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。