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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划碳纤维增强树脂基复合材料(共2篇)碳纤维增强树脂基复合材料性能的研究摘要：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(Compositematerials
2、)，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
3、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。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
4、能,主要表现在以下几个方面。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，比铝合金和玻璃钢还轻，使其比强度是高强度钢、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。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。热膨胀系数小。碳纤维的热膨胀系数具有显著的各向异性，使其复合材料的
5、也具有各向异性。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=KLaa=(b+2)/3N=/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。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。耐水性好。碳纤维复合
6、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。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。射线透过性。CFRP对X射线透过率大，吸收率小，可在医疗器材方面应用。2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
7、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
8、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】。1实验部分实验原料碳纤维：台湾台塑厂；环氧树脂E51：星辰化工无锡树脂厂；固化剂：二乙烯三胺分析纯，国药集团化学试剂有限公司；活性稀释剂：市售。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。复合材料的制备将碳纤维干燥，条件为：150/2h；按规定配比配制树脂胶液；采用手糊成型工艺制作层合板，并固化，固化条件为100/3h+150/2h；用万能制样机切割标准样条；其中制作的层合板长宽为200mm200mm
9、，厚度为5mm的方形板材，基体树脂每层用量为20g，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/C
10、F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(Weakboundarylayer)的生成
11、。作为WBL有：所吸附的杂质、脱模剂等；界面层老化时形成的氧化层、水合物层等；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：气相氧化法气相氧化法是将碳纤维暴露在气相氧化剂(如空气、O3等)中，在加温、加催化剂等特殊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
12、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有效提高，但材料的冲击强度降低较大。此法按氧化剂的不同，通常分为空气氧化法和臭氧氧化法。采用空气氧化时，氧化温度对处理效果有显著影响。王玉果等对碳纤维在400空气氧化处理1h和450空气氧化处理1h后制成的三维编织碳纤维/环氧复合材料进行研究，发现其力学性能除冲击强度外均随处理温度的升高而增加，CFRP的整体力学性能得到了明显的改善。臭氧氧化法由于具有时间短、设备工艺简单、氧化缓和等特点，也得到了广泛的应用。贺福等用臭氧氧化处理PAN基碳纤维，发现复合材料的界面粘结紧密，断裂
13、形貌由多剪转变为抗剪。冀克俭等采用臭氧氧化法对碳纤维进行了表面处理，发现碳纤维表面羟基或醚基官能团的含量提高，其与环氧树脂制成复合材料后的ILSS提高35。近年来，利用惰性气体氧化法进行表面处理，也得到了研究人员的关注。西北工业大学的卢锦花等，将碳纤维在氩气保护、2200的高温下处理2h，发现C/C复合材料的弯曲强度提高75，断口扫描表明断裂以脆性断裂为主，纤维与基体的结合强度较高。12液相氧化法液相氧化法是采用液相介质对碳纤维表面进行氧化的方法。常用的液相介质有浓硝酸、混合酸和强氧化剂等。最常见的液相氧化剂是浓硝酸，浓度一般在60一70。浓度过高则纤维在氧化过程中被强酸腐蚀，强度损失较大，导
14、致CFRP的ILSS提高不显著。万怡灶等用65的浓硝酸在煮沸下处理PAN基碳纤维，制得的C/PLA复合材料的宏观力学性能均有一定提高。液相氧化法相比气相氧化法较为温和，一般不使纤维产生过多的起坑和裂解。但是其处理时间较长，与碳纤维生产线匹配难，多用于间歇表面处理。13阳极氧化法阳极氧化法，又称电化学氧化表面处理，是把碳纤维作为电解池的阳极、石墨作为阴极，在电解水的过程中利用阳极生成的“氧”，氧化碳纤维表面的碳及其含氧官能团，将其先氧化成羟基，之后逐步氧化成酮基、羧基和CO2的过程。要求水的纯度高，如果水中有杂质，其负离子电极位低于氢氧根负离子的电极位，则阳极得不到氧气；还要求正离子电极位低于氢
15、正离子电极位，以保证阴极只有放氢反应；此外电极必须是惰性的，不参加电化反应。刘鸿鹏等以石墨板为阴极、PAN基碳纤维为阳极，通过改变电解条件进行连续阳极氧化处理。该法使碳纤维表面含氧官能团的摩尔分数达854，表面吸附水的摩尔分数增加了534，极大地提高了碳纤维的表面浸润性能。阳极氧化法对碳纤维的处理效果不仅与电解质的种类密切相关，并且增加电流密度与延长氧化时间是等效的。14等离子体氧化法等离子体是具有足够数量而电荷数近似相等的正负带电粒子的物质聚集态。用等离子体氧化法对纤维表面进行改性处理，通常是指利用非聚合性气体对材料表面进行物理和化学作用的过程。非聚合性气体可以是活性气体(如O2、NH3、SO2、CO等)，也可以是惰性气体(如He、N2、Ar等)。常用的是等离子体氧，它具有高能高氧化性。当它撞击碳纤维表面时，能将晶角、晶边等缺陷或双键结构氧化成含氧活性基团(如羧基，羰基和羟基等)。黄玉东等将碳纤维经等离子体空气处理后制成碳纤维，酚醛复合材料，当处理时间为20min时，IISS和单纤维与基体树脂间界面微脱粘力分别提高了和，其最终制品的界面结合性能提高40以上。熊杰等用冷等离子体氧处理碳纤维，其CFRP-水泥砂浆最大断裂荷载和韧性指数提高的幅度都十分显著。15表面涂层改性法表面涂层改性
