碳纖維增強塑膠

隨著複合材料的不斷開發，除了玻璃纖維增強塑膠之外，又出現了碳纖維增強塑膠、硼纖維增強塑膠等。碳纖維是用粘膠絲、聚丙烯腈纖維和瀝青絲等為原料，在300~1000℃下碳化而成的。碳纖維的直徑極細，有7微米左右，但它的強度卻異常的高。

碳纖維增強塑膠在飛機、火箭、飛彈、宇宙航行方面的套用已越來越廣泛。它首先被用於飛機製造上，可減輕飛機的自重，提高飛行效率。用碳纖維增強塑膠代替鋁合金或鈦合金，可使飛機的總重量減輕15%，如果使用等量的燃料，飛機能增加飛行距離10%，上升率增加10%，起飛時跑道可縮短15%。

基本介紹

• 中文名：碳纖維增強塑膠
• 外文名：Carbon fiber reinforced plastic
• 原料：粘膠絲、聚丙烯腈纖維和瀝青絲
• 製作溫度：300~1000℃
• 直徑：7微米
• 套用：飛機、火箭、飛彈、宇宙航行方面

碳纖維增強塑膠的特性

(1)強度高，彈性好：碳纖維的比強度(即抗拉強度與密度的比值)是鋼的6倍，是鋁的17倍；比模量(即楊氏模量與密度的比值，是物體彈性好壞的一個標誌)是鋼或鋁的3倍以上。比強度高，就能承受較大的工作負荷，其最大工作壓力可用到350公斤/厘米²。此外，它的壓縮率和回彈性均比純F-4及其編織物要大。

(2)耐疲勞和耐磨性好：它的耐疲勞特性，比環氧樹脂高得多，也比金屬材料高；石墨纖維具有自潤滑性，摩擦係數很小，其磨損量比一般石棉製品或F-4編織物小5~10倍。

(3)導熱和耐熱性能好：碳纖維增強塑膠導熱性好，摩擦產生的熱量容易散發出去，內部不易過熱和蓄熱，可以作為動密封材料。在空氣中，它可以在-120~350℃的溫度範圍內穩定工作。隨著碳纖維中鹼金屬含量的減少，使用溫度還有可能進一步提高；在惰性氣體中，它適應溫度可達到2000℃左右，而且能經受冷熱的急劇變化。

(4)耐振動性好：不易發生共振或顫振，也是減振消音的優良材料。

碳纖維增強塑膠基體

碳纖維增強塑膠的基體，可用熱塑性樹脂，也可用熱固性樹脂。為了有效地利用CFRP的比剛度，多用熱固性樹脂作基體，其中最常用的是環氧樹脂；在考慮耐熱穩定性和耐燒蝕的要求時，多用酚醛樹脂和聚醯亞胺等熱固性樹脂，樹脂澆鑄物的撓曲模量愈高，CFRP的撓曲強度也愈好。

酚醛樹脂很早就作為電氣絕緣材料使用。由於是脫水縮合型，固化時必須高溫高壓，因此加工麻煩，套用受限。但酚醛樹脂在高溫熱解時形成碳化產物，能和碳纖維一起形成良好的耐燒蝕材料。

測試方法

碳纖維增強塑膠和硼纖維增強塑膠得到了發展。掌握這些材料的特性，把它用來作為航空及宇宙航行的結構材料，已成為研究重點。要把這些複合材料作結構材料套用，就必須測定它的各種特性。在測定這些性能的試驗中，有靜態強度試驗和動態強度試驗。

靜態強度試驗是指拉伸試驗，抗壓試驗，抗彎試驗，剪下試驗，熱膨脹試驗，熱傳導試驗和測定體積百分率(V1)等。動態試驗是指振動試驗，疲勞試驗，蠕變試驗，衝擊試驗和耐氣候試驗等。只有通過上述試驗，才能被用來作為結構材料。另外，複合材料所特有的試驗方法是用超音波或雷射，從波形圖上測定它的分層和粘合情況，克服複合材料可靠性差這一弱點的研究工作，也正在受到重視。

然而，碳纖維增強塑膠和硼纖維增強塑膠尚未確立統一的試驗方法，世界各國，各企業中都有各自的方法，英國RAE (皇家航空研究所)正在努力謀求以它為主地提出統一規範，由於碳纖維增強塑膠和已熟悉的玻璃纖維增強塑膠在性質上有很大的差異，因而它們的試驗方法也應該有較大的不同。

碳纖維增強塑膠的套用

(1)做密封填料：用碳纖維增強聚四氟乙烯材料，可製成耐腐蝕、耐磨損、耐高溫的密封環或盤根；用於靜密封時壽命則更長，比一般油浸石棉盤根長10多倍。它在負荷發生變化和急冷、急熱情況下，都能保持密封性能，並且由於材料不含有腐蝕性物質，因此對金屬不會發生點蝕。

(2)做承磨零件：利用它具有自潤滑性的特點，可以做特殊用途的軸承、齒輪和活塞環。如航空儀表和磁帶錄音機用的無油潤滑軸承，電氣傳動內燃機車用的無油潤滑齒輪(可避免滲漏油引起的事故)，壓縮機上的無油潤滑活塞環等。此外，還可利用它無毒性的特點，用於食品和醫藥工業做滑動軸承或密封件。

(3)做航天、航空、飛彈的結構材料。碳纖維增強塑膠從七十年代問世以來，發展很快，套用日益廣泛。我國在1980年已試製成功並投入生產，用於化工、石油、 電力、機械等行業， 作為旋轉或往復式動密封或各種靜密封材料。