碳纖維增強材料與樹脂基體組成的材料稱為碳纖維樹脂複合材料或碳纖維增強塑膠。碳纖維與玻璃纖維相比較，具有高的彈性模量，是玻璃纖維的4~6倍，抗拉強度也略高於它。碳纖維還具有較好的高溫性能。因此當碳纖維和環氧樹脂、酚醛樹脂、聚四氟乙烯等樹脂基體結合在一起組成複合材料時，不僅保持了玻璃鋼的許多優點，同時在許多性能方面還超過了玻璃鋼。例如，碳纖維-環氧樹脂複合材料的強度和彈性模量都超過鋁合金，甚至接近於高強度鋼，彌補了玻璃鋼彈性模量低的缺點。又兼其比重比玻璃鋼還要小，因此它成為目前比強度與比模量最高的複合材料之一。由於碳纖維彈性模量高，故其複合材料零件允許在極限應力狀態下服役， 克服了玻璃纖維樹脂複合材料只允許在低於極限應力60%的條件下使用的缺點。碳纖維增強塑膠在高溫老化試驗中的強度損失，也比玻璃鋼小。此外在抗衝擊性能、抗疲勞性能、減摩耐磨性能、自潤滑性、耐腐蝕性以及耐熱性等，都有顯著優點。
基本介紹
- 中文名：碳纖維樹脂複合材料
- 外文名：Carbon fiber resin composite
- 又稱：碳纖維增強塑膠
- 優勢：彈性模量，抗拉強度高
- 樹脂材料 ：環氧樹脂、酚醛樹脂、聚四氟乙烯
- 套用：化工泵、高壓泵、液壓系統等
套用,碳元素結構,碳纖維的優勢,碳纖維樹脂複合材料的特點,
套用
碳纖維增強塑膠在機械工業上主要用於一些承載零件(如連桿)、耐磨零件(軸承、密封圈、 活塞、襯墊板)、耐腐蝕零件(化工泵、高壓泵、液壓系統的動力密封裝置和管道、容器)。作為齒輪材料的用量也較大，它可以達到金屬齒輪那樣的設計要求，而且重量輕，又有自潤滑等優點。作為汽車零件材料時，可使自重降低1/3，節約燃料效果十分顯著。此外，它可以製作飛機翼尖、尾翼、起落架及機內許多零件。在火箭、飛彈的鼻錐體，火箭的噴嘴及人造衛星支架等方面也被選用。總之， 碳纖維樹脂複合材料的出現，為現代工業和現代科學技術事業提供了優良材料。
碳元素結構
碳元素具有同素異構現象，常見的有無定形碳、石墨和金剛石。由於分子結構不同，性能差異很大。前者幾乎沒有強度；後者則具有很高的強度和硬度。石墨的分子結構是層狀的六方晶體結構，呈現各向異性：平行於層面方向的強度和彈性模量高，而垂直於層面方向的強度和彈性模量則較低。碳纖維就是一種由許多石墨晶體組成的多晶纖維。儘管這些晶體在纖維內的排列是不規則的，但為獲得高強度和高模量的碳纖維，希望纖維中石墨層面的方向平行於纖維軸線方向。通常，把石墨晶體層面和纖維軸線的交角叫取向角。碳纖維中石墨晶體規整度越高、取向角小，則機械強度和彈性模量越高。碳元素在真空常壓下於4000℃升華，在10MPa的壓力，3700℃真空高溫下可得到液態的碳。顯然，若用像有機高分子材料製取纖維的方法將困難重重。
碳纖維的優勢
碳纖維是用人造纖維為原料，在隔絕空氣的條件下經高溫碳化而成的。用作碳纖維的原料要求在加熱升溫時不熔化、不劇烈分解。工業上常用的原料是腈綸、瀝青和人造粘膠纖維。它們在200-300℃的空氣中並施加一定的張力進行預氧化處理，然後在氮氣的保護下，在1000-500℃的高溫下進行碳化處理，即可製成含碳量為85%-95%的碳纖維。
如果將碳纖維在2500-3000℃的高溫下，在氮氣中進行石墨化處理，則碳纖維中的石墨晶體沿著纖維方向的排列會更加整齊，從而提高了彈性模量。經過石墨化處理的碳纖維又稱石墨纖維或高模量碳纖維。與玻璃纖維相比，碳以石墨方式出現，是六方晶體結構，六方底面上的原子以強大的共價鍵結合，所以碳纖維比玻璃纖維具有更高的強度，更高的彈性模量；其抗拉強度比玻璃纖維略高，而彈性模量則是玻璃纖維的4-6倍。玻璃纖維在300℃以上時的強度會逐步下降，碳纖維在達到2000℃以上的高溫下強度和彈性模量基本上保持不變；在-180℃以下的低溫下也不變脆。碳纖維比強度和比模量是一切耐熱纖維中最高的。所以，碳纖維是比較理想的增強材料，可用來增強塑膠，碳、金屬和陶瓷等。
碳纖維樹脂複合材料的特點
碳纖維通常和環氧樹脂、酚醛樹脂、聚四氟乙烯等組成複合材料。它們不僅保持了玻璃鋼的許多優點，而且許多性能優於玻璃鋼。這類材料的密度比鋁輕，強度與鋼接近。彈性模量比鋁合金大，疲勞強度高，衝擊韌性高，同時耐水和濕氣，化學穩定性高，導熱性好，受X射線輻射時其強度和模量不變化等。它還具有優良的耐磨減摩性及自潤滑性、耐腐蝕、耐熱等優點。因此它的比強度和比模量在現有複合材料中名列前茅。碳纖維-環氧複合材料的強度和彈性模量都超過鋁合金而接近於高強度鋼，完全彌補了玻璃鋼彈性模量小的缺點。此外，玻璃纖維樹脂複合材料由於彈性模量低，應變數也相應較大，當應變到1%-2%時，樹脂要發生碎裂。因此，設計玻璃鋼零件時，其允許承載應力不超過極限應力的60%。而碳纖維則因彈性模量大，設計時可以允許在極限應力條件下使用。另外，在高溫老化試驗中，碳纖維樹脂複合材料的強度損失也比玻璃鋼小。因此，碳纖維樹脂複合材料可以製作宇宙飛行器的外層材料，人造衛星和火箭的機架、殼體、天線構架。在機械工業中，碳纖維樹脂複合材料用作承載零件(如連桿)和耐磨零件(如活塞、密封圈)以及像齒輪、軸承等承載耐磨零件。它還用作有抗腐蝕要求的化工機械零件，如容器、管道、泵等。但這類材料不足之處是，碳纖維與樹脂的黏結力不夠大，各向異性程度較高，耐高溫性能差等。
