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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。
热塑性碳纤维上浆剂的研究进展作者：杨刚孟秀青潘洋高磊来源：《现代纺织技术》2017年第05期摘要：上浆剂在碳纤维生产和应用过程中起着非常重要的作用。
通过分析热固性碳纤维上浆剂与热塑性树脂基体之间存在的相容性差、加工成型不匹配等问题，指出了研究开发热塑性碳纤维上浆剂才是解决实际应用的有效途径。
分类综述了以聚氨酯、聚酰亚胺及聚芳醚等为主体聚合物的热塑性碳纤维上浆剂的研究进展，并介绍了近年来国外碳纤维生产企业针对热塑性碳纤维上浆剂的实际应用情况，为今后相关研究提供借鉴和参考。
关键词：碳纤维；上浆剂；热塑性树脂；复合材料中图分类号：TS105.21文献标志码：A文章编号：1009-265X（2017）05-0062-04Abstract：Sizing agent is important to the process of producing and applying carbon fiber. In this paper， the problems of low compatibility and unmatched processing between thermosetting carbon fiber sizing agent and thermoplastic resin matrix were analyzed， and it was proposed to develop and research thermoplastic carbon fiber sizing agent for practical application. Introduction was made to the research progress of thermoplastic carbon fiber sizing agents respectively containing polyurethane， polyimide and poly aryl ether as main polymer was introduced， as well as to the practical application of thermoplastic sizing agent in China and other countries in recent years，which provides reference for further study in future.Key words：carbon fiber； sizing agent； thermoplastic resin； composites为了制备高质量高性能的碳纤维，除了改进原丝品质和提高生产工艺水平之外，上浆作为最后一道必不可少的工序也起了非常重要的作用。
碳纤维复合材料的应用研究进展姜楠＜湖北大学材料科学与工程学院，武汉430062）摘要：本文概述了碳纤维复合材料vCFRP）的性能特点和应用研究进展。
简要介绍了碳纤维复合材料在大飞机制造业，深海油气田，非织造设备等方面的应用情况，碳纤维复合材料湿热性能和抗氧化烧蚀技术的研究进展以及国内外的研究状况。
关键词：碳纤维复合材料大飞机深海油气田非织造设备湿热性能抗氧化烧蚀技术应用研究1前言碳纤维复合材料＜CFRP）自20世纪50年代面世以来就主要用于军工，航天，航空等尖端科学技术领域，其高强、高模、轻质、耐热、抗腐蚀等独特的性能使其在飞机、火箭、导弹、人造卫星等方面发挥了巨大作用。
随着CFRP材料性能的不断完善和提高，其优越的性能逐步被认可及价格的大幅度下降，使得它在民用工业上的应用逐步扩大，目前在土木建筑、纺织、石油工业、医疗机械、汽车工业等领域得到了广泛应用。
2CFRP材料的性能特点碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。
其最高强度已达7000MPa ，最高弹性模量达900GPa,而其密度约为1.8~2.1g/cm3,并具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温等优异性能，是一种很有发展前景的高性能纤维。
碳纤维由高度取向的石墨片层组成，并有明显的各向异性，沿纤维轴向，强度高、模量高，而横向性能差，其强度和模量都很低。
因此在使用时，主要应用碳纤维在轴向的高性能。
[1-2]碳纤维是黑色有光泽，柔软的细丝。
单纤维直径为5~10pm，一般以数百根至一万根碳纤维组成的束丝供使用。
由于原料和热处理工艺不同，碳纤维的品种很多。
高强度型碳纤维的密度约为 1.8g/cm3,而高模量和超高模量的碳纤维密度约为1.85~2.1g/cm3。
碳纤维具有优异的力学性能和物理化学性能。
碳纤维的另一特征是热膨胀系数小，其热膨胀系数与石墨片层取向和石墨化程度有密切的关系。
碳纤维具有优异的耐热和耐腐蚀性能。
在惰性气氛下碳纤维热稳定性好，在2000C的高温下仍能保持良好的力学性能；但在氧化氛围下超过450C碳纤维将被氧化，使其力学性能下降。
2021年第3期复合材料科学与工程117 DO1：1O.19936/ki.2096-8000.20210328.019碳纤维增强聚苯硫醚复合材料界面性能的研究进展武博S杨常玲“,张琳萍“,吕永根2(1.东华大学化学化工与生物工程学院，上海201620； 2.东华大学材料科学与工程学院，上海201620)摘要：碳纤维增强聚苯硫醚树脂复合材料因其良好的机械性能、阻燃性、耐化学腐蚀性，在电子信息、航天航空等领域的应用越发广泛。
界面是影响复合材料性能的关键因素，为进一步提高复合材料性能以适应不同的构件和使用环境，碳纤维与聚苯硫醚的界面性能越来越受到重视。
本文从成型工艺、碳纤维上浆剂和树脂改性三个方面总结了碳纤维增强聚苯硫醚复合材料界面性能的影响因素和研究进展。
关键词：碳纤维；聚苯硫醚；表面处理；界面性能；复合材料中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：2096-8000(2021)03-0117-061引言聚苯硫醚(PPS)是一种半结晶型热塑性聚合物,具有优异的热稳定性、耐化学腐蚀性、阻燃性和力学性能［1,2］，作为纤维和工程塑料可用于航空航天、电子等领域。
特别是以碳纤维(CF)增强的复合材料，作为飞机的结构件和阻燃及耐高温部位显示出独特的优势。
为了进一步提高复合材料性能以适用于不同的工作环境及材料构件,CF增强PPS复合材料界面性能的提高越来越受到重视。
由于PPS 的加工温度高，且在加工过程中涉及交联、结晶等行为,对加工工艺和界面的构筑提出了更高的要求，主要通过对CF进行表面处理、上浆、树脂改性及复合材料后热处理等手段进一步提高界面性能和复合材料整体性能。
层剪强度或界面强度为30MPa-60 MPa,个别文献报道可达90MPa,但如何选用环保而便捷的上浆剂等问题仍然需要进一步研究。
2成型工艺对复合材料及界面性能的影响PPS的熔融温度高、粘度大，因此成型温度需要达到300C以上，成型压力在1.0MPa以上。
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。
碳纤维复合材料的制备和性能研究复合材料作为一种新型材料，由于其具有结构轻、强度高、耐腐蚀、抗疲劳等优良性能，在航空、航天、汽车、船舶等众多领域得到广泛应用。
碳纤维复合材料是其中一种材料，由于其高强度、低密度、高刚度和优良的热稳定性等特点，已经广泛应用于各种高端产品，如飞机、汽车、大型模具、船舶制造等领域。
本文主要介绍碳纤维复合材料的制备和性能研究方面的进展和成果，对于进一步研究这种材料的应用前景和发展具有参考价值。
一、碳纤维复合材料的制备碳纤维复合材料的制备是一个复杂的过程，需要对材料的性质进行深入的了解，并结合实际生产情况进行设计和试验。
一般来说，碳纤维复合材料的制备分为以下几个步骤：1、预制备碳纤维碳纤维是制备碳纤维复合材料的关键组成部分，其质量对复合材料的性能起到至关重要的作用。
碳纤维的质量受到多种因素的影响，如选择的原料、生产工艺、热处理方式等。
通常采用纤维束成型、碳化及氧化等工艺制备碳纤维，确保碳纤维的品质。
2、浸渍树脂将预制的碳纤维放入树脂中，使其充分浸泡。
树脂中的成分可以根据需要调整，以达到预期的力学性能。
3、热固化热固化是碳纤维复合材料制备的关键步骤之一。
材料通过温度和时间的控制，让树脂变成固体，并在碳纤维表面形成一层牢固的化学键连接。
通过这一步工艺，可以提高碳纤维复合材料的强度和刚度。
4、精加工精加工是制备碳纤维复合材料的最后步骤。
通过对材料进行切割、抛光、打磨、胶接等方式，可以获得一定形状、尺寸和光泽度的制品。
精加工过程中需要注意不要损伤材料的表面和内部结构，保证材料性能的完好。
以上是碳纤维复合材料制备的主要步骤，整个制备过程需要物理学、化学、材料学等多学科的知识和技术的支持，且需要结合多种因素综合评估生产效果。
二、碳纤维复合材料的性能研究碳纤维复合材料具有优良的力学性能、热性能和热膨胀性等特点，但其性能亦受制备过程中的各种因素影响。
为了更好地应用这种材料，需要对其性能进行全面研究和分析。
碳纤维上浆剂的开发和研究进展马刚峰;徐泽夕;常青;王新欣;刘书铖【摘要】In the process of carbon fiber production ,sizing is an important technology and sizing agent has a great influence on the properties of carbon fiber . Firstly , this thesis introduces the types and synthesis method of sizing agent and sizing technology ,and then it mainly introduces the effect of sizing agent on the carbon fiber surface and composites .The results indicate that carbon fiber surface forms a smooth ,continuous and even film after sizing so that the wear resistance and wool-silk quantity are improved ;Sizing carbon fiber and matrix resin are not easy to peeloff ,which will enhance the shear strength between carbon fiber layers .% 在碳纤维生产过程中，上浆是一道重要的工序，上浆剂在碳纤维的性能方面扮演着重要的角色。
首先介绍了碳纤维上浆剂的类型、合成方法及上浆工艺，然后重点阐述了上浆剂对碳纤维表面及复合材料的影响。
已有研究结果表明：上浆后碳纤维表面形成一层光滑、连续、平整的薄膜，使其耐磨性、毛丝量都有所改善；上浆碳纤维与基体树脂不易剥离，增强了碳纤维层间剪切的强度。
石墨烯强韧化碳纤维复合材料关键技术研究中取得进展碳纤维复合材料因轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等一系列特性，在航空航天、汽车、船舶、能源、建筑等领域的应用与日俱增。
然而，由于碳纤维表面光滑、惰性大、具有化学活性的官能团少，导致碳纤维与基体树脂之间的界面粘结强度低，界面存在较多缺陷，往往成为复合材料的薄弱环节。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所所属先进制造所复合材料智能制造与装备团队在石墨烯强韧化碳纤维复合材料关键技术方面取得了新进展。
在前期研究工作中发现，石墨烯纳米粒子接枝到碳纤维表面可以有效提高碳纤维复合材料的界面性能（ACS Applied Materials & Interfaces, 2012,4, 1543）。
为了实现石墨烯改性碳纤维的规模化路线，采用石墨烯改性上浆剂对碳纤维表面进行改性，以提高碳纤维复合材料的界面性能。
研究人员通过对石墨烯表面改性，制备出在水溶液和上浆剂中均能稳定分散的石墨烯，通过对石墨烯尺寸的分级调控，制备出了表面改性的石墨烯（如图1），可以稳定分散于不同的上浆剂体系中，成功实现了石墨烯在上浆剂中的稳定分散技术。
通过相反转法和自乳化法成功研发出两种具有良好稳定性的石墨烯改性上浆剂（如图2），并且有效提升了碳纤维的复合材料的界面粘结性能，其界面剪切强度（IFSS）可达92.3 MPa（如图3），而且碳纤维的上浆率低于1.5%，饱和吸水率低于2%。
采用石墨烯强韧化碳纤维，优化加工成型工艺条件，得到综合性能优异的石墨烯强韧化碳纤维复合材料，复合材料层间剪切强度可达73.5 MPa；I型层间断裂韧性提高幅度为33.3%。
该研发成果已申请发明专利（CN 201610296461.7）。
以上工作得到了宁波市石墨烯重大科技专项（2014S10004）的大力支持。
