3 m in , 氢气与 M T S 之比为 10 1, 模子移动速度 (也可以说是沉积界面移动速度为 015mm m in 。碳纤维预制件的尺寸为 3mm ×4mm ×50mm 。纤维的体积含量约为 50vo l %。由 PCCVD 制造

(a 1200× (b 1000×

图 3用 PCCVD 制造的 C Si C 的 SE M 像

F ig 13 T he SE M of C Si C m anufactured by PCCVD

的 C Si C 复合材料 SE M 分析结果示于图 3a 和图 3b 。

由图 3a 可见 , 所有的碳纤维几乎都被 Si C 基体所

包围 , 其中几乎不含气孔。由图 3b 可以看出 , 由于模子

的移动速度较高 , 仍存在着一些气孔。

按上述条件制备的 C Si C 复合材料 , 当模子移动速

度为 215mm 30m in 、纤维体积含量为 50vo l %时 , 其密

度已达到 2144g c m 3, 试样密度为理论密度的 96%。

PCCVD 能沉积出比较致密的试样的关键所在是必

须使沉积界面上有新鲜的反应气体流过。如果模子移动

速度过慢 , 该工艺反应时间将很长 , 而其速度过快 , 碳

化硅基体中将有很多气孔。气孔的形成与模子移速度之

间的关系如图 4所示。其中图 4a , 由于模具的推进速度和 Si C 的沉积速度相匹配 , 因此沉积界面比较平坦。而

图 4b 则因推进速度较快 , 在沉积界面上还未沉积好 , 高

温区已推向前进 , 致使已有的沉积界面未沉积好 , 又形

成新的沉积界面 , 从而形成一个开口的瓶状的未沉积区。这时 , 反应气体难以进入“瓶”内 , 而“瓶”口由于

接触新鲜的反应气体较多沉积速度快 , 最终如图 4c 所

示 , 把“瓶”口封死 , 形成孔隙。因此 , PCCVD 的关键

是在沉积温度下 , 硅烷气体供应充足时 , 模具的推进速

度必须等于或小于 Si C 沉积速度。这时 , 存在一个最大

移动速度。影响复合材料密度的主要参数为模子的移动

速度和纤维体积分数 , 一般说纤维的体积分数愈大允许

的模子移动速度愈快。

图 4气孔的形成简图

1碳纤维 ; 2沉积界面 ; 3模子的移动方向。

F ig 14 T he sketch of the fo r m ing of po res

在标准条件下 , 模子的移动速度 V 对复合材料的密度 D 的影响如图 5所示。 D 与 V 基本满足下边的表达式 :

D D T =(1-V 118 1 2

其中 D T 为理论密度。

由图 5可知 , 模子的最大允许移动速度约为 013mm m in , 这时其实际密度可达其理论密度的 96%左 (下转第 24页? 1 2?碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究

根据物质的分子式可以推测出 B 4H 10的液体密度介于 B 2H 6(0147g c m 3 和 BC l 3(1143g c m 3 之间 , 即回收后 BC l 3中的 B 4H 10实际上是处于 BC l 3液面上 , 因此一旦 BC l 3和 C l 2在混合室里不反应 (不发热 , 表明剩余的 BC l 3中已不再含有 B 4H 10, C l 2处理停止。将 C l 2反应后收集的 BC l 3和剩余的三氯化硼进行精馏处理 , 经气相红外光谱分析 , 得到与原始 BC l 3一致的谱线 , 如图4所示。用其沉积带碳化硼涂层的硼纤维 , 性能正常 , 其中抗拉强度高者可达3600M Pa

。

图 4回收后经过 C l 2处理的 BC l 3精馏料气相红外光谱

F ig .

4 I R spectrum of rectifying BC l 3treated

w ith C l 2after retrieval

3结论

(1 连续生产带 B 4C 涂层硼纤维过程中 , 回收后的

BC l 3与空气接触发生自燃现象是由于 BC l 3中含有丁硼

烷 (B 4H 10 所致。

(2 通过用 C l 2与 B 4H 10反应的方法 , 解决了回收后

BC l 3的自燃问题 , 经精馏提纯后 , 用其沉积硼纤维时 , 与

原始 BC l 3沉积的纤维性能一致 , 其中抗拉强度高者可达

3600M Pa 。

参考文献

1庞锡涛 1无机化学 (下 1北京 :高等教育出版社 , 1992, 177

稿件收到日期 :1998210216

余冬苓 , 女 , 1967年 12月生 , 工程师 , 从事高性能陶瓷纤维 (硼纤维及其复合材料的研究。联系地址 :北京 81信箱 3分箱 (100095 。

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3333333333333333333333

(上接第 21页

图 5标准条件下模子的移动速度对复合材料的密度的影响

F ig 15 Effect of moving speed of the mould on density

of the compo site under the nom inal conditi ons

右。对于 3mm ×4mm ×50mm 的试样需要 160m in 达到完全沉积。

4结论

PCCVD 是制造纤维增强陶瓷基复合材料并对纤维无损伤且不产生气孔的新方法。由 PCCVD 制造的 C

Si C CFCC , 当纤维的体积分数约为 50vo l %时 , 其密度已

达到 2144g c m 3, 为理论密度的 96%。

参考文献

1 M 1A 1Karnitz , D 1F 1C raig 1Ceram ic Bulletin , 1991, 70:430

~435

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T I ONAL ’ 90P roceedings , E lsevier Science Publicati ons 1T he N etherlands , 2:190~194

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4 R 1W 1D avidge 1Compo sites , 1987, 18:92~98

5 L 1E 1M c A llister 1Fabricati on of the Compo sites , ed 1A 1Kelly ,

S 1T 1M ileike , N o rthho lland , Am sterdam , N ew Yo rk , 1983, 109~176

收稿日期 :199823226

杨雪 , 女 , 1966年 4月出生 , 硕士 , 毕业于北京工业大学无机非金属材料专业。现从事陶瓷方面的研究工作。联系地址 :北京 81信箱 62箱(100095

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42?材料工程 1999年 2期

碳纤维材料的性能

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 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、

陶瓷基复合材料论文 (1)

陶瓷基复合材料在航天领域的应用 概念：陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。 一、陶瓷基复合材料增强体 用于复合材料的增强体品种很多，根据复合材料的性能要求，主要分为以下几种 纤维类增强体 纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。连续长纤维的连续长度均超过数百。纤维性能有方向性，一般沿轴向均有很高的强度和弹性模量。 颗粒类增强体 颗粒类增强体主要是一些具有高强度、高模量。耐热、耐磨。耐高温的陶瓷等无机非金属颗粒，主要有碳化硅、氧化铝、碳化钛、石墨。细金刚石、高岭土、滑石、碳酸钙等。主要还有一些金属和聚合物颗粒类增强体，后者主要有热塑性树脂粉末 晶须类增强体

晶须是在人工条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，其直径为~1微米，长度为几十微米，由于其具有细小组织结构，缺陷少，具有很高的强度和模量。 金属丝 用于复合材料的高强福、高模量金属丝增强物主要有铍丝、钢丝、不锈钢丝和钨丝等，金属丝一般用于金属基复合材料和水泥基复合材料的增强，但前者比较多见。 片状物增强体 用于复合材料的片状增强物主要是陶瓷薄片。将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合材料具有很高的韧性。 二、陶瓷基的界面及强韧化理论 陶瓷基复合材料(CMC)具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能，被认为是推重比10以上航空发动机的理想耐高温结构材料。界面作为陶瓷基复合材料重要的组成相，其细观结构、力学性能和失效规律直接影响到复合材料的整体力学性能，因此研究界面特性对陶瓷基复合材料力学性能 的影响具有重要的意义。 界面的粘结形式 （1）机械结合（2）化学结合 陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的

碳纤维增强复合材料概述

碳纤维增强复合材料概述 摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituent materials），它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8 μm 内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、

碳纤维复合材料

碳纤维复合材料 碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料。 碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。 (1)密度低(1.7g/cm3左右)在承受高温的结构中，它是最轻的材料;高温的强度好，在2200oC时可保留室温强度;有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性;而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现"假塑性效应"即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。 (2)热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。 (3)耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。 复合原理它以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。 复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。 碳纤维增强尼龙的特色 碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特色，与玻璃纤维比较，模量高3?5倍，因而是一种取得高刚性和高强度尼龙资料的优秀增强资料。碳纤维复合资料可分为长（接连）纤维增强和短纤维增强两大类。纤维长度可从300~400m 到几个毫米不等。曩昔10年中，大家在改善不一样品种的碳纤维复合资料加工办法和功能方面投入了许多的研讨。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型，在碳纤维复合资料及制品制造方面积累了许多成功的经历。当前普遍认为，长（接连）纤维有高强、高韧方面的优越性，短切纤维有加工性好的特色。因而，长碳纤维复合资料在加工上完善成型技术、短碳纤维复合资料进一步进步力学功能是碳纤维复合资料开展的方向。 依据碳纤维长度、外表处理方式及用量的不一样，还能够制备归纳功能优秀、导电功能各异的导电资料，如抗静电资料、电磁屏蔽资料、面状发热体资料、电极资料等。碳纤维增

陶瓷基复合材料(CMC).

第四节 陶瓷基复合材料（CMC） 1.1概述 工程中陶瓷以特种陶瓷应用为主，特种陶瓷由于具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蚀件好等特点，已广泛用于制做剪刀、网球拍及工业上的切削刀具、耐磨件、 发动机部件、热交换器、轴承等。陶瓷最大的缺点是脆性大、抗热震性能差。与金属基和聚合物基复合材料有有所不同的，是制备陶瓷基复合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韧性。特别是纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量，使韧性得以大幅度提高。表6—1列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺寸大小的比较。很明显连续纤维的增韧效果最佳，其次为品须、相变增韧和颗粒增韧。无论是纤维、晶须还是颗粒增韧均使断裂韧性较整体陶瓷的有较大提高，而且也使临界裂纹尺寸增大。

陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是一种包括范围很广的材料，属于无机化合物纳构远比金属与合金复杂得多。使用最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。陶瓷材料中的化学键往注是介于离子键与共价键之间的混合键。 陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常用的纤

维之一。碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件，在1500霓的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变，但对碳纤维必须进行有效的保护以防止它在空气中或氧化性气氛中被腐蚀，只有这样才能充分发挥它的优良性能。其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。陶瓷材料中另一种增强体为晶须。晶须为具有一定长径比(直径o 3。1ym，长30—lMy”)的小单晶体。从结构上看，晶须的特点是没有微裂纹、位偌、孔洞和表面损伤等一类缺陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存在且促使强度下降的主要原因。在某些情况下，晶须的拉伸强度可达o．1Z(Z为杨氏模量)，这已非常接近十理论上的理想拉伸强度o．2Z。而相比之下．多晶的金属纤维和块状金属的拉伸强度只有o．025和o．o01f。在陶瓷基复合材料使用得较为普遍的是SiC、Al2O3、以及Si3N4N晶须。颗粒也是陶瓷材料中常用的一种增强体，从几何尺寸上看、它在各个方向上的长度是大致相同的，—般为几个微米。通常用得较多的颗粒也是SiC、Al2O3、以及Si3N4N。颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须，但如恰当选择颗粒种类、粒径、含量及基体材料，仍可获得一定的韧化效果，同时还会带来高温强度，高温蠕变性能的改善。所以，颗粒增韧复合材料同样受到重视并对其进行了一定的研究。 在陶瓷材料中加入第二相纤维制成的复合材料是纤维增强陶瓷基复合材料，这是改善陶瓷材料韧性酌重要手段，按纤维排布方式的不同，又可将其分为单向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复合材料。单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能。在这种材料中，当裂纹扩展遇到纤维时会受阻．这样要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应力。图7—15为这一过程的示意图。当外加应力进一步提高时．由于基体与纤维间的界面的离解，同时又由于纤维的强度高于基体的强

新型碳化硅陶瓷基复合材料

新型碳化硅陶瓷基复合材料 材料资讯新型碳化硅陶瓷基复合材料陶瓷材料的耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化和抗烧蚀等优异性能，使其具有接替金属作为新一代高温结构材料的潜力。但是，陶瓷材料的脆性大和可靠性差等致命弱点又阻碍其实用化。在发展的多种增韧途径中，连续纤维增韧陶瓷基复合材料（CFRCMC，简称CMC）最引人注目，它可以具有类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、没有灾难性损毁。 70代初期法国Bordeaux大学Naslain教授发明了化学气相渗透（Chemical Vapor Infiltration,CVI）制造连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（简称CMC－SiC)的新方法并获得专利，现已发展成为工程化技术，尔后美国购买了此项法国专利。 CMC－SiC具有高比强、高比模、耐高温、抗烧蚀、抗氧化和低密度等特点，其密度为2～2.5g/cm3，仅是高温合金和铌合金的1/3～1/4，钨合金的1/9～1/10。CMC－SiC主要包括碳纤维增韧碳化硅（C/SiC）和碳化硅纤维增韧碳化硅（SiC/SiC）两种，由于碳纤维价格便宜且容易获得，因而C/SiC成为SiC陶瓷基复合材料研究、考核与应用的首选。 CMC－SiC的应用可覆盖瞬时寿命（数十秒～数百秒）、有限寿命（数十分钟～数十小时）和长寿命（数百小时～上千小时）3类服役环境的需求。用于瞬时寿命的固体火箭发动机，C/SiC的使用温度可达2800～3000℃；用于有限寿命的液体火箭发动机，C/SiC的使用温度可达2000～2200℃；用于长寿命航空发动机，C/SiC的使用温度为1650℃，SiC/SiC 为1450℃，提高SiC纤维的使用温度是保证SiC/SiC用于1650℃的关键。 由于C/SiC抗氧化性能较SiC/SiC差，国内外普遍认为，航空发动机热端部件最终获得应用的应该是SiC/SiC。因此CMC－SiC被认为是继碳－碳复合材料（C/C）之后发展的又一新型战略性材料，可大幅度提高现有武器装备和发展未来先进武器装备性能，发达国家都在竞相发展。此外，CMC－SiC在核能、高速刹车、燃气轮机热端部件、高温气体过滤和热交换器等方面还有广泛应用潜力。 1. 碳化硅陶瓷基复合材料的应用与发展现状 高性能动力是发展先进航空和航天器的基础。提高航空发动机的推重比和火箭发动机的冲质比是改善先进航空和航天器性能的必经之路。这些都要求不断降低发动机的结构重量和提高发动机构件的耐温能力。因此，发展耐高温、低密度的新型超高温复合材料来接替高温合金和难熔金属材料，成为发展高性能发动机的关键和基础。 国际普遍认为，CMC-SiC是发动机高温结构材料的技术制高点之一，可反映一个国家先进航空航天器和先进武器装备的设计和制造能力。由于其技术难度大、耗资大，目前只有法国、美国等少数国家掌握了连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的产业化技术。 1.1 高推重比航空发动机领域（略） 1.2先进火箭发动机领域（略） 2. 我国CVI－CMC－SiC 制造技术的研究进展 CMC－SiC的制造方法有反应烧结（RB），热压烧结（HP），前驱体浸渍热解（PIP），反应性熔体渗透（RMI）以及CVI，CVI－PIP，CVI－RMI和 PIP－HP等。CVI是目前唯一已商业化的制造方法，其适应性强，原理上适用于所有无机非金属材料，可制造多维编织体复合材料的界面层、基体和表面涂层。CVI必须使气相反应物渗透到纤维预制体的每一根单丝纤维上，而单丝的最小间距仅为1μm左右，因此CVI过程的控制比CVD困难得多。 与其他成型方法相比，CVI法制造CMC具有制备温度低（≈1 000℃）；气相渗透能力强，便于制造大型、薄壁、复杂的近终形构件，能对基体、界面和表面层进行微观尺度的化学成分与结构设计。 CVI法的主要缺点是工艺控制难度大，法国从发明CVI法制造CMC－SiC到形成规

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用林德春潘鼎高健陈尚开 （上海市复合材料学会）（东华大学）（连云港鹰游纺机集团公司） 碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性,纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。 可以明显看出，在航空航天领域碳纤维的用量有大幅度增加，2006年比2001年增长约40%，2008年增长约76%，2010年和2001年相比增长超过100%。 本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天领域应用的新进展。 1 航空领域应用的新进展 T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的 为拉伸强度达到5.5GPa，断裂应变高出T300 碳纤维的30％的高强度中模量碳纤维T800H 纤维。 （1）军品 碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，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31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量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。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材。 美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料：F-22的结构重量系数为27.8%，先进复合材料的用量已达到25%以上，军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人

碳纤维增强Si-C-N陶瓷基复合材料的氧化行为

硅酸盐学报 · 1570 ·2008年 碳纤维增强Si–C–N陶瓷基复合材料的氧化行为 卢国锋，乔生儒，张程煜，侯军涛 (西北工业大学，超高温结构复合材料国家重点实验室，西安 710072) 摘要：采用化学气相浸渗(chemical vapor infiltration，CVI)法制备了以热解碳为界面的碳纤维增强碳氮化硅陶瓷基(carbon fiber reinforced silicon carbonitride ceramic, C/Si–C–N) 复合材料。用热重法研究了无涂层C/Si–C–N在空气环境中的氧化行为。研究表明：由950℃ CVI沉积的Si–C–N基体所制备的C/Si–C–N复合材料的氧化行为与碳纤维增强SiC陶瓷基(carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic, C/SiC) 复合材料的完全不同。在600～1200℃，C/Si–C–N的氧化速率随温度的升高而持续增加，其抗氧化能力在600℃明显高于C/SiC复合材料；在900℃，抗氧化能力与C/SiC 复合材料基本相当；在1200℃，抗氧化能力则低于C/SiC复合材料。C/Si–C–N复合材料所表现出来的氧化行为主要与Si–C–N基体较低的热膨胀系数有关。 关键词：陶瓷基复合材料；碳氮化硅陶瓷；氧化；热膨胀 中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：0454–5648(2008)11–1570–06 OXIDATION BEHA VIOR OF CARBON FIBER REINFORCED Si–C–N MATRIX COMPOSITE LU Guofeng，QIAO Shengru，ZHANG Chengyu，HOU Juntao (National Key Laboratory of Thermostructure Composite Materials, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China) Abstract: Carbon fiber reinforced silicon carbonitride matrix composite (C/Si–C–N) with a pyrolytic carbon interlayer was fabricated by a chemical vapor infiltration (CVI) technique. The Si–C–N matrix was deposited by CVI at 950℃. The oxidation behaviors of C/Si–C–N were investigated in air using thermogravimetry. The results indicate that the oxidation behavior of C/Si–C–N is com-pletely different from that of carbon fiber reinforced SiC composite (C/SiC). The oxidation rate of C/Si–C–N increases continuously with the increase of temperature from 600 to 1200℃. The oxidation resistance of C/Si–C–N is similar to that of C/SiC at 900℃, obviously higher than that of C/SiC at 600℃, and is lower than that of C/SiC at 1200℃. These oxidation behaviors are mainly re-lated to the low coefficient of thermal expansion of the Si–C–N matrix. Key word: ceramic matrix composites; silicon carbonitrides ceramics; oxidation; thermal expansion 连续碳纤维增强陶瓷基复合材料(continuation carbon fiber reinforced ceramic matrix composites，CFCCs)具有高温强度高、高断裂韧性、密度低等优点而非常有希望应用于航空航天领域的高温结构部件。在这些CFCCs中，碳纤维增强碳复合材料(carbon fiber reinforced carbon composites，C/C)和碳纤维增强SiC陶瓷基复合材料(carbon fiber reinforced silicon carbide composites，C/SiC)已得到实际应用。[1–2]由于碳氮化硅(Si–C–N)陶瓷具有较低的热膨胀系数、高热导率、良好的抗氧化性、较高的高温强度和抗蠕变特性，[3–8] 碳纤维增强的Si–C–N陶瓷基(carbon fiber reinforced carbonitride ceramic, C/Si–C– N)复合材料可望具有较高的抗氧化性能、较高的强度和抗热震性能，在航空航天领域的高温结构部件有着非常可观的应用前景。但是CFCCs的优异性能是在惰性气体和真空条件下才能显现，在氧化气氛条件下，复合材料的优异性能却难以持久。而在高温领域，CFCCs的许多应用环境是具有氧化性气氛的。目前，还未见CFCCs在没有抗氧化涂层的情况下能长时间在500℃以上的高温环境中工作的实 收稿日期：2008–03–23。修改稿收到日期：2008–05–29。 基金项目：国家自然科学基金(50772089)；长江学者和创新团队发展计划；高等学校学科创新引智计划(B08040)资助项目。 第一作者：卢国锋(1975—)，男，博士研究生。 通讯作者：乔生儒(1946—)，教授，博士研究生导师。Received date:2008–03–23. Approved date: 2008–05–29. First author: LU Guofeng (1975–), male, postgraduate student for doctor degree. E-mail: luguof.student@https://www.wendangku.net/doc/7111314901.html, Correspondent author: QIAO Shengru (1946–), male, professor. E-mail: blao@https://www.wendangku.net/doc/7111314901.html, 第36卷第11期2008年11月 硅酸盐学报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol. 36，No. 11 November，2008

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究(精)

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究 A Study of the Ceram ic M atrix Com po sites R einfo rced by Carbon F ibers 杨雪戴永耀赵广文金东明 (北京航空材料研究院 Yang Xue D ai Yongyao Zhao Guangw J in Dongm ing (In stitu te of A eronau , B eijing [摘要 ]使用 CVD , 全渗入到基体里面。这是由于“瓶颈” 效应所致 , , 进而封闭了通向大气孔的入口。为此 , ( 通过控制反应气体通道位置和试样的加热位置 , , 使用 PCCVD 技术制造的 C Si C 复合材料 , 。 []O ne of the p rob lem s w ith the u se of CVD techn iques to den sify the ceram ic m a 2 trix reinfo rced by fibers is the difficu lty in ach ieving com p lete infiltrati on 1T h is is due to “ bo ttle 2 neck ” effects in w h ich the CVD m atrix clo ses off s m all po res , w h ich in tu rn b lock s access to larg 2 er po res 1To th is end a new m ethod , po siti on con tro l CVD (PCCVD , to overcom e the difficu lty above m en ti oned is p resen ted 1B y m ean s of con tro lling the reach ing po siti on of react gases and the heating po siti on in m atrix , the clo se po res in the m atrix den sified by PCCVD techn ique have no t com e in to being from start to fin ish 1T here are on ly a few , if any , po res in m atrix and the den sity of C Si C com po sites m anufactu red by PCCVD techn ique can ach ieve 96%of theo retical den sity 1 Keywords carbon fibers reinfo rced ceram ic m atrix com po sites 1引言 发展更高效率热机的关键在于提高工作温度 , 而提高工作温度之关键又取决于更高工作温度材料的研制。镍、钴基高温合金已发展到接近其使用温度的极限 , 因此要进一步提高发动机的效率 , 就必须研制和发展陶瓷基复合材料。连续纤维增强陶瓷基复合材料 (CFCC 是最有希望满足发动机高温部件要求的

碳纤维_树脂基复合材料导电性能研究

第27卷 第5期 2005年5月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol.27 No.5 M ay 2005 碳纤维/树脂基复合材料导电性能研究 于 杰,王继辉,王 钧 (武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070) 摘 要: 研究了短切碳纤维/乙烯基酯树脂导电性与短切碳纤维含量、长径比、纤维取向的关系及其PT C 效应。短切碳纤维长径比越大、取向角越小,材料的渗虑阈值越低,导电性越好。渗虑阈值之后,纤维含量越低,PT C 效应越明显,转变温度越低;实验还发现体积膨胀是导致PT C 效应的主要因素之一,通过分析PT C 效应与体积膨胀之间的关系,得出渗滤区域材料的导电性受导电通路与隧道效应的综合影响,当纤维含量较高时,导电性能基本只受导电通路的控制。关键词: 短切碳纤维/乙烯基酯树脂; 导电性; 长径比; PT C 中图分类号: T B 332文献标志码: A 文章编号:1671-4431(2005)05-0024-03 Study on Electric Properties of Carbon Fiber/Polymer Composites Y U J ie,WAN G J i -hui,WAN G Jun (Schoo l of M aterials Science and Engineering,Wuhan U niversity of T echnolo gy,Wuhan 430070,China) Abstract: T he electr ical co nduct ivity and P T C effect of chopped -carbon fiber filled viny-l ester resin composites were studied.Filler aspect r at io and filler orientation were found to evidently affect t he composites conductiv ity.It w as also proved that the volume ex pansion was a main factor.It has r esulted in the composites .PT C behavior ,w hich is mor e sensitive and evident when the filler fraction is w ithin t he percolation r eg ion.It also advanced the conductive mechanism based on the analysis of the rela -tion between volume expansion and PT C behav ior. Key words: chopped -carbon fiber/viny-l ester r esin; electrical conductivity ; aspect ratio; P T C 收稿日期:2005-01-30. 基金项目:军工863项目(2003AA 305920).作者简介:于 杰(1980-),男,硕士生.E -mail:yujiejack@https://www.wendangku.net/doc/7111314901.html, 复合型导电高分子材料可以在较大范围内根据需要调节材料的电学、力学性能及其它性能,而且成本较低、易于成型并进行大规模生产,是当前研究开发的重点。其中,碳纤维作为一种纤维状导电填料,填充树脂、橡胶、橡塑共混物等复合型导电高分子材料的研究也经常见诸报道[1,2]。虽然针对碳系填料填充的热塑性树脂复合材料的研究十分广泛,但关于以热固性树脂为基体的导电复合材料的研究却少有报道。以短切碳纤维/乙烯基酯树脂为研究对象,研究了碳纤维含量、长径比及纤维的取向对复合材料导电性能的影响,并对其PT C 效应进行了研究,力图探索短切碳纤维填充热固性树脂基复合材料的导电机理。 1 实 验 1.1 试样制备 碳纤维:PAN 基纤维,型号HTA -12K,由OH O TAYON 公司生产;树脂:3201# 乙烯基酯树脂,上海新华树脂厂生产;固化剂:过氧化苯甲酰,促进剂:环烷酸钴,均由武汉理工大学树脂厂生产。将各长径比(1mm 、3mm 、5mm)的碳纤维按不同的含量(0.5%~10%)与树脂、固化剂及促进剂混合搅拌均匀,浇注到钢模中,140e 下固化20m in,自然冷却,脱模后加工成50m m @20mm @4mm 的片材。

碳纤维复合材料

碳纤维复合材料 编辑本段概况 在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。 编辑本段结构 碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。 碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。 碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。 编辑本段用途 碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。 碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。

碳纤维增强陶瓷基复合材料

题目：碳纤维增强陶瓷基复合材料 抗氧化研究 学生： 学号： 院（系）：材料科学与工程学院 专业：无机非金属材料工程 指导教师： 2013 年 05月22日

碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化研究 （陝西科技大学 710021） 摘要：碳纤维增强陶瓷基复合材料( CFRCMCs) 具有良好的高温力学性能和热性能，是航空航天领域非常理想的热结构材料．但CFRCMCs 中的碳纤维极易发生氧化，因此CFRCMCs 的氧化防护问题一直是CFRCMCs 研究的热点。文章对碳纤维改性、基体抗氧化技术、界面层抗氧化技术和表面涂层技术这四种CFRCMCs 的抗氧化技术及其原理进行了评述，分析了各类抗氧化技术的特点并对其发展趋势进行了展望． 关键词:碳纤维; 陶瓷基复合材料;抗氧化涂层,氧化保护 1 前言 碳纤维增强陶瓷基复合材料（ＣＦＲＣＭＣｓ）由于具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐高温、低密度等优良特性，特别是拥有良好的高温力学性能和热性能，在惰性环境中超过2 000e仍能保持强度、模量等力学性能不降低,拥有良好的断裂韧性和耐磨性能、低线膨胀系数、高热导率、高气化温度和良好的抗热震性能【1】，成为航空航天领域非常理想的热结构材料。但是，在氧化气氛下，碳纤维增强陶瓷基复合材料中碳质材料在４００℃左右发生氧化，使其优异性能难以在高温下长时间保持。而碳纤维增强陶瓷基复合材料的许多应用环境都是具有氧化气氛的。因此，它们在氧化气氛中的表现（包括氧化失重、机械性能的持久性等）及氧化气氛中的氧化保护一直是科研工作者非常关注的问题【2】。 碳纤维增强陶瓷基复合材料的抗氧化性研究主要集中在两个方面:(1)通过对基体材料的处理来增强材料的抗氧化性能,如殷小玮等通过在基体孔隙中渗入融熔Si和Cr反应生成Cr3Si来增强抗氧化性能;https://www.wendangku.net/doc/7111314901.html,bruqu re等通过在碳纤维表层形成B化合物膜层来增强材料抗氧化性能;(2)通过整体抗氧化涂层增强材料的抗氧化性能。在两种处理方式中,整体抗氧化涂层更为有效。本文仅对整体抗氧化涂层的发展进行综述和展望。【3】 2 抗氧化涂层的要求 抗氧化涂层的基本功能是将基体材料与外部的氧化性气氛隔离。要有效地实现其隔离功能,抗氧化涂层体系必须满足一些基本要求:(1)涂层材料在所保护温度围稳定,涂层体系和基体材料有良好的粘接作用,涂层与基体及涂层与涂层之间

碳纤维增强复合材料在汽车上的应用终结版综述

碳纤维增强复合材料在汽车中的应用 摘要 随着汽车工业的飞速发展，减少燃料消耗和降低对环境的污染已成为汽车工业发展和社会可持续发展急需解决的关键问题。汽车的燃料消耗和二氧化碳废气的排放量与汽车重量存在密切的关系，寻找较轻且性能良好的材料代替钢制汽车零件成为一个重要的研究方向。碳纤维增强复合材料具有强度高、重量轻、耐高温、耐腐蚀、热力学性能优良等特点，碳纤维增强复合材料用于制造汽车车身、发动机零件等，可有效降低汽车自重并提高汽车性能，是当前汽车材料轻量化的重要研究发展方向之一。本文介绍了碳纤维增强复合材料的特点、成型工艺及在汽车行业的应用情况，以及碳纤维增强复合材料在汽车应用中存在的问题。 关键词：碳纤维增强汽车应用

1 前言 现在社会汽车已成为人民出行必不可少的交通工具，在汽车给人类带来方便的同时也给环境带来了污染，汽车的燃料消耗和二氧化碳废气的排放量与汽车重量存在密切的关系，美国能源部相关研究表明，美国现有的汽车，如减重25％，每天可节省750,000桶燃油，每年二氧化碳的排放量可减少1.01亿吨，因此汽车轻量化已成为汽车工业技术发展的重要方向。除了对汽车各种零部件结构进行优化设计和改进外，采用高性能轻质材料是实现汽车轻量化的一条重要途径。如选用铝、镁、钛、高强度钢、工程塑料和复合材料等，用以制造汽车车身、底盘、发动机等零部件，可以有效的减轻汽车自重，提高发动机效率。 碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料，是目前最先进的复合材料之一。它以其质量轻、强度高、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腐蚀材料，是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。纤维增强复合材料具有高强度、高模量，已在航天航空等领域广泛使用，是制造卫星、导弹、飞机的重要结构零部件的关键结构材料，同时也受到汽车工业广泛重视，碳纤维增强复合材料在汽车方面主要是汽车骨架、缓冲器、弹簧片、引擎零件等，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。 碳纤维具有比重小、强度高、模量高、耐腐蚀等特点，可用于制造碳纤维增强聚合物、金属、陶瓷基复合材料，是先进复合材料最重要的增强体。碳纤维增强复合材料用于制造汽车车身、发动机零件等，可有效降低汽车自重并提高汽车性能。本文将简述碳纤维增强复合材料的性能特点，及其在汽车工业应用的前景和存在的问题。由于碳纤维增强复合材料的价格昂贵，严重影响其在汽车工业中的应用。因此，发展廉价的碳纤维和高效率碳纤维增强复合材料的生产方法和工艺已成为汽车轻量化材料研究中的关键课题，美国、日本等已将其列为汽车轻量化材料的研究计划。

碳纤维增强复合材料用环氧树脂研究进展

碳纤维增强复合材料用环氧树脂研究进展 摘要：综述了环氧树脂的合成方法、固化方法以及改性的研究现状以及理论知 识，介绍了碳纤维增强环氧树脂复合材料的生产和性能，重点讲述了环氧树脂的改性方法。 关键词：环氧树脂；碳纤维；复合材料；改性 碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量、综合性能优异的新型纤维材料，其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维作为一种高性能纤维,具有高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、抗蠕变、耐辐射、耐疲劳、导电、传热和热膨胀系数小等诸多优异性能。此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1]。碳纤维既可用作结构材料来承载负荷,又可用作功能材料。因此在国内外碳纤维及其复合材料近几年的发展都十分迅速。碳纤维的制备是有机纤维进行碳化的过程，在惰性气体中将含碳的有机物加热到3000℃左右，非碳元素脱离，碳元素含量逐步增大并最终形成碳纤维。其典型的宏观结构如图1所示。 图1 碳纤维的宏观结构 a 整体效果 b 局部效果 1891年德国的Lindmann用对苯二酚和环氧氯丙烷合成了树脂状产物，1909年俄国化 学家Prileschajew发现用过氧化苯甲醚和烯烃反应可生成环氧化合物，在19世纪末20世纪初的这两个重大发现揭开了环氧树脂走向世界的帷幕。环氧树脂是一类重要的热固性树脂,是聚合物复合材料中应用最广泛的基体树脂。环氧树脂具有优异的粘接性能、耐磨性能、机械性能、电绝缘性能、化学稳定性能、耐高低温性能,以及收缩率低、易加工成型和成本低廉等优点,在胶粘剂、电子仪表、轻工、建筑、机械、航天航空、涂料、电子电气绝缘材料及先进复合材料等领域得到广泛应用[2]。我国环氧树脂的研制开始于1956年，在上海、 沈阳两地首获成功，并在1958年于上海首先开始了工业化生产。到了60年代中期国内开始研究新型的环氧树脂，如脂环族环氧树脂、酚醛环氧树脂、缩水甘油酯环氧树脂、聚丁二烯环氧树脂等种类，70年代末着手开发了元素改性环氧树脂、特种环氧树脂等诸多新品种。 经过五十余年的发展，环氧树脂的生产和应用取得了长足的进步，然而和金属等传统材料相比，我国的环氧树脂产业在生产规模、品种数量、产品质量等方面和发达国家仍有较大差距。

碳纤维增强环氧树脂基复合材料研究进展

碳纤维增强环氧树脂基复合材料研究进展 摘要：介绍了碳纤维增强环氧树脂基复合材料的复合结构及体系特性，复合体系的机械性能和复合工艺，复合界面结构的一些表征方法及增强的机理，纤维素表面处理的一些常用方法，以及EP/CF复合材料的一些应用。 关键词：表面处理、增强机理、界面表征、复合工艺、应用 前言： 环氧树脂(EP)/碳纤维(CF)复合材料是CF增强复合材料的一个重要分支。近年来，随着人们对EP/CF复合材料认识的不断深入，其优异的性能不断凸现，促使其用量不断上升。20世纪70年代以前，EP/CF复合材料被视为昂贵的材料，价格约为玻璃纤维(GF)增强复合材料的10倍，只用于军工、宇航等尖端技术行业。20世纪80年代以后，CF工业和EP工业迅速发展，EP/CF复合技术不断进步，加入到EP中的CF比例不断上升，目前CF的体积分数已可达60％以上，使EP/CF 复合材料的质量提高而价格下降，拓宽了其应用领域，进一步促进了EP/CF复合材料的发展。 1. 碳纤维的表面处理 碳纤维复合材料的层间剪切强度一般较差，这是因为碳纤维与树脂之问的粘接力较差所致。为了改善碳纤维复合材料的界面粘接性能．必须对碳纤维表面进行处理。表面处理可起到以下 3种作用。第一，防止弱界面层(Weak boundary layer) 的生成。作为WBL有：①所吸附的杂质、脱模剂等；②界面层老化时形成的氧化层、水合物层等；③与基体的不充分浸润而所束缚的空气层等。第二，产生适合于粘接的表面形态，使增强材料表面生成凹凸，通过抛锚效应而提高界面粘接性能，但凹凸过多粘接也不好，所以应作适当调整。第三，改善树脂和增强材料的亲合力。例如，增强材料和树脂的极性差异很大时，在增强材料表面涂上极性中等的覆盖剂；还可以在表面上进行化学处理，导入一些官能团而提高界面粘接性能等。目前常用的表面处理方法有以下几种： l.1气相氧化法 等)中，在加温、加催化剂等特殊气相氧化法是将碳纤维暴露在气相氧化剂(如空气、O 3 条件使其表面氧化生成一些活性基团(如羟基和羧基)。经气相氧化法处理的碳纤维所制成的CFRP，弯曲强度、弯曲模量、界面剪切强度(IFSS)和层间剪切强度(IISS)等力学性能均可得到