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第1章 緒論

1.1 炭纖維復合材料的定義、分類

1.1.1 炭纖維

炭纖維(carbon fiber,CF),是纖維狀的炭素材料,含碳量在90%以上,其中含碳量高于99%的稱為石墨纖維。與傳統的玻璃纖維(GF)相比,抗拉模量是其3倍多;與凱芙拉纖維(KF-49)相比,不僅抗拉模量是其2倍左右,而且在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹,耐蝕性出類拔萃,特別是在2000℃以上高溫惰性環境中,是唯一強度不下降的材料,因此炭纖維在國際上被稱為繼石器和鋼鐵等金屬之后的“第三代材料”。炭纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維是當今世界三大高性能纖維。炭纖維是軍民兩用新材料,屬于技術密集型和政治敏感的關鍵材料。

炭纖維按原材料的不同主要分為聚丙烯腈基(PAN)炭纖維、瀝青基炭纖維和黏膠基炭纖維。按力學性能的不同分為通用型纖維和高性能型纖維。通用型炭纖維強度為1000MPa、模量為100GPa左右。高性能型炭纖維又分為高強型(強度2000MPa,模量250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。強度大于4000MPa的又稱為超高強型;模量大于450GPa的稱為超高模型。在聚丙烯腈基炭纖維中,日本東麗公司的炭纖維為國際公認的代表性產品,分為T系列(炭化產品)、M系列(石墨化產品),規格有T300(抗拉強度大于3000MPa)、T700(抗拉強度大于4500MPa)、T800(抗拉強度達到5490MPa)和T1000(抗拉強度大于7000MPa)等,如圖1.1所示。

圖1.1 東麗公司生產的炭纖維性能分布圖1

根據產品規格的不同,炭纖維目前被劃分為工業級和宇航級兩類,亦稱為大絲束炭纖維和小絲束炭纖維。通常把48K以上炭纖維稱為大絲束炭纖維,包括48K、60K、120K、360K和480K等。小絲束炭纖維初期以1K、3K、6K為主,后來逐漸發展為12K和24K。

炭纖維主要有四種產品形式(如圖1.2所示):炭纖維、炭布、預浸料坯和短切纖維。炭布指的是由炭纖維制成的織品;預浸料坯是將炭纖維按照一個方向一致排列,并將炭纖維或布料經樹脂浸泡使其轉化成片狀;短切纖維指的是炭纖維短絲。

圖1.2 炭纖維產品形式

1.1.2 炭纖維復合材料

炭纖維復合材料(carbon fibers reinforced composites),是以炭纖維作為增強體,炭、樹脂、陶瓷和金屬等作為基體所形成的一種新型固體材料2

炭纖維復合材料不僅密度低,比強度大、比模量高、高溫性能好和熱穩定性高,而且具有可設計性。它們按照用途可以分為結構型、功能型、結構功能型和智能型炭纖維復合材料。

按照基體的種類可以分為炭纖維增強聚合物基(熱固性樹脂基、熱塑性樹脂基)、炭纖維增強炭基、炭纖維增強陶瓷基、炭纖維增強金屬基(包括輕金屬基,高熔點金屬基與金屬間化合物基)、炭纖維增強橡膠和炭纖維增強水泥基復合材料。

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