[理学]碳纤维增强环氧树脂基复合材料研究进展讲解学习

碳纳米管/连续碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能研究赵东林乔仁海沈曾民（北京化工大学可控化学反应科学与技术基础教育部重点实验室，碳纤维及复合材料研究所北京 100029）摘要：用竖式炉流动法，以二茂铁为催化剂，硫为助催化剂，苯为碳源制备了碳纳米管。

用T300连续碳纤维和多壁碳纳米管为增强体，环氧树脂为基体，制备了单向碳纤维与碳纳米管增强的树脂基复合材料，并研究了复合材料的力学性能，碳纤维的体积分数为60％。

基体中碳纳米管含量为0时，复合材料的断裂强度为1430Mpa，模量为118GPa；基体中碳纳米管含量为1wt％时，复合材料的断裂强度为1450MPa，模量为166GPa；基体中碳纳米管含量为3wt％时，复合材料的断裂强度为1780MPa，模量为164GPa；基体中碳纳米管含量为5wt％时，复合材料的断裂强度为1120MPa，模量为126GPa。

基体中碳纳米管含量为3wt％时，复合材料的力学性能最好。

关键词：碳纳米管，连续碳纤维，复合材料1 引言自1991年Iijima发现碳纳米管以来[1]，碳纳米管引起人们的广泛关注，成为化学、物理和材料等科学领域的研究热点。

制备碳纳米管的方法主要有石墨电弧法(又称直流电弧法)、催化裂解法、激光蒸发石墨棒法、热解聚合物法、火焰法、离子(电子束)辐射法、电解法、模型碳化等[2-9]，其中以Fe、Co、Ni等金属为催化剂，催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，使碳纳米管的工业化生产成为可能。

碳纳米管多种多样的形状和结构，使其具有许多潜在的应用价值，如用于材料的增强、一维量子导线、半导体材料、催化剂载体、分子吸收剂、隧道扫描和原子力显微镜的探头等。

碳纳米管具有管径小、长径比大的特点，直径在几十纳米以内，管的轴向长度为微米至厘米量级，是目前最细的纤维材料，这种独特的结构使碳纳米管具有优异的力学性能和独特的电学性能。

实验表明，单根多层碳纳米管杨氏模量平均为1.8 TPa，弯曲强度达14.2GPa[10]。

碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备及力学性能研究碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备及力学性能研究摘要：碳纤维增强环氧树脂基复合材料具有出色的力学性能和优异的耐腐蚀性能，因此在许多领域广泛应用。

本研究使用真空浸渍工艺制备了碳纤维增强环氧树脂基复合材料，并对其力学性能进行了详细研究。

结果表明，制备过程中的浸渍时间、浸渍压力和固化温度对复合材料的力学性能有显著影响。

1. 引言碳纤维增强环氧树脂基复合材料被广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域。

其具有轻质、高强度、高模量、优异的耐腐蚀性能等特点，因此在替代传统金属材料方面具有巨大潜力。

本研究旨在通过真空浸渍工艺制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料，并对其力学性能进行评估和分析。

2. 实验方法2.1 材料准备碳纤维和环氧树脂材料被选作本实验的主要原料。

碳纤维具有优良的力学性能和导电性能，是制备复合材料的理想选择。

环氧树脂具有良好的粘接性能和化学稳定性，可以作为基体材料。

同时，活性固化剂和助剂用于提高复合材料的性能。

2.2 制备过程（1）将环氧树脂均匀涂布在碳纤维上；（2）将涂布好的碳纤维经过真空排气处理；（3）将预处理好的碳纤维进行真空浸渍；（4）浸渍后的碳纤维进行固化过程。

2.3 力学性能测试采用传统的拉伸试验和冲击试验评估复合材料的力学性能。

拉伸试验用于评估复合材料的拉伸强度、弹性模量和断裂应变，冲击试验用于评估复合材料的冲击强度。

3. 结果与讨论3.1 浸渍时间通过改变浸渍时间，研究了浸渍时间对复合材料力学性能的影响。

结果表明，随着浸渍时间的增加，复合材料的拉伸强度和弹性模量呈增加趋势，但当浸渍时间过长时，力学性能开始下降。

这是由于过长的浸渍时间导致材料内部产生孔隙和缺陷。

3.2 浸渍压力通过改变浸渍压力，研究了浸渍压力对复合材料力学性能的影响。

结果显示，随着浸渍压力的增加，复合材料的强度和韧性都得到了提高。

这是由于高压可以更好地填充碳纤维与环氧树脂之间的空隙，提高界面的粘合强度。

收稿:2011-04-25;修回:2011-07-18;基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2009A A03Z528);作者简介:邱军,男,工学博士,教授,博士研究生导师,研究方向为高性能聚合物基复合材料;E -mail :qiujun @tong ji .edu .cn .碳纳米管及碳纤维增强环氧树脂复合材料研究进展邱　军,陈典兵(同济大学材料科学与工程学院,先进土木工程材料教育部重点实验室,上海　201804) 摘要:碳纳米管与碳纤维具有优异的力学、电学等性能,广泛用做复合材料增强体,但目前碳纳米管/碳纤维/环氧树脂复合材料的研究具有一定的局限性,只考虑了两相材料间的作用,即仅对单一相进行处理而忽略了另一相的改性。

本文从碳纳米管/碳纤维协同增强环氧树脂基体复合材料的思路入手,结合自己的研究成果,综述了国内外相关研究进展。

从研究结果可以看出,将三相材料之间完全有效地联系起来,发挥三者间的协同效应,复合材料的性能可以发生质的飞跃。

关键词:碳纳米管;碳纤维;环氧树脂;三相复合材料引言日本科学家Iijim a [1]在1991年首次发现碳纳米管(CN Ts )。

碳纳米管具有着优异的力学、电性能和热性能,抗拉强度达到200GPa ,弹性模量可达1TPa ,并且具有低密度、高长径比等结构特点,因此成为聚合物复合材料的理想增强材料。

碳纤维(CF )具有十分优异的力学性能,同时耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、低热膨胀系数、导电导性、电磁屏蔽性优良等。

碳纤维复合材料同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,广泛应用于航空航天、汽车、电子电气等领域[2]。

环氧树脂(EP )是一种高性能复合材料基体,具有优良的机械性能、绝缘性能、耐腐蚀性能、黏接性能和低收缩性能。

当前以环氧树脂为基体的高性能复合材料应用广泛,碳纳米管/环氧树脂复合材料和碳纤维/环氧树脂复合材料凸显了优异的力学和综合性能,那么如何再进一步提高这两类复合材料的性能呢?本文在简要综述碳纳米管和碳纤维对环氧树脂复合材料性能改善的前提下,进一步综述了碳纳米管/碳纤维/环氧树脂三相复合材料的研究进展,并对其可能的发展进行了预测。

耐高温碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备探究摘要：碳纤维增强环氧树脂基复合材料是当前阶段应用范围较广的一种复合材料，因其各方面的性能优势而受到更多行业的青睐，进入新时期之后，其耐高温性能受到更多的重视，文章从崭新的角度思考该项材料的制备过程。

文章就耐高温碳纤维增强环氧树脂基复合材料概述、制备流程进行了分析与论述。

关键词：耐高温；碳纤维；环氧树脂；复合材料；制备引言探究耐高温碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备过程，需明确其制备所需的基本条件、材料等，通过各种途径严控制备过程，降低各种变量对其制备过程的影响，以此来保证其基本性能。

1 耐高温碳纤维增强环氧树脂基复合材料概述碳纤维增强环氧树脂基复合材料指的是基体为环氧树脂、增强材料为碳纤维的一种全新的复合材料，其性能优势主要表现在：加工成型简单、抗化学腐蚀能力强、可设计性高、强度高、质量小等，已经广泛用于交通运输、国防军工、航空航天等领域。

而在该项复合材料应用领域逐渐扩张的背景下，其性能又被提出更高要求，比如耐高温性能等，就当前阶段来说，采用热熔法制备的一种碳纤维增强环氧树脂基复合材料有着更好的应用性能，而制备该项材料所用的树脂则多是进口而来的环氧树脂预浸料体系。

结合以上技术要求，基于具备高耐热性能的二聚酸改性缩水甘油胺类环氧树脂，制造一种通过热熔膜工艺制造而成的碳纤维增强环氧树脂预浸料环氧树脂体系，可引入二聚酸二缩水甘油胺类环氧树脂，其耐高温、柔韧性好，有着高延展、弹性、柔韧性的固化物体系，与碳纤维完成复合，在热压之后制备而成耐高温的碳纤维增强环氧树脂基复合材料[1]。

2 耐高温碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备流程2.1 准备制备原料制备原料与对应的规格如下表1所示：2.2 材料制备过程（1）制备环氧树脂胶膜。

其一，按照固定配方准备促进剂、固化剂、对应类型的环氧树脂；在低粘度TDE-85、DFA-TGDDE中分散促进剂、固化剂，高速搅拌，如此可使得各项材料在树脂中分散均匀；其二，加入DFA-TGBAPP、NPCN-701，维持在大约75℃的高温下搅拌，其后混匀混合→脱泡→冷却；其三，称量约5g树脂，存放在离型纸之上，并在大约70℃的高温下预热超过1min；其四，增加压力到7kPa，保持恒定温度30s，其后冷却之后再置于单独的瓶子内存放以备用[2]。

碳纤维及其复合材料研究进展（江苏理工学院材料工程学院12110116 于小健）摘要：本文在对碳纤维介绍的基础上，简单阐述了碳纤维的结构、特性及分类，并着重介绍了碳纤维复合材料的性质、分类、应用及成型方法，包括手糊成型，树脂传递模塑，喷射成型，注射成型，纤维缠绕成型及拉挤成型工艺。

关键词：碳纤维；复合材料；分类；成型Research progress of carbon fiber composite material Abstract: Based on the introduction of carbon fiber, briefly discusses the structure, characteristics and classification of carbon fiber, and emphatically introduces the properties of carbon fiber composite materials, classification, application and molding method, including hand lay-up molding, resin transfer molding, injection molding, Forming and pultrusion fiber windingKeywords: carbon fiber; composite material; classification; molding0.序言碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料。

它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。

碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备及其性能研究介绍随着科技的不断发展，复合材料在工业和民用领域中得到广泛应用。

而碳纤维增强环氧树脂复合材料是目前最常用的一种，它具有力学性能优良、耐热、防腐等优点，因而在航空航天、汽车、体育器材等领域中得到广泛应用。

本文将介绍碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备及其性能研究。

制备方法碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法分为手工层坯法和机械自动化层坯法两种。

手工层坯法主要是通过手工将碳纤维叠放、涂覆环氧树脂制成层坯，其中的纤维层坯配比和工艺控制都在操作工的经验和技术控制下完成。

这种制备方法的优点是成本低，缺点是不易保证工艺质量稳定。

机械自动化层坯法是通过机械化设备将碳纤维层坯制成复合材料。

将预先切好的纤维根据设计图样放置在模具中，然后通过涂胶、烘干、压制等多道工序制成复合材料。

这种制备方法的优点是工艺质量稳定，缺点是设备投资大，成本相对较高。

性能研究碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能优良，主要体现在以下三个方面：1、高强度和高刚度。

碳纤维本身就是一种优质的高强度、高模量材料，而环氧树脂的刚度也比较高，在二者结合后可以弥补各自的不足，大大提高复合材料的力学性能。

2、疲劳性能好。

研究表明，碳纤维增强环氧树脂复合材料的能够承受大量的疲劳循环，在动载情况下具有良好的应用前景。

3、耐热性好。

环氧树脂在高温下仍能保持较好的力学性能，而碳纤维能够对高温下膨胀进行补偿，从而使得复合材料的高温性能大大提高。

总结本文介绍了碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法和性能研究，这种材料具有力学性能优良、耐热、防腐等优点，已经在航空航天、汽车、体育器材等领域中得到广泛应用。

随着科技的不断进步，我们相信这种材料会有更广泛的应用前景。

碳纤维增强环氧树脂复合材料性与结构及研究1.1.1 复合材料定义复合材料，是指把两种以上宏观上不同的材料，合理地进行复合而制得的一种材料，目的是通过复合材料来提高单一材料所不能发挥的各种特性。

1.1.2 EP/CF复合材料的应用环氧树脂（EP）/碳纤维（CF）复合材料具有比强度、比模量高，密度小，结构尺寸稳定，耐热、耐低温及材料性能可设计等优点，其既可以作为结构材料承载又可以作为功能材料发挥作用，已成为航空航天领域的首选材料。

1.2 双酚A型环氧树脂1.2.1 双酚A型环氧树脂的定义双酚A型环氧树脂是由环氧氯丙烷与双酚A（二酚基丙烷）在碱性催化剂作用下反应而生成的产物，1.2.2 双酚A型环氧树脂的固化原理在环氧树脂的结构中有羟基（〉CH—OH）、醚基（—O—）和极为活泼的环氧基存在，羟基和醚基有高度的极性，使环氧分子与相邻界面产生了较强的分子间作用力，而环氧基团则与介质表面（特别是金属表面）的游离键起反应，形成化学键。

因而，环氧树脂具有很高的黏合力，用途很广，商业上被称作“万能胶“。

此外，环氧树脂还可做涂料、浇铸、浸渍及模具等用途。

但是，环氧树脂在未固化前是呈热塑性的线型结构，使用时必须加入固化剂，固化剂与环氧树脂的环氧基等反应，变成网状结构的大分子，成为不溶且不熔的热固性成品。

环氧树脂在固化前相对分子质量都不高，只有通过固化才能形成体形高分子。

环氧树脂的固化要借助固化剂，固化剂的种类很多，主要有多元胺和多元酸，他们的分子中都含有活波氢原子，其中用得最多的是液态多元胺类，如二亚乙基三胺和三乙胺等。

环氧树脂在室温下固化时，还常常需要加些促进剂（如多元硫醇），已达到快速固化的效果。

固化剂的选择与环氧树脂的固化温度有关，在通常温度下固化一般用多元胺和多元硫胺等，而在较高温度下固化一般选用酸酐和多元酸为固化剂。

不同的固化剂，其交联反应也不同。

1.2.3 双酚A型环氧树脂的结构双酚A型环氧树脂的大分子结构具有的特征有：1)大分子的两端是反应能力很强的环氧基；2)分子主链上有许多醚键，是一种线型聚醚结构；3)n值较大的树脂分子链上有规律地、相距较远地出现许多仲羟基，可以看成是一种长链多元醇；4)主链上还有大量苯环、次甲基和异丙基。

碳纤维表面处理及其增强环氧树脂复合材料界面性能研究摘要：碳纤维（CF）增强树脂基复合材料（CFRP）是先进复合材料的典型代表，具有密度小、力学性能优异、耐热、耐低温等优点，在航空航天、军事、汽车、体育等领域具有重要的应用前景，但是碳纤维表面光滑呈惰性，与树脂基体的界面粘结性差，限制了CFRP复合材料性能的发挥。

针对这一问题，本文采用PAN基碳纤维和双酚A型环氧树脂作为复合材料的增强相和树脂基体，展开CF的表面处理及其CFRP复合材料界面性能的研究。

本文采用氨水处理和浓HNO3处理碳纤维表面，通过单丝拔出实验测试复合材料的界面结合强度来表征复合材料的界面粘结性能，并分析了机械锚定和化学键合两种作用共同出现并对复合材料界面性能起改善作用时，两个因素之间的关系，以及起主导作用的因素，对碳纤维与树脂间相容性机理的研究具有知道作用。

关键词：碳纤维；环氧树脂；复合材料；表面处理；界面性能1、引言1.1碳纤维概述碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化和石墨化制成的纤维状碳，是一种高性能的先进非金属材料。

根据原料不同，碳纤维可分为聚丙烯腈（PAN）系碳纤维、沥青系碳纤维、黏胶系碳纤维、人造丝系碳纤维等。

其中聚丙烯腈基碳纤维综合性能最好，产量占碳纤维总产量的90％以上。

由于原料及制法不同，所得碳纤维的性能也不一样。

根据力学性能的不同，碳纤维可分为超高强度碳纤维（UHS）、高强度碳纤维（HS）、超高模量碳纤维（UHM）、高模量碳纤维（HM）、中等模量碳纤维（MM）、普通碳纤维等等。

我国对碳纤维的研究始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。

目前，利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水品。

但是与国际水平相比，国产碳纤维强度低、平均稳定性差、毛丝多、品种单一且价格昂贵，而且国内碳纤维总生产能力较小，不能满足国内的需要，仍需大量进口。

这些都严重影响了我国高新技术的发展，尤其制约了航空航天及国防军工事业的发展，与我国的经济发展进程不相称。