周 菁

（安徽三聯(lián)學(xué)院 機械工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601）

1 研究背景

碳纖維是一種含碳量在90%以上的高強度高模量纖維，具有比強度高、比模量高、耐熱、耐磨損、質(zhì)量輕、耐化學(xué)腐蝕等特點，因而成為近些年來復(fù)合材料當(dāng)中重要的增強材料之一。其復(fù)合材料常被用于土木建筑、體育器材、航空航天和軍工領(lǐng)域等。近年來，也成為了增強材料中研究的熱點，包括碳纖維表面處理、碳纖維增強復(fù)合材料，碳纖維布表面處理及其復(fù)合織物的研究等。沒有經(jīng)過處理的碳纖維表面呈現(xiàn)疏水性，存在活性比表面積小、表面邊緣活性碳原子數(shù)目少和表面能低等缺點，與樹脂基體之間的粘結(jié)性能較差，因此需要對碳纖維進行表面改性，如圖1 所示。

2 碳纖維增強復(fù)合材料

碳纖維作為復(fù)合材料有其優(yōu)點，也有其不足。首先，碳纖維表面官能團較少，化學(xué)性質(zhì)不活潑且表面平滑，導(dǎo)致其與樹脂難以實現(xiàn)良好浸潤，復(fù)合材料界面性能下降，碳纖維與樹脂基體之間的界面結(jié)合力較弱，受外力作用時復(fù)合材料界面易先被破壞，無法有效地將載荷傳遞到碳纖維，從而限制了碳纖維復(fù)合材料的綜合性能。復(fù)合材料的界面層容易在外力作用下產(chǎn)生微裂紋，引發(fā)應(yīng)力集中并最終破裂。即使通過其他方法增強了界面層，仍無法避免微裂紋的產(chǎn)生。而界面破裂后不僅難以發(fā)現(xiàn)，且無法自行復(fù)原，因此界面破壞后材料性能將明顯降低，同時大大影響復(fù)合材料的使用壽命。此外，碳纖維直徑較細，存在比表面積小、活性比表面積小、碳原子數(shù)目少和表面能低等缺點，導(dǎo)致其表面疏水，與基體之間的接觸角大，進而影響碳纖維與復(fù)合材料之間的粘結(jié)性[1-2]。

陳紀強[3]通過碳纖維表面改性工藝、利用化學(xué)氣相沉積生長碳納米管／碳納米纖維，結(jié)果表明其復(fù)合材料増加了碳纖維表面粗糙度以及纖維與樹脂之間的結(jié)合面積，顯著改善了界面結(jié)合效果。何焯健以化學(xué)改性為主要方法增強了碳纖維與樹脂基體的界面強度，并引入界面修復(fù)，從而提升了該復(fù)合材料的界面性能。鄢飛構(gòu)建碳納米管/銅/碳纖維多尺度結(jié)構(gòu)，將銅粒子與碳納米管同時沉積到碳纖維表面，起到增強界面強度的作用，通過SEM 結(jié)果表明銅和碳納米管均勻地修飾到了碳纖維表面，并實現(xiàn)同步沉積。郭婷婷[4]采用電聚合方法改性碳纖維，結(jié)果表明電聚合改性后的碳纖維與環(huán)氧樹脂基體之間粘結(jié)性能提升。李艷[5]采用陽極氧化法和熱壓成型法制備碳纖維金屬層板，指出碳纖維（CF）預(yù)浸漬工藝能增強CF 與基體的界面結(jié)合，從而使得Al/CF/PA6 復(fù)合層板的力學(xué)性能有所提高，其中彎曲強度和沖擊強度都得到了提高。

碳纖維本身具有可編織性，因此有學(xué)者通過碳纖維織物來增強復(fù)合材料，另外編織物上可以附著其他物質(zhì)，因此通過加入其他物質(zhì)可增強編織物的相關(guān)機械性能。碳纖維布復(fù)合材料包括碳布、樹脂粘結(jié)劑以及填料，可以得到具有良好耐磨損性能的復(fù)合材料[6]。K.Kumaresan[7]研究了SiC 填料對碳布復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)SiC 的加入能夠提高復(fù)合材料的表面硬度。Feng-hua Su[8]等人研究了不同納米顆粒的加入對材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)納米CaCO3、納米TiO2以及納米SiO2的加入都能夠提高碳纖維織物的力學(xué)性能和耐磨性能。其中，納米CaCO3對提高材料的耐磨性最有效。

潘廣鎮(zhèn)研究了碳纖維布復(fù)合材料的摩擦性能，概括了國內(nèi)外碳纖維布復(fù)合材料的組成、制備工藝和摩擦磨損機理方面的研究現(xiàn)狀，并指出碳布表面處理方法和納米顆粒改性相關(guān)研究工作使碳布復(fù)合材料的物理機械性能和摩擦磨損性能不斷提高。

3 碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

碳纖維因其材料的優(yōu)越性，因此其復(fù)合材料常被用于土木建筑、體育器材、航空及軍工等。碳纖維是衛(wèi)星、火箭、艦船及導(dǎo)彈等相關(guān)武器裝備必不可少的材料，其在戰(zhàn)略導(dǎo)彈的應(yīng)用上，可極大得減輕重量，提高導(dǎo)彈射程。另外，碳纖維在艦艇上也因其可減輕重量，并且碳纖維不會產(chǎn)生腐蝕等緣故。正因為碳纖維可大幅度地降低結(jié)構(gòu)重量，因此可顯著提高燃料效率。采用碳纖維為基礎(chǔ)材料制成的火箭、飛機、衛(wèi)星等裝置，因其質(zhì)量小而動力消耗少，可節(jié)約不少燃料，并且噪音還小。

沈真[9]探討了碳纖維復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，指出碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于在空客A380、A350 和波音787 飛機中。張新元[10]介紹了碳纖維復(fù)合材料在火箭、導(dǎo)彈和高速飛行器等航空航天領(lǐng)域。由于碳纖維碳纖維管制作的桁梁構(gòu)架比鋼材輕，因此也常用于土木建筑中，也可以用于補強混凝土結(jié)構(gòu)時。玻璃纖維和碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以提高風(fēng)力發(fā)電機葉片的捕風(fēng)能力,質(zhì)量輕、強度高、成為目前大型風(fēng)力發(fā)電機葉片的首選材料。此外，利用碳纖維不僅可提高葉片的承載能力,還可因碳纖維具有導(dǎo)電性而有效避免雷擊對葉片造成的損傷，因此廣泛應(yīng)用于翼緣等對材料強度和剛度要求較高的部分。此外，碳纖維還經(jīng)常用于體育器材的應(yīng)用上，例如高爾夫球桿、弓箭、自行車等。

4 結(jié)語

碳纖維作為增強材料，具有良好的性能，而被廣泛應(yīng)用。碳纖維的廣泛應(yīng)用在我們的生活當(dāng)中也是隨處可見的，足以證明其材料本身的優(yōu)異。但其實碳纖維本身還是存在一些不足的，重要的是通過一些方法對碳纖維進行處理，進而發(fā)揮出它的優(yōu)勢乃是需要探討的。通過對碳纖維的研究，會更加地了解這種材料的特性，從而更好地利用這種材料。通過對碳纖維性能的探討，對我們利用其他的碳材料，例如碳納米管纖維等，也提供了新的研究思路。