碳纤维复合材料电磁特性研究

高性能碳基电磁屏蔽及吸波材料的研究一、本文概述随着科技的快速发展，电磁波的应用日益广泛，但电磁污染问题也日益严重。

电磁波不仅会对人体健康产生潜在威胁，还会干扰电子设备的正常运行，影响信息安全。

因此，研究和开发高性能的电磁屏蔽及吸波材料，对于减少电磁污染、保护人体健康、保障信息安全具有重要意义。

本文旨在探讨高性能碳基电磁屏蔽及吸波材料的研究。

碳基材料因其独特的物理和化学性质，如高导电性、高热稳定性、轻质等，在电磁屏蔽和吸波领域具有广阔的应用前景。

本文将从碳基材料的种类、性能优化、制备工艺等方面入手，深入探讨其在电磁屏蔽和吸波领域的应用现状及未来发展趋势。

本文将对碳基电磁屏蔽及吸波材料的种类进行详细介绍，包括碳纳米管、石墨烯、碳纤维等。

然后，通过对比实验和理论分析，探讨不同碳基材料的电磁屏蔽和吸波性能，为实际应用提供理论支持。

接着，本文将重点研究碳基材料的性能优化方法，如通过化学修饰、掺杂等手段提高材料的电磁性能。

本文还将关注碳基材料的制备工艺，探索低成本、高效率的制备方法，为实际应用提供技术支撑。

本文将展望碳基电磁屏蔽及吸波材料的未来发展趋势，探讨其在不同领域的应用前景，如航空航天、电子信息、生物医学等。

通过本文的研究，希望能为高性能碳基电磁屏蔽及吸波材料的研发和应用提供有益的参考和指导。

二、碳基电磁屏蔽及吸波材料的基础理论碳基电磁屏蔽及吸波材料的研究与应用，离不开对其基础理论的深入理解和探索。

这些基础理论主要包括电磁场理论、材料电磁性能以及电磁波与物质相互作用的原理。

电磁场理论是理解电磁波传播和与物质相互作用的基础。

在电磁场理论中，电磁波被视为电场和磁场相互激发并在空间中以一定速度传播的波动现象。

电磁波与物质的相互作用则主要取决于物质的电磁特性，如介电常数、磁导率等。

碳基材料由于其独特的电子结构和物理性质，展现出优异的电磁性能。

碳基材料中的电子具有较高的可动性，使其对电磁场具有良好的响应能力。

碳基材料如石墨烯、碳纳米管等具有特殊的电子结构和物理性质，如高导电性、高导热性等，使其在电磁屏蔽和吸波领域具有广阔的应用前景。

包 装 工 程第44卷 第21期 ·36·PACKAGING ENGINEERING 2023年11月收稿日期：2023-05-30基金项目：国家自然科学基金（12172344） *通信作者碳纤维复合材料力学性能研究进展段裕熙，张凯*，徐伟芳，陈军红，龚芹（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621999）摘要：目的 综述碳纤维复合材料这一热结构材料的力学性能研究进展，推进碳纤维复合材料的研制和应用。

方法 采用文献调研法，梳理和汇总国内外有关碳纤维复合材料力学性能的研究内容，对二维复合材料、针刺复合材料及三维编织复合材料3种结构进行性能影响因素分析。

结论 影响碳纤维复合材料静态和动态力学性能的因素主要有温度、应变率、密度等，提出应进一步开展碳纤维复合材料在多因素耦合及高温动态性能方面的研究。

关键词：碳纤维复合材料；静态力学性能；动态力学性能；三维编织复合材料 中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)21-0036-10 DOI ：10.19554/ki.1001-3563.2023.21.005Mechanical Property of Carbon Fiber CompositesDUAN Yu-xi , ZHANG Kai *, XU Wei-fang , CHEN Jun-hong , GONG Qin(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621999, China) ABSTRACT: The work aims to explore recent advancements in the mechanical properties of carbon fiber composites for thermal structural applications, with the objective of promoting the development and utilization of carbon fiber composites. Through a comprehensive literature review, the current research status on the mechanical properties of carbon fiber composites was summarized, and the factors affecting the static and dynamic mechanical properties of 2D composites, needled composites, and 3D woven composites were analyzed. The results indicate that factors affecting the static and dynamic mechanical properties of carbon fiber composites include temperature, strain rate, density, et al. And further investigations are necessary in multi-factor coupling and high temperature dynamic properties of carbon fiber composites. KEY WORDS: carbon fiber composite; static mechanical properties; dynamic mechanical properties; three-dimensional weaving composite碳纤维由有机纤维经过一系列热处理转化而成，它是含碳量高于90%的无机高性能纤维，既具有碳材料的固有本征，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。

碳纤维增强碳基复合材料增密方法及其特点摘要：随着碳基复合材料在航空、航天、建筑、汽车等多个领域的广泛应用，其性能要求也越来越高。

其中，碳纤维增强碳基复合材料因其优异的力学性能和电磁性能受到广泛关注。

本文基于碳纤维增强碳基复合材料的制备和加工，介绍了增密技术在碳纤维增强碳基复合材料中的应用。

论文通过实验分析探究了碳纤维增强碳基复合材料增密技术的特点。

研究表明，提高增密温度和压力，增大导热介质的介质间隙和相对比表面积可以显著提高复合材料的密度，同时在一定范围内还可改善材料的力学性能。

关键词：碳纤维增强碳基复合材料；增密技术；温度；压力；导热介质。

正文：一、引言碳纤维增强碳基复合材料是由碳纤维和碳基材料制成的一种高性能、高功能的复合材料。

由于具备良好的抗腐蚀性、高温性、高强度和高模量等特性，碳纤维增强碳基复合材料在航空航天、汽车制造、纺织机械、建筑、电子器件等领域有着广泛应用。

然而，与传统金属、合金材料相比，碳纤维增强碳基复合材料的密度较低，这限制了其在一些领域的应用。

因此，如何提高碳纤维增强碳基复合材料的密度而不影响其优异性能成为了研究的热点。

本文主要介绍一种增密技术，并研究其特点以期为复合材料的研发和制造提供一定的理论支持和实践指导。

二、增密技术原理增密技术是指将复合材料中的孔洞填满，从而提高复合材料的密度。

增密通常通过加热和施加压力来实现。

加热可以使复合材料中的松散区域减少，进而使材料的密度得以增加。

而施加压力可以使空气、水分和其他有机物从复合材料中挤出。

此外，增密时还经常会加入导热介质来促进材料的加热和压缩。

在碳纤维增强碳基复合材料的制备过程中，提高增密温度和增大压力可以有效地实现增密。

导热介质的选择对增密效果也有重要的影响。

三、增密技术的实验研究为了探究增密技术的特点，我们进行了一系列的实验研究。

研究中采用碳纤维增强碳基复合材料作为样品，以蜡烛脂作为导热介质，控制不同温度和不同压力条件下的增密效果。

碳纤维增强复合材料的力学性能研究随着科技的发展和人们对材料性能要求的不断提高，碳纤维增强复合材料作为一种新型材料，逐渐受到了人们的关注和研究。

碳纤维增强复合材料的优点在于具有轻质、高强和高刚性等特点，因此在航空航天、汽车和体育器材等领域得到了广泛应用。

本文将围绕碳纤维增强复合材料的力学性能展开讨论，并分析其优点与不足。

一、碳纤维增强复合材料的力学性能研究碳纤维增强复合材料是由无定形材料和纤维增强材料组成的一种粘合材料。

其力学性能是影响使用效果的重要因素。

在实际应用中，碳纤维增强复合材料的力学性能主要表现在强度、刚度、韧度和疲劳寿命等方面。

下面将对这些方面进行详细讨论。

1. 强度碳纤维增强复合材料的强度是指在外力作用下，材料发生断裂前所能承受的最大应力。

由于其结构特殊，具有纤维对外界应力的抗拉能力，因而其强度很高。

实验表明，碳纤维增强复合材料的抗拉强度约为1500 MPa。

而同样条件下的钢材和铝材抗拉强度只有400 MPa左右，而且在高温、腐蚀等恶劣环境下，铝材和钢材的强度更低，而碳纤维增强材料的强度不变，还会增加。

2. 刚度碳纤维增强复合材料的刚度是指在外界力作用下，材料抵抗形变的能力。

由于其纤维本身刚度很高，因此材料的刚度也很高。

实验结果表明，碳纤维增强复合材料的弹性模量约为210 GPa，而同样条件下的钢材和铝材弹性模量分别为200 GPa 和70 GPa左右。

因此，在需要使用刚度较高的场合下，碳纤维增强复合材料具有较好的应用前景。

3. 韧度碳纤维增强复合材料的韧度是指在受力时，材料离开弹性阶段到断裂之前所需要的功。

与强度和刚度不同，碳纤维增强复合材料的韧度较低。

这是由于该材料虽然具有纤维与增强材料的双重优势，但其内部结构复杂度很高，存在许多微小裂缝，因此材料整体的韧性有所下降。

实验结果表明，碳纤维增强复合材料的韧度约为25-50 kJ/m2，而同样条件下的钢材和铝材韧度分别为200 kJ/m2和10-20 kJ/m2左右。

复合材料的电磁性能测试与仿真分析近年来，随着科技的飞速发展，复合材料在工业、民用等领域越发广泛地应用，其具有轻质、高强、耐用、优异的机械性能等特点，成为众多领域中的首选材料。

然而，复合材料的电磁性能仍需要进一步探究和研究。

本文重点讨论复合材料的电磁性能测试与仿真分析。

一、复合材料的电磁性能简介电磁性能是指材料在电场或磁场中的响应情况，包括导电性、介电性、磁导率等。

对于普通的材料，这些性能可以通过简单的物理实验测量得到，然而对于复合材料这种多种材料复合而成的材料，其电磁性能的测试要比单一材料的测试难度大得多。

二、复合材料的电磁性能测试方法为了对复合材料的电磁性能进行测试，常用的方法有以下几种。

1. 静电感应法这种方法是通过静电感应产生电流来测量复合材料的导电性。

该方法适用于需要测量非常薄的材料或者需要测量电阻很大的材料。

2. 电阻法在材料两端加上电压，然后测量通过材料的电流，从而计算出其电阻。

这种方法适用于复合材料的电阻不是特别高的情况下进行测量。

3. 介电法介电法是通过在复合材料两端施加交变电压，并检测材料对这个交变电场的响应来测量介电常数和损耗因子。

三、复合材料的电磁性能仿真分析除了传统的实验方法，复合材料的电磁性能还可以通过计算机仿真来得到。

在计算机仿真中，人们可以通过进行电场、磁场计算，从而得到复合材料在电磁场中的响应情况。

这种方法有着较高的精度和数据量，可以得到很多实验很难获得的数据。

四、复合材料的电磁性能测试与仿真分析的应用复合材料的电磁性能测试与仿真分析技术的应用十分广泛，例如在飞机、汽车、电器等领域中，复合材料的电磁性能测试与仿真分析是必不可少的。

通过这些技术，可以对复合材料的电磁性能进行全面的检测和评估，为复合材料的应用提供了有力的支持。

五、结语在本文中，我们重点讨论了复合材料的电磁性能测试与仿真分析，介绍了几种常用的测试方法，并探讨了计算机仿真技术的应用。

综合起来，如何全面、准确地评估复合材料的电磁性能，对于推动复合材料在各个领域的应用都具有非常重要的意义。

碳纤维在电磁屏蔽材料中的应用
碳纤维在电磁屏蔽材料中被广泛应用，尤其是近年来，随着有机碳纤维材料和碳纤维
复合材料的发展，其在电磁屏蔽领域的应用越来越多。

首先，碳纤维材料具有很好的绝缘性能，用作电子器件的真空外壳材料，可以有效地
阻止电磁波的传播，保证设备的功率安全性。

其次，由于碳纤维材料具有良好的电磁屏蔽性，它可以实现固体和液体的绝缘，实现电子设备和其他物体的隔离传导，提供有效的电
磁屏蔽技术来保护电子设备免受电磁干扰的影响。

此外，碳纤维材料还具有优良的耐热性能，在高温环境下也能维持很好的功能性能。

碳纤维电磁屏蔽材料可以有效地阻止高温下的热量传输，减少结构和设备的损坏。

另外，碳纤维本身具有较低的密度，可以满足屏蔽设备质量必须轻量化的性能要求，
同时又保证其结构的空间紧凑度，极大地提高了屏蔽设备结构的可靠性和安装效率。

此外，碳纤维电磁屏蔽材料具有防腐蚀、抗老化、防火等特性，可以延长屏蔽设备的
使用寿命，进一步优化屏蔽设备的性能。

综上所述，碳纤维是一种具有良好电磁屏蔽特性的新型复合材料，具有良好的性能和
多种功能，在电磁屏蔽设备中的应用具有较高的价值，是未来电磁屏蔽技术研发的新方向。

碳纤维复合材料的介绍碳纤维复合材料是一种由碳纤维和基体树脂组成的复合材料。

碳纤维是一种高强度、高模量的纤维材料，具有轻质、耐热、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。

碳纤维复合材料的制备过程主要包括纤维预处理、树脂浸渍、层压成型等步骤。

首先，碳纤维要经过预处理，包括去除杂质、改善表面粗糙度等工艺，以提高纤维与树脂的粘结力。

然后，将预处理后的碳纤维放置在树脂浸渍装置中，通过真空或压力使树脂浸润纤维，形成树脂基体。

最后，将浸润树脂的碳纤维层叠在一起，并经过热压或压力固化，形成最终的碳纤维复合材料。

碳纤维复合材料具有许多优点。

首先，它具有高强度和高模量的特性，比重量相同的金属材料强度更高。

其次，碳纤维具有良好的耐腐蚀性能，不易受化学物质侵蚀。

此外，碳纤维还具有优异的热稳定性和耐高温性能，可以在高温环境下保持其强度和刚度。

此外，碳纤维复合材料还具有良好的电磁屏蔽性能和低热膨胀系数，适用于一些特殊领域的应用。

碳纤维复合材料广泛应用于航空航天领域。

由于其轻质高强的特性，能够减轻飞机的重量，提高燃油效率，降低碳排放。

同时，碳纤维复合材料还具有良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性能，能够提高飞机的使用寿命。

因此，在飞机结构中应用碳纤维复合材料可以提高飞机的性能和安全性。

在汽车领域，碳纤维复合材料也得到了广泛应用。

与传统的金属材料相比，碳纤维复合材料具有更低的密度和更高的强度，可以实现汽车的轻量化设计。

轻量化不仅可以提高汽车的燃油效率，减少尾气排放，还可以提高汽车的操控性能和舒适性。

此外，碳纤维复合材料还具有良好的吸能性能，能够提高汽车的碰撞安全性。

碳纤维复合材料还广泛应用于体育器材制造。

例如，高尔夫球杆、网球拍等体育器材常使用碳纤维复合材料制造。

由于碳纤维具有轻质高强的特性，可以使器材更轻便、更易于操作，提高运动员的竞技水平。

此外，碳纤维复合材料还具有良好的振动吸收性能，可以减少运动时的手部震动，减少运动损伤。

碳纤维增强水泥基复合材料的研究要:水泥混凝土材料以其抗压强度高,施工方便等优点在人类建筑史上发挥了重要作用,但由于其功能单一,脆性自重大,抗拉强度和抗弯强度低等缺点,在特殊领域中的用途受到了很大限制.碳纤维具有高弹性,高模量,比重耐腐蚀,对人宙无害等优异性能被视为许多材料的优良增强体.将其加入到水泥基体中,制成碳纤维增强水泥基材料(CFRC),不仅可改善水泥自身力学性能的缺陷,使其具有高强度,高模量,高韧性,更重要的是把普通的水筑材料变成了具有自感知内部温度,应力和损伤及一系列电磁屏蔽性能的功能材料..枣词:碳纤维;水泥基;复合材料~tract:Cementconcretematerialshaveplayedallimportantroleinhun]an’sconstructionhistoiT)ritshig hCOIllpres—strengthandeasyoperationduringconstruction.However,itsapplicationinsomespecialfieldisgreatlyr estrictedowlslgISsinglefunction,brittleneSS,heavyself-weight,poorstrengthagainsttensionandbending.Carbonfib ersareregardedasdreinforcementfbrnlanymaterialsduetotheirhighelastic ity,highmodulus,lessdensity,resistancetOco rrosion,and]llessnesstohunlallbeingsanddomesticalmnals.Carbon—fiber—reinforcedcement—basedcompos ites(CFRC)thatareievedbyaddingcarbon6bersintocelllentexhibithighflexuralstrength,hightensilestrength,highflexur altoughnesshightensileductility.Thusnot0I]lythenaechalficalpropertiesofcementareimproved.butfimctionalm aterialsCFRCobtainedthatareabletOsensetheinteriortemperature,stressanddanaageaswellastoshieldoffelectroma gneticwaves./words:Carbonfibers;Cementmatrix;Composites目分类号:TQ172.7文献标识码:A文章编号:1003—8965(2007)05—0005—05刖吾)世纪60年代以来,碳纤维作为新一代复合l补强纤维,以其高强度比,高模量比,低密)(光吸收率,抗腐蚀,耐烧蚀,抗疲劳,耐热冲皂导热性能好,传热系数小,膨胀系数小和自:优异性能而在航天,航空,航海,建筑,轻工.中获得了广泛的应用.将碳纤维加入到水泥p即制成碳纤维增强水泥基复合材料:),也称纤维增强混凝土【1.在水泥基体中强碳纤维是提高水泥复合材料抗裂,抗渗,度和弹性模量,控制裂纹发展,提高耐强碱性,增强变形能力的重要措施.此外,碳纤维还具有震动阻尼特性,可吸收震动波,使防地震能力和抗弯强度提高十几倍位一.更为可贵的是,碳纤维具有导电性,将其加入到水泥基体中可赋于其智能性,极大地扩大了它的应用范围.CFRC复合材料在承受载荷时表面不产生龟裂,其抗拉强度和抗弯强度,断裂韧性比不增强的高几倍到十几倍,其冲击韧性也相当可观.短切碳纤维增强水泥所用碳纤维的长度一般为3～6mm,直径为7-20m,抗拉强度范围在0.5～0.8GPa.普通水泥的强度通常为11.76MPa,若按重量掺入15%的碳纤维,其强度可达到245MPa:若掺入量为20%时,强度可高达548.8MPa.此外,与普通混凝土相比,CFRC具有5L水泥与混凝土质轻,强度高,流动性好,扩散性强,成型后表面质量高等优点,将其用作隔墙时,重量比普通混凝土制作的隔墙薄1/2—1/3,重量减轻1/2—1/3.因此, CFRCI”1能的研究近年来发展迅猛.2CFRC的性能特点及应用2.1CFRC的制备CFRC的制备一般由混料,成型,养护3步组成.利用分散剂将碳纤维预先分散开来,再与水泥,砂子,石子,外加剂等均匀混合,然后采用浇注法,挤出法,压制法,压制脱水法或振动法之一使混合料成型,成型后的试件放入到水或养护箱中养护,干后即成CFRC复合材料,通常有水泥砂浆和水泥混凝土两种类型,后者更具有实用I’*--.-.制备CFRC 过程中,如何使碳纤维均匀分散到水泥基体中,是决定CFRC复合材料性能好坏的关键.常用的拌合方法有两种:干拌法和湿拌法.前一种方法是先将碳纤维和水泥混合搅拌均匀后,再加入砂子,水和其他外加剂;后一种方法是将碳纤维预先分散在部分水中,再与水泥,砂子,硅灰和外加剂混合搅拌.搅拌工艺也十分讲究,一般采用间歇式自动控制搅拌仪.碳纤维水泥浆体的理想搅拌工艺为先拌制水泥和碳纤维,再加入拌合水或先将碳纤维在溶有分散剂的水中分散后加入水泥搅拌30秒钟,最后加入标准砂再继续搅拌.碳纤维在制备好的CFRC试件中呈三维乱向分布,由于受纤维排列方式和长度的影响,短切碳纤维的增强效果不如单轴连续纤维和两维乱向分散的短纤维增强效果.2.2力学性能水泥是脆性材料,但只要加入3vo1%的碳纤维就可以完全改变它的脆断特性,其模量可提高2倍,强度增加5倍.如果定向加入,则加入12.3vo1%的中强碳纤维便可使水泥的强度从5MPa提高到185MPa,抗弯强度也可达到130MPac2|4~5]o赵稼祥旧认为,用碳纤维增强水泥可以使抗拉强度和抗弯强度提高5~10倍,韧性与延伸率提高20~30倍,结构质量减轻1/2.郭全贵等人利用单丝拔出试验测定了CFRC复合材料的界6面结合力,认为高强度和高模量碳纤维的加入,有效阻止了裂纹的扩展,在复合材料受载时,基体通过界面将载荷传递给碳纤维,从而使碳纤维成为载荷的主要承载者,由于纤维的拔出或断裂吸收了大量的能量,所以复合材料的抗拉强度,抗弯性能,韧性等力学性能均得到了显着改善.2.3压敏性1989年美国的DDL.Chung研究小组首先发现,在水泥基体中掺入短切碳纤维,可使其具有自感知内部应力,应变和损伤程度的功能吲.随着压应力的变化,CFRC电阻率发生变化的现象称做压敏性,CFRC的主要特性就是压敏性和温敏性.当CFRC试件两端有温差时,会在此两端产生电压差,其冷端为负极,热端为正极,这便是所谓的热电效应.另一方面,当对CFRC施加电场时,会在混凝土中产生热效应,引起所谓的电热效应,这两种效应都是由碳纤维混凝土中空穴性电导运动所致.通过电阻率的变化可以测定CFRC中安全,损伤和失效3个工作阶段.由于CFRC既具有热电效应,又具有电热效应,因此把它”植入”混凝土结构时,可对混凝土结构进行温度分布自诊断,根据诊断结果实现混凝土结构的温度自适应.当CFRC与电源连通后,导电混凝土产生热量,使路面温度升高,当温度升到0.C以上后,路面上的冰雪就会自动融化成水蒸发流走,从而保障道路畅通和行车安全,国外已将温敏混凝土用于机场道路及桥梁路面的融雪和融冰中【&91o2.4屏蔽效应屏蔽是电磁干扰防护控制的最基本方法之一,其目的一是控制内部辐射区域的电磁场,不使其越出某一区域;二是防止外来的辐射进入某一区域.当外来电磁波遇到屏蔽材料时,就会被吸收,反射和多次反射,电磁波能量的继续传递受到削弱. CFRC复合材料中可形成导电网络,从而可产生屏蔽性能,碳纤维的添加量,长度以及成型方法对CFRC的屏蔽性能均有较大的影响.材料的屏蔽效能SE达到30~60dB的中等屏蔽值时才认为有效.性能良好的电磁屏蔽材料应具有较高的电导率和磁导率.碳纤维对电磁波有较强的反射性,利用水泥与混凝士此特性可将碳纤维复合材料用作薄壁结构吸波材料的背衬.这种材料是雷达波的反射体,特别是在低频下与金属一样反射电磁波..赵福辰等人通过实验发现”I,增加CFRC复合材料中导电碳纤维的长度和含量,可以明显提高屏蔽效果.3影响CFRC性能的主要因素3.1碳纤维掺入量和长度的影响张其颖等人”经过反复试验,确定了目前条件下制备轻质CFRC复合材料的适宜参数为:水泥: 轻骨料(重量)=2:1,水灰比0.65,复合外加剂含量0.5%,碳纤维长度6mm,掺入量3.3%.他的研究表明,外加剂,硅粉及热水养护方法都能促进碳纤维与水泥基体的粘结,更充分地发挥碳纤维的增强作用,提高复合体的强度.CFRC之所以具有良好的力学性能,一方面是因为碳纤维本身具有良好的力学性能,有明显的补强增韧效果;另一方面是合适的操作工艺,使得碳纤维在基体中分散较为均匀,阻断了裂纹的扩展和延伸,最终提高试体的抗折,抗拉,抗压性能.杨元霞等人”.0研究了碳纤维长度和掺量对CFRC导电性的影响,发现当碳纤维掺量(以占水泥质量计)在0~0.8%的范围内增加时,对于碳纤维长度为5mm和10mm的复合材料,其电阻率的变化分为先陡然下降,后缓慢下降,又急剧下降,再趋于平缓4个阶段.当碳纤维掺量相同时,长度为10mm的CFRC试件的电阻率比长度为5mm试件的电阻率要小,且在碳纤维掺量较小时,碳纤维长度对复合材料的电阻率影响较大,碳纤维掺量较大(大干0.6%)时,复合材料电阻率受碳纤维长度的影响变/J,.在水灰比,碳纤维掺量及成型工艺条件一定的情况下,碳纤维长度增大,CFRC导电性增强,但若纤维过长,则易集束成团,难于分散均匀,从而使碳纤维的利用率降低.所以,一般所用碳纤维长度不宜超过10mm.纤维在水泥基体中分散的均匀程度与其长径比有很大关系,一般是长径比越大,即纤维直径不变而纤维长度越大时,在搅拌中越易成球.因此,单纯从有利分散的角度来讲,应是纤维越短越好.同时,碳纤维的掺量对其分散性也有较大的影响.试验发现,在碳纤维和水泥混合搅拌过程中,当碳纤维掺量达到水泥质量的1%时,混合料中便会有明显的纤维团出现,且即使延长搅拌时间,纤维团也不会消失.所以,在一般的拌制工艺中,碳纤维的长度在5mm左右或更大时,碳纤维的最大掺量不宜超过1%.碳纤维的掺量和长度对CFRC的压敏性也有影响,对于5mm长的纤维,掺量为水泥质量的0.4%时压敏性最好,掺量增加或减少都使压敏性变差:对于10mm长的纤维,掺量为0.2%时效果最好,随着纤维掺量增加,压敏性越来越小.3.2碳纤维均匀分散的影响碳纤维直径仅为几个微米,表面光滑且憎水,在水泥基材料中很难均匀分散,这是制备电学能稳定的CFRC机敏材料的一个关键性难题.对于相同配比的CFRC材料,如果纤维分散不均匀,其电导率将产生明显的差异,这极大地限制了CFRC作为机敏材料的应用.提高碳纤维均匀分散的主要方法有两种:一是加入表面活性剂如羟乙基纤维素(HEC)用作分散剂,使自身具有增水性的碳纤维在水溶液中均匀分散;二是加入超细粉如硅灰,粉煤灰等,填充骨料间隙和絮化结构,占据水空间,使砂浆变稀,提高砂浆的和易性.研究表明陧,Ⅷ,HEC是促进碳纤维在水泥浆体中分散的一种有效的表面活性剂,它溶于水后,形成胶状透明液体,可以使碳纤维稳定地悬浮在水溶液中而不集结成束.HEC在降低纤维表面张力的同时,也降低了水泥基体的表面能,因而会在水泥浆体的搅拌过程中引入一定量的气泡.为了降低气泡的含量,制备CFRC试件过程中,添加HEC的同时,还应加入一定剂量的减水剂和消泡剂,这样,才能得到分散性能好,力学性能稳定的CFRC复合材料.图1(a)为短碳纤维均匀分散在水泥基体中时的SEM照片,图1(b)为短碳纤维呈集束状态,即分散不良时的SEM照片.均匀分散有利于改善CFRC的力学性能,反之,团聚会造成基体中存在大量的空隙,降低CFRC的力学性能.图2(a)为碳7(a)碳纤维分散呈良好分散态时(b)碳纤维呈集束态时图1短碳纤维在水泥基体中分散情况的SEM照片纤维均匀分散时,CFRC复合材料的抗压强度与纤维质量分数的关系,显然,抗压强度的提高与纤维质量掺量并不是呈线形增加,当纤维质量分数超过一定值时(0.6%),抗压强度反而逐渐降低.当短碳纤维呈不良分散状态时,抗压强度随纤维质量分数的增加直线下降如图2(b)所示.3.3碳纤维表面处理的影响碳纤维的表面比较光滑,比表面积小,表面能较低,具有活性的表面一般不超过总表面积的10%,呈现憎液性,所以较难与基体有较好的结合. 8凸_岂,_,暖1±】(a碳纤维呈良好分散态时)最大值5rit’’i0.0020.4限60.器《0碳纤维质量掺量(%)国内外已有许多研究人员采用多种方法对碳纤维表面进行了处理.表面处理可归纳为4大类:清除表面杂质:在纤维表面形成微孔或刻蚀槽,从类石墨层面改性成碳状结构以增加表面能;引进具有极性或反应性的官能团;形成和树脂起作用的中间层.DDLChung”日运用臭氧处理法,硅烷处理法等取得了可喜成果.她认为对碳纤维进行表面处理,增加了表面氧浓度,并且将表面氧从C—O型结构变成C=O结构,使纤维和水的接触角降到零,纤维的分散性提高,碳纤维与水泥基体之间的界面结332‘30凸_琶2岛警2624鞲=2220l8-=(b)碳纤维成不良分散态时004图2CFRC的抗压强度与碳纤维质量掺量的关系曲线0嚣I2l620碳纤维质量掺量(%).∞m合增强,最终提高了CFRC的拉伸强度,模量和延展性.同时,臭氧处理不影响纤维本身的形貌,强度及体积电阻.DDL.Chung1161也用30%的双氧水对碳纤维进行了表面处理,以改善碳纤维表面的疏水性,提高碳纤维对水的浸润性.张其颖认为碳纤维表面对水泥浆的润湿性不仅影响纤维与基体的界面粘结强度,还影响纤维在水泥中的分散程度.满华元等人”采用阳极表面处理法对碳纤维进行了处理,处理后的沥青碳纤维可使水泥复合材料比对应基体的力学的重点多集中在CFRC复合材料的力学性能和普通电学性能上,对其智能性,吸波性,Seebeck效应,Peltier效应和Thomson效应及其应用的研究远落后于美国DDL.Chung研究小组;CFRC复合材料屏蔽性能用于防止核辐射和电磁污染的研究还处在萌芽阶段;影响CFRC力学性能,电学性能的各主要成分之间的定量关系还未能精确描述;CFRC复合材料中纤维与基体之间的界面特征对其宏观性能的影响还有待进一步探讨.此外,制备CFRC过程中,除采取控制加料顺序,变换搅拌工艺,加入硅粉,HEC等分散剂促使碳纤维均匀分散外,材料研究工作者仍在寻找最理想的碳纤维分散方法.参考文献…王茂章,贺福.碳纤维的制造,性质及其应用【M】.北京:科学出版社,1984.第1版【2】李克智,王闯,李贺军,石振海.碳纤维增强水泥基复合材料的发展与研究.材料导报,2006,2O(5):85—88 【3】Zeng—QiangShi,D.D.L.Chung,Carbonfiber—re—inforcedconcretefortrafficmonitoringandweighingin motion,CemConcrRes,1999(29):435—439【4】张卫东,徐学燕.智能材料在土木工程健康监测中的应用【J】.石油工程建设,2004(2):9—13【5】邓宗才,钱在兹.碳纤维混凝土在反复荷载下的应力一应变全曲线研究【J】.建筑结构,2002(6):54—56 【6】赵稼祥.碳纤维的发展与应用【J】.纤维复合材料,1996(4):46—50【7】郭全贵,岳秀珍.单丝拔出实验表征碳纤维增强水泥复合材料的界面【J】.纤维复合材料,1995(3):42—46 【8】SihaiWen.DDL.Chung.Enhanc ingtheSeebeck effectincarbonfiber--reinforcedcementbyusingnter—calatedcarbonfibers.CemConcrRes,2000(3O):1295—1298-【9】Zeng—QiangShi,DD.L.Chung,Carbonfiber—re—inforcedconcretefortrafficmonitoringandweighingin motion,CemConcrRes,1999(29):435—439【1O】靳武刚.碳纤维在电磁屏蔽材料中的应用【J】.现代塑料加工应用,2003(1):24—27【11】赵福辰.电磁屏蔽材料的发展现状【J】.材料开发与应用,2001(5):29—33【12】张其颖.碳纤维增强水泥混凝土导电机理的研究【J】.硅酸盐通报,2003(3):22—28【13】杨元霞,刘宝举.碳纤维水泥基复合材料电性能的若干研究.建筑材料学报,2001(2):200—203【14】韩宝国.碳纤维水泥基复合材料压敏性能的研究【D】.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2001【15】D.D.L.Chung.Carbonfiberreinforcedcement mortarimprovedbyusingacrylicdispersionasadmix—ture.CemConcrRes,2001(31):1633—1637【16】XuliFu,D.D.L.Chung.Ozonetreatmentofcar- bonfiberforreinforcingcement.Carbon,1998,36(9): 1337—1345【17】满华元,张岩.碳纤维阳极表面处理对CF/MDF水泥复合材料性能影响研究【J】.复合材料学报,1995(2):47—51【18】Jian—guoZhao,Ke-zhiLi,He-junLi,ChuangWang.Theinfluenceofthermafgradientonpyrocarbon depositionincarbon/carboncompositesduringtheCVI process,Carbon,2006(44):786—7919。