聚丙烯腈基碳纤维及其增强复合材料_柴晓燕

2011年第7期广东化工

第38卷总第219期https://www.sodocs.net/doc/216089615.html, · 293 · 聚丙烯腈基碳纤维及其增强复合材料

柴晓燕，朱才镇，刘剑洪

(深圳大学化学与化工学院，广东深圳 518060)

[摘要]聚丙烯腈(PAN)基碳纤维作为一种高比强度和高比模量的增强型与功能型高性能纤维材料，在航空航天、国防军工及文体用品等方面都有广泛的应用。文章主要介绍了聚丙烯腈基碳纤维的制备、结构与性能及其在复合材料中的应用。

[关键词]碳纤维；增强；复合材料

[中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2011)07-0293-03

PAN-based Carbon Fibers And Reinforce Composite Materials

Chai Xiaoyan, Zhu Caizhen, Liu Jianhong

(College of Chemistry and Chemical Engineering, ShenZhen University, Shenzhen 518060, China)

Abstract: Polyacrylonitrile carbon fibers were widely used in many fields, such as aerospace, strategical missile, sports and leisure industries, because of which are the most crucial and imperative part of the reinforce of the composition. The paper mainly introduces the production, structure and property of PAN-based carbon fiber, and the applications in the composite materials.

Keywords: carbon fibers；reinforce；composite material

碳纤维是由有机纤维经过一系列的热处理转化而成的含碳量在90 %以上的脆性材料，是一种纤维状的碳材料。作为一种新型材料，碳纤维具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温和低温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、热膨胀系数小等一系列的优异性能,结构独特，集众多优异性能于一身，它既可以作为结构材料的增强基承载负荷，又可作为功能材料[1]。由于碳纤维的强度比钢大,相对密度比铝还轻，并且具有上述电学、热学和力学性能，在现代科学技术、现代工业和现代国防的发展中起着重要作用。随着碳纤维产量的提高，碳纤维市场的扩大，价格不断降低，民用应用领域不断扩大。目前碳纤维已经渗透到高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、钓鱼竿、游艇、赛艇、汽车构件、火车零件、石油、化工等多个领域，被誉为21世纪最有生命力的新型材料[2]。

碳纤维起源于19世纪60年代，而工业化则起步于20世纪50~60年代，是应宇航工业对耐烧蚀和轻质高强材料的迫切需求而发展起来的。l9世纪末，爱迪生首先用碳丝制作了白炽灯的灯丝，1959年，日本大阪工业试验所的近藤昭男发明了利用聚丙烯腈(PAN)纤维制造碳纤维的新方法，这一工艺很快受到重视，并实现了通用型PAN基碳纤维的工业化生产。而英国在此基础上开发了高性能的PAN基碳纤维的生产技术，处于了领先地位。20世纪70年代后，由于美国航天工业的高速发展，极大地促进了聚丙烯腈基碳纤维的发展[2]。

目前工业生产中主要采用聚丙烯腈(PAN)纤维、沥青纤维和粘胶纤维为原丝来生产碳纤维[3]。其中粘胶基和沥青基碳纤维用途较单一，产量也较为有限，而聚丙烯腈基碳纤维生产工艺简单，产品力学及高温性能优异，具有良好的结构和功能特性，因而发展较快，成为高性能碳纤维发展和应用的最主要和占绝对地位的品种，主要用于高性能结构及功能复合材料，在航天,航空、兵器、船舶等国防领域具有不可替代的作用。

1 PAN基碳纤维

1.1 PAN基碳纤维的制备工艺

PAN基碳纤维的制备包括PAN原丝的纺丝、预氧化和碳化三大工艺过程。优质的PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要条件。原丝纺丝工艺有湿法、干法、干湿法和熔融法等[3-5]，其中干湿法和熔融法是新的发展趋势，而湿法工艺则相对较为成熟。湿法成形的纤维纤度变化小、残留溶剂少，而且容易控制原丝质量，因而湿法纺丝仍是目前广泛应用的纺丝工艺。PAN基碳纤维的制备工艺流程如图1所示。

PAN原丝的预氧化，又称热稳定化，一般在180~300 ℃的空气气氛中进行。因为当温度低于180 ℃时反应速度很慢，耗时太长，生产效率过低；然而，当温度高于300 ℃时将发生剧烈的集中放热反应，导致纤维熔融断丝。在预氧化过程中要对纤维施加适当牵伸以抑制收缩、维持大分子链对纤维轴向的取向。预氧化的目的是使热塑性PAN线形大分子链转化为非塑性的耐热梯形结构，从而使纤维在碳化高温下不熔不燃，继续保持纤维形态[7-9]。预氧化方法包括恒温预氧化、连续升温预氧化和梯度升温预氧化。其中，前两种预氧化方法效率较低，目前主要用于实验室研究，而梯度升温预氧化则是当前工业化生产所普遍采用的。预氧化温度及其分布梯度、预氧化时间、张力牵伸等是影响预氧化过程的主要工艺参数。恰当的预氧化工艺可以在较短的时间内使纤维得到稳定化，为后期碳化提供均质的预氧丝；而不恰当的预氧化工艺则会造成原丝热稳定化的过度或不足，在高温碳化过程中纤维可能发生熔断或形成较多结构缺陷，严重影响最终碳纤维的性能。预氧化过程在整个碳纤维制备流程中耗时最长，预氧化时间一般为60~120 min，碳化时间为几分钟到十几分钟，而石墨化时间则以秒计算。可见，预氧化过程是决定碳纤维生产效率的主要环节。

碳化过程一般包括低温碳化和高温碳化两个阶段，低温碳化的温度一般为300~1000 ℃，高温碳化的温度为1100~1600 ℃。碳化时需要采用高纯度氮气作为保护气体。在碳化过程中，较小的梯形结构单元进一步进行缩聚，且伴随热解，向乱层石墨结构转化的同时，释放出许多小分子副产物。非碳元素O、N、H

逐步被脱除，C元素逐步富集，最终生成含碳量在90 %以上的碳纤维。

图1 PAN基碳纤维的制备工艺流程[6]

Fig.1 The production of PAN-based carbon fiber

1.2 聚丙烯腈基碳纤维的结构

丙烯腈(AN)在一定的聚合条件下双键被打开，生成大分子链，同时放出反应热。氰基中的氮原子电负性大于碳原子，使氰基中的碳原子与氮原子间的电子云偏向氮原子，氮原子呈负电性，碳原子呈正电性。与氰基相连的主链上的碳原子与氰基中碳原子之间的电子云由于诱导作用的影响，偏向氰基碳原子，所以形成了很强的偶极矩。同一条聚丙烯腈大分子链上的氰基极性相同，互相排斥，呈现出僵硬的刚性，按照一定角度排列形成了对称的圆棒体，如图2所示。圆棒体的直径约为0.6 nm，长度约为10~100 nm。几根至几十根圆棒平行排列形成了有序的结晶区，而杂乱堆砌的大分子链则形成非晶区，即无定形区如图3所示。

聚丙烯腈原丝的预氧化过程从无定形区开始，逐渐发展到结晶区。纤维在预氧化初期是半融状态，丝束结构消失后呈块状的堆垛结构；预氧化中期，块状堆垛结构由束状向片状发散排列结构转变，并且在预氧化的后期趋于稳定。碳纤维是由片状石墨微晶沿纤维轴向方向堆砌而成的所谓“乱层”结构，通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成，其中孔洞的含量、

[收稿日期] 2011-06-10

[作者简介] 柴晓燕(1985-)，女，浙江人，硕士，助教，主要研究方向为碳纤维的结构与性能。

广东化工2011年第7期· 294 · https://www.sodocs.net/doc/216089615.html, 第38卷总第219期

大小和分布对碳纤维的性能影响较大。碳纤维各层面间的间距约为3.39~3.42 ?，各平行层面间的各个碳原子，排列不如石墨那样规整，层与层之间借范德华力连接在一起。

图2 PAN分子链的无规螺旋结构[6]

Fig.2 Random spiral structure of PAN fiber

图3 PAN纤维的形态模型[10]

Fig.3 Morphological model of PAN fiber

图4 碳纤维的条带结构模型[11]

Fig.4 Ribbon structure model of carbon fiber

图5 碳纤维的微原纤结构模型[12]

Fig.5 Microbibrils structure model of carbon fiber

人们用XRD、小角X射线散射、红外光谱、XPS、扫描电镜、透射电镜、扫描探针显微镜等方法对PAN纤维、碳纤维的结构进行了各方面的研究，提出了多种碳纤维的结构模型。Perret和Ruland提出了碳纤维的条带模型，如图4所示。条带模型由平均宽度为5~7 nm、平均长度为几百纳米的带状石墨层组成，条带可以从一个区域进入另一个堆叠区，条带之间连续平行堆叠而存在针形的孔洞，孔洞长度大于条带的平均直线部分。Diefendon等人提出了微原纤模型，如图5所示。微原纤结构模型类似于条带模型，但是微原纤是基本的结构单元，由10~30个基本面构成微原纤，再由它堆叠成条带结构。低模量碳纤维,条带厚度为13层平面(平均值)，宽度为4 nm；高模量碳纤维厚度约为30层，宽为9 nm。高强型碳纤维的褶皱显著而对于高模碳纤维褶皱则较小。1.3 聚丙烯腈基碳纤维的性能

碳纤维通常在360 ℃以下使用，如果在空气中使用的温度过高，就会发生明显的氧化，氧化产物CO2、CO从纤维表面散失。但在隔绝氧的情况下，使用温度可大大提高到1500~2000 ℃，而且温度越高强度越大。碳纤维有以下优良特性：

(1)具有高比强度(抗拉强度/密度)、高比模量(弹性模量/密度)，日本东丽公司生产的聚丙烯腈基碳纤维T300的强度已提高到3.56 GPa，T1000的抗拉强度达到8.05 GPa，而传统的金属纤维的强度为2.56`3.97 cN/dtex；

(2)比重轻、密度小，PAN基碳纤维在1000 ℃处理后密度为1.7 g/cm3，经2300℃以上温度处理，密度一般为2.0~2.1 g/cm3，而玻璃纤维的密度为2.55 g/cm3，金属钢纤维的密度高达7.80 g/cm3；

(3)质量比热导率高，热膨胀系数小，一般PAN基碳纤维的热膨胀系数都小于金属材料，碳纤维的这一性质是金属无可比拟的；

(4)耐磨擦、耐疲劳、耐高温和低温、抗蠕变、减振吸能等一些列物理机械性能优异；

(5)耐酸、碱和盐腐蚀，能够形成多孔、吸附性强的活性碳纤维；

(6)导电性好、具有良好的X射线透过性及电磁波遮蔽性；

(7)具有自润滑性，熔融金属中不沾润，可以降低复合材料的磨损率；

(8)生物相容性好，生理适应性强。

2 碳纤维增强复合材料

2.1 碳纤维增强复合材料简介

复合材料是由两种或两种以上独立组分材料经复合工艺制得的多组分材料，其中分散相为增强体，起提高强度或韧度作用，如纤维、颗粒、晶须等，连续相为基体，形成几何形状并起粘接作用，如树脂、陶瓷、金属等。在复合材料中各组分仍保持原有性质，彼此取长补短使综合性能更加优异，构成新一代先进复合材料。与传统的金属材料比较，复合材料具有质量轻、高强度、高刚性、耐疲劳和热膨胀系数小等一系列优异性能。通常将比强度（强度/密度）在4×106以上，比模量（模量/密度）在4×108 cm 以上的复合材料称为先进复合材料。作为增强纤维主要有碳纤维(CF)、硼纤维(BF)、凯夫拉纤维(KF)、碳化硅纤维(SF)和氧化铝纤维(AF)五大类型，碳纤维的综合性能居五大增强纤维之首。

碳纤维增强复合材料主要包括以下几大类[13]：碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)、碳纤维增强碳基复合材料(C/C)、碳纤维增强金属基复合材料(CFRM)、碳纤维增强陶瓷基复合材料(CFRC)、碳纤维增强橡胶基复合材料(CFRR)及碳纤维增强木材复合材料等[1]。其中，CFRP和C/C复合材料的技术较成熟，得到了广泛的应用；CFRM在部分的构件中得到应用，整体工艺仍然处于研制开发阶段；CFRC和CFRR尚处于应用开发阶段。

碳纤维增强碳基复合材料简称碳/碳(C/C)复合材料，是由碳纤维或织物等增强碳基复合材料构成。碳/碳复合材料具有许多优异性能，如轻质、高强高模、尺寸稳定、耐高温、抗热应力、抗氧化、耐磨损，具有较高的断裂韧性和假塑性等等。碳/碳复合材料在高温环境中，强度高，不熔不燃，仅仅是均匀烧蚀。密度较低，一般在1.40~2.00 g/cm3之间，高比强度和可在高温环境中使用，使它成为应用于航天航空及军事领域的首选高温材料。碳纤维的导热率具有各向异性，由它制得的碳/碳复合材料的导热率也同样具有显著的各向异性，平行于纤维轴向的热导率高达780 W/(m·K)，约是铜的2倍。碳/碳复合材料具有高的热导率和低的热膨胀系数，使其具有较人的抗热震能力，即具有优异的抗热应力能力，能够经受苛刻的热应力环境[6]。

2.2 碳纤维增强复合材料的制备方法

纤维增强复合材料分为连续纤维复合材料和非连续纤维复合材料，前者作为分散相的长纤维两端点都位于复合材料的边界处，后者则是短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中。复合材料的结构如图6所示[13]。

(a) (b) (c) (d)

(a)叠层复合(b)连续纤维复合(c)细粒复合(d)短切纤维复合

图6 复合材料结构

Fig.6 Structure of composites

2011年第7期广东化工

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碳纤维增强树脂基复合材料成型方法：真空袋囊法、挤拉成型、缠绕成型、树脂注射成型法、手糊法。纤维增强金属基复合材料成形：扩散结合法，熔融金属渗透法，等离子喷涂法等[13-15]。

在碳/碳复合材料中碳纤维及其预成型物作为增强的骨架，预成型物可以是碳布的叠层针刺物(z向)、整体碳毡(针刺毡)或各种编织物。C/C复合材料成型主要工序：胚体的预成型、浸渍、碳化、致密化、石墨化和抗氧化涂层。C/C复合材料的主要制备工艺流程如图7所示。

材料增强碳纤维制可成不同类型的坯体，坯体的制造方法很多，有预浸料缠绕、叠层、编织，主要以编织为主。致密化处理工序主要有树脂浸渍、化学气相沉积(CVD)、化学气相浸渗(CVI)、碳化、石墨化等。致密化工序的目的在于使增强纤维连接成整体，保持一定形状，从而能够承受外力。炭化可分为低温炭化(1000 ℃左右)和高温炭化(1200~1800 ℃)，石墨化大概在2500~3000 ℃。多次致密化循环中进行石墨化可以弥补基体中非碳原丝逸走而造成的空洞和收缩。

Fig.7 Preparation flow process of C/C composites

2.3 碳纤维增强复合材料在高新技术及民用领域中的应用

碳纤维复合材料具有一系列独特优点，在航空、航天与武器装备的轻量化、小型化和高性能化上起到了无可替代的作用。客机、直升机、军用机通过使用复合材料达到轻量化、省能化，使乘客数与飞行距离增加。复合材料在运载火箭和导弹武器的整流罩、弹体/箭体结构、固体火箭发动机壳体等主/次承力结构部件上得到广泛应用。

碳纤维复合材料应用到一些高档文体休闲用品中，其中高尔夫球杆、网球拍和钓鱼杆是三大支柱产品，其次是自行车、赛艇、赛车、弓箭、滑雪板、撑杆和乐器外壳等。在医疗器械中的应用主要包括假肢、人造骨骼、韧带、关节以及X光透视机等。碳纤维在海洋石油开采、纺机配件剑杆织机机械手、电气电子元件、印刷造纸中也普遍应用。用CFRC制造汽车部件可实现其轻量化，减小行驶阻力，提高机械效率，从而降低了汽车的耗油量。在以风力发电为主的能源领域CFRP应用于风机叶片、机舱罩、导流罩以及塔架结构，碳纤维吸附材料还广泛应用于“空气净化”、“三废处理”。

此外，碳纤维增强复合材料在以下领域也有广泛应用：火车

的车体新材料、磁悬浮列车的磁铁支撑体材料、燃料电池和锂离

子电池等新电源、太阳能电池的结构材料、密封填料、电热器材

以及耐燃织物和特种服装等等。

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其增强复合材料[J]．广东化工，2011，38(7)：293-295)

超细Al2O3颗粒增强铜基复合材料的研究

第15卷 1998年 　 第3期 8月 复　合　材　料　学　报 A CTA M A T ER I A E COM PO S ITA E S I N I CA V o l .15 N o.3A ugust 1998 收修改稿、初稿日期:1997204225,1997202205 本课题为机械工业部教育司基金和陕西省自然科学基金资助项目 超细A l 2O 3颗粒增强铜基复合材料的研究 梁淑华 范志康 时惠英 魏　兵 (西安理工大学材料科学与工程学院,西安710048) 摘　要　采用热压烧结法制备了超细A l 2O 3P Cu 复合材料,并进行了轧制,对其组织与性能进行观察与分析。结果表明,超细A l 2O 3P 在基体中分布均匀,细化了晶粒,具有优于铜及铜合金的抗软化性能和耐磨性能。随着超细A l 2O 3P 含量的提高,密度、电导率降低,硬度、强度升高,轧制后的电导率与美国SC M 制品接近。 关键词　热压烧结,复合材料,组织和性能中图分类号　TB 331 A l 2O 3颗粒增强铜基复合材料是一种新型的优秀材料,它可以同时具有高强度、高导热性,以及优于其他任何一种铜合金的耐磨性,是I C 引线框架、电阻焊电极、连铸钢坯结晶器、氧枪喷头等要求高温下高强度、高导电及良好耐磨性的材质最佳选择[1]。国内在这方面的研究报导较少,国外的材料主要采用内氧化法制取,这种方法周期长,一般需要10～20小时,工艺复杂, 要经过制取合金粉(雾化),内氧化处理,热等静压等工序,生产成本高。正是由于生产方法、成本的限制,这种优秀的复合材料至今没有得到良好的应用[2]。 本研究旨在开发一种简单易行,生产成本低廉的生产方法,试图通过研究使这种复合材料得到更广泛的应用,并为此提供依据。 1　材料及实验方法 试验所用A l 2O 3为Α结构,粒度为0.1Λm 和55Λm (对比),经过化学和热处理后使用,铜粉为270目电解铜粉,将两种原料按比例配制后,再加入适量的分散剂,放入QM 24H 型超级球磨机中进行球磨5～6h (A r 保护),然后将原料装入石墨模具中在自制的热压烧结炉中进行烧结,采用N 2保护,烧结温度为850～1000℃,压力40～50M Pa 。显微组织在普通金相显微镜及SE M 下观察,密度用0.1m g 光电天平排水法测量,硬度测试在HB 23000型布氏硬度计上进行测试,在7501型涡流电导仪中测量电导率(%I A CS ),磨损试验在MM 2200型往复磨损试验机上进行,在25吨万能拉伸试验机上测试抗压强度Ρbc 。 除抗压和磨损试验外,其他试样经过热轧,轧制温度500～600℃,相对变形量65%。

(TiB2+α-Al2O3)颗粒增强铜基复合材料的原位反应机理及摩擦磨损性能研究

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硕士专业学位论文 (TiB2+仅．A1203)颗粒增强铜基复合材料的原位反应机理及摩 擦磨损性能研究 作者：蒋娅琳指导教 师：朱和国教授 南京理工大学 2015年01月

Master Dissertation Reaction pathways and Friction and wear ·●- -·J-orooerties ol the in-situ cooper matrix composites reinforced by(TiB2+仅--A1203) J● l D articles Jiang Yalin Supervised by Pyoj．Zhu Heguo Nanj ing University of Science＆Technology January,2015

声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：孪泌尸阵乡月碉 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：矽篮年乡月徊

硕士学位论文(TiB2+o【．A1203)颗粒增强铜基复合材料的原位反应机理及摩擦磨损性能研究 摘要 本文采用放热弥散法()(D)成功以A1．Ti02．B．Cu、A1．Ti02．B203．Cu体系为原料通过原 位反应法制备了以(TiB2+仅．A1203)颗粒为增强相的铜基复合材料。对A1．Ti02．B．Cu和A1．Ti02 一B203．Cu系进行了反应热力学计算，通过真空烧结两种体系，对生成物进行SEM 观察和 EDS能谱检测，并结合XRD分析结果鉴定反应产物的相组成，根据反应产物类型建立反 应模型，分析反应过程，研究反应机理。结果表明，体系可以按热力学方向进行，分别生成 0【．A1203和TiB2增强相，可以制备出颗粒增强的铜基复合材料。同时本课题对该两种体系 制备出来的复合材料进行了摩擦磨损性能研究。 反应机理研究表明：A1．Ti02．B．Cu系在烧结过程中发生了四步化学反应，每步反应的表观活化能分别为590．5kJ·mol～，708．0kJ·m01．1，354．6kJ·mol。1和346．4kJ·mol～。A1．Ti02．B203．Cu系在烧结过程中共有两步反应，每步反应的表观反应活化能分别为 1 68．9 kJ．mol。1和342．8kJ．mol～。 摩擦磨损性能研究表明：在所研究的三种体积分数的材料当中，体积分数为30v01．％ 时A1．Ti02．B．Cu系和A1．Ti02．B203．Cu系的耐磨性能最低，太高的增强相体积分数破坏了 铜基的软韧性，脆性急剧升高，在实验过程中容易脆断。 对于增强相体积分数为20v01．％，10v01．％的铜基复合材料，在常温下，体积分数为 10v01．％的摩擦磨损性能最高增强相大小分布均匀，摩擦所形成的犁沟浅且窄。摩擦系数 变化范围不大。摩擦磨损性能较为稳定。 随着滑动速率的增加，材料的磨损量在一定范围内先升高后下降。这是由于材料在磨 损过程中产生了硬化膜，这层硬化膜阻碍了摩擦进程。A1．Ti02．B203．Cu(10v01．％)的试 样在摩擦磨损过程当中最早出现下降趋势，减小了磨损量，有相当耐磨损能力。 关键词：原位反应，反应机理，增强相，活化能，摩擦磨损性能

碳纤维材料的性能

碳纤维材料的性能及应用 摘要：介绍了碳纤维及其增强复合材料，详细介绍了碳纤维复合材料的分类和特性,着重阐述了碳纤维及其复合材料在高新技术领域和能源、体育器材等民 用领域的应用，并对未来碳纤维复合材料的发展趋势进行了分析。 关键词：碳纤维性能应用 0引言 碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料，不仅在国防战略武器建设中具有不可替代性，在绿色能源建设、节约能源技术发展和促进能源多样化过程中也将发挥极其重要的作用。若将先进碳纤维复合材料在国防领域的应用水平和规模视作国家安全的重要保证，则碳纤维复合材料在交通运输、风力发电、石油开采、电力输送等领域的应用将与有效减少温室气体排放、解决全球气候变暖等环境问题密切相关。随着对碳纤维复合材料认识的不断深化，以及制造技术水平的不断提升，碳纤维复合材料在相关领域的应用研究与装备不断取得进展，借鉴国际先进的碳纤维复合材料应用经验，牵引高性能碳纤维及其复合材料的国产化步伐，对于改变经济结构、节能减排具有重要的战略意义。 1碳纤维材料 1.1何为碳纤维材料 碳纤维是一种含碳量在9 2% 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不仅是21 世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。碳纤维分为聚丙烯睛基、沥青基和粘胶基 3种, 其中90 % 为聚丙烯睛基碳纤维。聚丙烯睛基碳纤维的生产过程主要包括原丝生产和原丝碳化两部分。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料, 广泛应用于航空航天领域体育休闲领域以及汽车制造、新型建材、

碳纤维增强铜基复合材料

碳纤维增强铜基复合材料 姓名: 张洪敏 学号: SX1206088 专业: 材料加工工程 导师：汪涛 日期：2012年11月15日

碳纤维增强铜基复合材料 一、碳纤维增强铜基复合材料的性质及其特点 目前国内外开展金属基复合材料占主导地位的是铝基复合材料及其制品，铜基复合材料的研究虽然不占主导地位，近年来也受到了人们的极大重视。现在有许多关于碳/铜复合材料的报道，证明它又一系列的优异性能。如：可利用其低的膨胀系数和优良的导热、导电、延展性和耐磨性制作功能结构元件；大功率晶闸管支撑电极；大规模集成电路基板；电刷、触头及其他导电滑块；耐磨自润滑轴承和其他耐磨件等。但是由于铜的熔点较高，较其他熔点低的金属来说，制造过程困难，同时由于铜基体与金属基复合材料的主要增强体润湿性差，所以影响了对其的研究和开发。随着人们对界面结构认识的提高及对改善润湿性方法的采用，使铜基复合材料的开发和应用具有广泛的前景。 碳/铜复合材料除具有铜基复合材料的共同特点之外，还具有优良的高温力学性能，根据增强体的体积，可将热膨胀系数减到接近零。这种复合材料的成本比钛低，密度比钢小，且易加工，因此碳/铜复合材料受到人们的广泛关注。 碳纤维增强铜基复合材料是以铜为基体，以碳纤维为增强体的金属基复合材料。选择高强高模、高强中模及超高模量碳纤维，以一定的含量和分布方式与铜基体组成不同性能的碳/铜复合材料。 由于碳纤维具有很高的强度和模量，负的热膨胀系数以及耐磨、耐烧蚀等性能，与具有良好导热导电性的铜基组成复合材料具有很好的导热导电性、高的比强度、比模量，很小的热膨胀系数和耐磨、耐烧蚀性，是高性能的导热、导电功能材料。 二、碳纤维增强铜基复合材料的表面改性 一束碳纤维表面直接沉积铜后，经不同温度的真空热扩散，测试热扩散前后C/Cu复合材料丝的断裂强度，测定结果表明，复合丝经900℃热扩散后强度仍未降低，说明碳纤维与铜基体之间没有发生界面反应。X射线衍射结果也表明，C/Cu界面处无反应物产生。界面成分分析表明，没有发生Cu与C的互扩散及其溶解。因此，C/Cu界面不会发生化学反应，也不会有溶解现象，只是一种已机械结合为主的物理结合。 为改善界面结合特性，有人首先在高强度碳纤维表面上电沉积镍涂层，使界面形成C-Ni互扩散结合特性，然后在镍涂层上电沉积铜。最后把经过电镀的碳纤维预制件在900℃下热压实。由此生产的材料模量不高，仅为180GPa，抗拉强度为380MPa，造成这种情况的主要原因是分层、纤维分布不均匀及基体松孔。 碳纤维与铜具有良好的化学相容性，但二者的润湿性差。目前的研究，主要集中于以下两方面来改善其润湿性。 1、在基体中加入合金元素 在基体中加入适量的合金元素，通过改变基体的化学成分以降低润湿过程的自由能，促进基体与纤维润湿。 2、对碳纤维进行表面处理 用化学镀铜法，使碳纤维与铜箔产生了良好的复合，在碳纤维表面进行化学气相沉积处理后，再浸铜，得到了碳/铜复合丝，这种方法也可促进二者之间的润湿。

碳纤维增强复合材料概述

碳纤维增强复合材料概述 摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituent materials），它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8 μm 内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、

金属基复合材料

金属基复合材料 姓名：李英杰 班级：材控13-2 学号：201301021048

铜金属基复合材料 摘要：铜基复合材料因其具有优良的力学性能、较高的耐磨性和良好的导电导热性,被广泛应用于电子封装、电刷、电接触元件及电阻焊电极等方面。寻求既具有高导电导热性又具有良好力学性能的新型增强颗粒,对于铜基复合材料的研究和应用具有非常重要的意义。纳米金刚石(ND)具有高硬度、高耐磨性、导热性好和热膨胀系数低等优异性能,将其弥散分布到铜体中有望得到具有优良综合性能的铜基复合材料。本文主要介绍碳纤维增强铜基复合材料，其次还有不同的制备方法和加入不同的增强体的铜基材料。 关键词：碳纤维增强铜基复合材料复合电铸粉末冶金法 Cr3C2颗粒 引言：碳纤维增强铜基复合材料以其优异的导电、导热、减摩 和耐磨性能以及较低的热膨胀系数而广泛应用于航空航天、机械和电子等领域[1-5]。正是由于这种材料优异的性能以及在应用方面的优势，国内外对于碳纤维增强铜基复合材料的研究一直没有间断过。从2O世纪7O年代末开始，国内有关研究机构和高等院校就相继展开了C／Cu复合材料的试验研究，并取得了重要进展[6]。综合合金化强化、固溶强化、颗粒增强复合材料、形变强化以及时效析出强化等多种手段,对高强高导铜基材料展开研究,成功制备了一种新的Cr3C2颗粒增强Cu基复合材料,并探讨了Cr3C2/Cu复合材料的相关机理[7]。粉末冶金法是制备短碳纤／铜基复合材料的一种普遍方法。其中,冷压烧结粉末冶金法只适合制备碳纤维含量较低的碳一铜复合材料[8]。复合电铸工艺制备颗粒增强铜基复合材料,通过工艺研究、优化,成功制备了颗粒分布均匀,含量可控,材料组织致密、完整的Cu/SiC Cu/Al2O3复合材料。通过对力学性能、物理性能及摩擦磨损性能的研究考察,确定了复合电铸工艺制备的不同粒径颗粒增强铜基复合材料的性能特点、强化机制,为材料的实际应用提供理论参考[9]。 一、简述不同类型铜金属基复合材料 1.复合电铸制备颗粒增强铜基复合材料 随着现代航空航天、电子技术、汽车、机械工业的快速发展,对铜的使用提出了更多更高的要求,即在保证铜良好的导电、导热性能的基础上,要求铜具有高强度,尤其是良好的高温力学性能,低的热膨胀系数和良好的摩擦磨损性能。颗粒

碳纤维复合材料

碳纤维复合材料 碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料。 碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。 (1)密度低(1.7g/cm3左右)在承受高温的结构中，它是最轻的材料;高温的强度好，在2200oC时可保留室温强度;有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性;而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现"假塑性效应"即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。 (2)热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。 (3)耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。 复合原理它以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。 复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。 碳纤维增强尼龙的特色 碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特色，与玻璃纤维比较，模量高3?5倍，因而是一种取得高刚性和高强度尼龙资料的优秀增强资料。碳纤维复合资料可分为长（接连）纤维增强和短纤维增强两大类。纤维长度可从300~400m 到几个毫米不等。曩昔10年中，大家在改善不一样品种的碳纤维复合资料加工办法和功能方面投入了许多的研讨。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型，在碳纤维复合资料及制品制造方面积累了许多成功的经历。当前普遍认为，长（接连）纤维有高强、高韧方面的优越性，短切纤维有加工性好的特色。因而，长碳纤维复合资料在加工上完善成型技术、短碳纤维复合资料进一步进步力学功能是碳纤维复合资料开展的方向。 依据碳纤维长度、外表处理方式及用量的不一样，还能够制备归纳功能优秀、导电功能各异的导电资料，如抗静电资料、电磁屏蔽资料、面状发热体资料、电极资料等。碳纤维增

铜基自润滑复合材料综述2

铜基自润滑复合材料综述 1 国内外铜基复合材料的研究现状与发展趋势 近年来，随着电子技术、计算机和信息技术的迅猛发展，焊接电极、接触导线、轴瓦和集成电路引线框架、仪器仪表、电子通信器件中的接触元件等部件种类增多，需求量急剧增大，而且器件向高整化、高集成电路化、高密实装化等方向变化，要求材料不仅具有良好的导电性、导热性、弹性极限和韧性，而且还应具有较好的耐磨性，较高的抗张强度，较低的热膨胀系数，加工性能好；焊接性能、电镀性能及封装、性能良好等一系列优良性能。自美国Ollin公司首先研制生产Cl9400铜合金替代铁镍合金作引线框架以来，在世界上掀起了研制和生产铜基复合材料的热潮，由于铜基复合材料强度的提高往往伴随着导电、导热性的下降。如何解决这一矛盾，将是铜基复合材料研究的关键课题。目前，Cu基复合材料的研究开发国内外非常活跃，抗拉强度在600MPa以上，导电率大于80%LACS的铜基复合材料已成为开发的热点之一。铜与其它一种金属有良好的融合性，采用Fe、Cr、Zr、Ti等在铜基体中有较大固溶度的合金元素，经固溶和时效处理后，合金元素以单质或金属间化合物的形式弥散析出，析出的弥散相有效阻止位错和晶界的移动，达到强化效果，而且第二相的析出纯化了基体金属，恢复了有固溶处理所降低的导电、导热性，取得了强度和导电导热性的平衡。如Cu-Ni-Si合金，通过固溶处理，强冷变形并时效处理后，由于在时效过程中调幅结构幅度的变化和沿晶界析出相形核的形成，NiSi相呈颗粒状从晶界上析出，使该合金抗拉强度达到760MPa，导电率43%；又通过对Cu-Cr-Zr系合金固溶处理和时效的控制，使含富Cr的金属间化合物在Cu基体上呈纳米微细结构弥散析出，获得了抗张强度600MPa、电导率80%IACS。 Cu基复合材料所追求的并非只是强度和导电，而是多项性能的综合。在实际使用过程中，电子器件发热所增加的热量需要通过铜基合金向外散热，因此，作为高强度Cu基复合材料还要求具有良好的导热性能。在Cu基复合材料的开发应注重以下几个方面： （1）新材料必须提高能适应部件小型化的加工性能； （2）Cu基复合材料的开发应注重特定的应用环境，如发动机四周的汽车电器，要求高温应力松弛特性优良的部件等。 引入纤维、晶须、陶瓷颗粒等高强度的强化相增强基体显示出良好的发展前景，其方法是向铜基体内植入稳定的高强度第二相，通过冷变形等加工处理，使第二相以弥散的颗粒状或纤维状分布与基体中，达到机械能和电导性能的最佳匹配。 2 铜基复合材料颗粒增强相的种类 颗粒增强铜基复合材料是指在铜基体中人为地或通过一定工艺生成弥散分布的第二相粒子。第二相粒子利用混合强化和阻碍位错运动的方式来提高铜基的强度，增加其耐磨性，如Al2O3/Cu复合材料，Ti2B2/Cu复合材料。通常第二相粒子在铜基复合材料中主要以2种形式分布：（1）在晶粒内部弥散分布；（2）在晶界上聚集分布。

铜基自润滑复合材料摩擦磨损性能研究

铜基自润滑复合材料摩擦磨损性能研究 前言 随着电子技术、信息技术以及航空、航天技术等的迅猛发展，焊接电极、接触导线、轴瓦和集成电路引线框架、仪器仪表、电子通信器件中的接触元件等部件种类增多，需求量急剧增大，而且器件向高整化、高集成电路化、高密实装化等方向变化，要求材料不仅具有良好的导电性、导热性、弹性极限和韧性，而且还应具有较好的耐磨性、较高的拉伸强度、较低的热膨胀系数，并具有良好的成型性和电镀及封装性能。 很多金属材料虽然有较高的强度，但摩擦学性能较差。采取合金化措施使硬组分分布在韧基体中，便可改善合金的摩擦学特性。把几种各具不同特点的材料(如软金属和其他固体润滑剂)进行人工复合，构成复合材料，使各组分间能相互取长补短，从而得到力学性能、化学性能和摩擦学性能都较为理想的金属基复合材料。铜具有很高的导电性、导热性，优良的耐腐蚀性能和工艺性能，广泛应用于电力、电工、机械制造等工业。但是铜的屈服强度一般较低，高温下抗变形能力更低，因而限制了其进一步应用。如何在不降低或稍降低铜的导电性等物理性能的前提下，提高铜的力学性能，是材料工作者研究的热点。 现有的铜基复合材料可分为显微复合铜合金、颗粒增强铜基复合材料及纤维增强铜基复合材料[1]。显微复合铜合金是一种Cu-X二元合金，以其超高强度、高导电率以及良好耐热性能引起人们的重视，有望用于热交换器、推进器、焊接电板等。颗粒增强铜基复合材料与铜基合金相比，具有更高的比强度和较好的高温强度，因而备受重视。常用的颗粒有金属颗粒(如钢颗粒、钨颗粒等)和陶瓷颗粒(如SiC、A1 03、A1N 、TiC、TiB5 、ZrC、WC 、纳米碳管等)，其中以Al2 03颗粒和SiC颗粒研究得较多。碳纤维／铜复合材料由于综合铜的良好导电、导热性，及碳纤维的高比强度、高比模量和低热膨胀系数，具备较高的强度、良好的传导性、减摩耐摩性、耐蚀性、耐电弧烧蚀性和抗熔焊性等一系列优点，已被广泛应用于电子元件材料、滑动材料、触头材料、集成电路散热板及耐磨器件等领域口。这类材料的性能可设计性好，可通过控制碳纤维的种类、含量及分布来获得不同的性能指标，是一类很有发展前途的新型功能材料。 主题 1、铜基复合材料的研究现状 1-1、SiC颗粒增强铜基复合材料 SiC颗粒增强铜基复合材料的制备主要有粉末冶金法、复合电铸法、复合电沉积法等，但不能采用液态法，原因是在高温液态下铜和SiC会发生严重的化学反应口而损害增强体。香港城市大学s．C．Wjong等应用热等静压法制备了SiC颗粒增强铜基复合材料，并测定了其耐磨性能、屈服强度和维氏硬度，虽然其耐磨性能和维氏硬度提高了，但其屈服强度却比基体铜还低。其原因是SiC颗粒和基体铜之间在固态条件制备下既不润湿，又没有界面反应，因而界面结合太弱了，Kuen-ming Shu等采用化学镀的方法在SiC颗粒表面包覆一层铜后通过粉末冶金法制备成型，并对比了无涂层和有涂层处理两种试样的显微组织和热膨胀特性，发现有涂层的界面结合较好，而且其热膨胀系数也能得到有效的减少。上海交通大学湛永钟等也采用化学处理工艺在SiC颗粒增强物表面均匀地包覆了一层铜，使复合材料获得紧密的界面结合，图2 2 所示为其断口形貌，有SiC颗粒脱粘的明显迹象。经过界面改性后，发挥了SiC 颗粒的增强作用，使复合材料获得了更高的强度和硬度，而电导率只有稍许下降。 1-2、碳纤维增强铜基复合材料 对碳纤维／铜基复合材料制备工艺的探讨一直是该类材料的研究热点之一。由于碳纤维

铜基自润滑复合材料综述

铜基自润滑复合材料综述 前言 铜及其合金不仅具有优良的导热性、导电性、耐腐蚀性、接合性、可加工性等综合物理、力学性能，而且价格适中，所以铜及其合金作为导电、导热等功能材料在电子、电器工业、电力、仪表和军工中用途十分广泛,是不可缺少的基础材料之。但是随着科学技术的发展，纯铜和现有牌号铜合金的导电性与其强度及高温性能难以兼顾，不能全面满足航天、航空、微电子等高技术迅速发展对其综合性能的要求。相对于铜及其合金，铜基复合材料是一类具有优良综合性能的新型结构功能一体化材料．它既继承了紫铜的优良导电性,又具有高的强度和优越的耐磨性，在各种领域都有着广阔的应用前景。所以研制高强度、高电导率的铜基复合材料是发挥铜的优势、开拓铜的应用领域的一种行之有效的方法。目前，研制高强度、高导电铜基材料遇到的首要问题是材料的导电性与强度难以兼顾的矛盾，即电导率高则强度低，强度的提高是以损失电导率为代价的。传统的强化手段(如合金化)由于自身的局限性，在提高铜的强度的同时，很难兼顾铜的导电性。导电理论指出，固溶在铜基体中的原子引起的铜原子点阵畸变对电子的散射作用较第二相引起的散射作用要强得多。因此，相对于合金化而言，复合强化不会明显降低铜基体的导电性．而且由于强化相的作用还改善了基体的室温及高温性能．成为获得高强度、高导电铜基复合材料的主要强化手段。铜基复合材料具有高强度、高耐磨性、高导电性的优势，目前已经成为研究的热点。铜石墨复合材料不仅含有良好强度、硬度、导电导热性、耐蚀性好等特点的铜，而且还含有良好自润滑性、高熔点、抗熔焊性好和耐电弧烧蚀能力好的石墨，从而使得铜石墨复合材料在摩擦材料、含油轴承、电接触材料、导电材料和机械零件材料领域发挥着重大作用，特别是作为受电弓滑板材料和电刷材料，有着广泛的应用。提高铜石墨复合材料的综合性能一直以来都是科研人员研究的主要内容。 复合材料定义：复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。 复合材料分类：复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：①纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内／层间混杂和超混杂复合材料。 1.铜基复合材料的制备方法： 铜基复合材料的制备方法很多，如内氧化法、粉末冶金法、复合铸造法、机械合金化法、浸渍法、燃烧合成法、溅射成型法、原位形变法等，各有其优缺点。下面对主要的制备方法及其大致发展趋势进行叙述，以期对制备工艺进行优化或为开发新的制备方法提供参考。

【CN110157999A】一种受电弓滑板用石墨纤维增强铜基复合材料【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910384324.2 (22)申请日 2019.05.09 (71)申请人 李纳 地址 466000 河南省周口市禅城县南丰镇 李路口行政村邬小庙村1号 (72)发明人 李纳　 (51)Int.Cl. C22C 49/02(2006.01) C22C 49/14(2006.01) B22F 1/02(2006.01) B60L 5/20(2006.01) C22C 47/14(2006.01) C22C 47/04(2006.01) C22C 101/10(2006.01) (54)发明名称 一种受电弓滑板用石墨纤维增强铜基复合 材料 (57)摘要 本发明涉及受电弓滑板材料制备技术领域， 且公开了一种受电弓滑板用石墨纤维增强铜基 复合材料，包括以下重量份数配比的原料：80～ 100份微米级Cu粉、60～100份微米级石墨纤维 粉、10～20份硅烷偶联剂、15～25份双酚A型E51 环氧树脂、5～8份抗氧化剂1010；在Cu粉表面包 裹上硅烷偶联剂、在经过混合强酸氧化处理的石 墨纤维表面包裹上硅烷偶联剂，再以环氧树脂为 粘结剂，将平均粒径基本相同的Cu粉与石墨纤维 粉粘合成一体，最后静压后烧结成型。本发明解 决了现有受电弓滑板用铜/石墨自润滑金属基复 合材料，由于铜与石墨之间的界面结合作用力不 强，导致材料在承受载荷时发生失效的技术问 题。权利要求书1页 说明书4页CN 110157999 A 2019.08.23 C N 110157999 A

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用林德春潘鼎高健陈尚开 （上海市复合材料学会）（东华大学）（连云港鹰游纺机集团公司） 碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性,纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。 可以明显看出，在航空航天领域碳纤维的用量有大幅度增加，2006年比2001年增长约40%，2008年增长约76%，2010年和2001年相比增长超过100%。 本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天领域应用的新进展。 1 航空领域应用的新进展 T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的 为拉伸强度达到5.5GPa，断裂应变高出T300 碳纤维的30％的高强度中模量碳纤维T800H 纤维。 （1）军品 碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材。 美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料：F-22的结构重量系数为27.8%，先进复合材料的用量已达到25%以上，军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人

纤维增强铜基复合材料

纤维顶出出一个研究铜基复合材料与工程接口：模拟实验和凝聚力元素 文章信息 文章历史：2008年9月25日收稿 2009年7月21日重新修订 2009年9月1日发行 重点; 纤维顶出试验 衔接区模型 纤维增强铜基复合材料 有限元模拟 界面脱粘 牵引分离法则 摘要 该纤维顶出试验是一种基本方法，探讨了纤维的力学性能/纤维增强金属基复合材料界面。为了估计的界面性能，参数应进行校准测量负载位移数据和理论模型。在软基复合材料的情况下，可能的塑料区域要进行校准考虑。由于传统的剪滞模型是基于弹性行为，一个详细评估的塑料效果是需要准确的校准的。在本文中，实验和模拟研究，提出了铜基复合材料与基体

的塑性强大的界面结合效果。显微图像表现出显着的塑性变形的区域全球领先的纤维负载位移曲线突出的非线性响应。作为比较，没有化学键涂层界面也可以检测到而其中的非线性则不能够观察到。一个先进的有限元建模是被用来完成一个推出有结合力的区域模型或相反的装置。与测量的推出曲线完全吻合，实验结果证明了预测结果。 1. 介绍 目前，用来加强铜基复合材料的连续 在2002年碳化硅（SiC）纤维作为一种新型的高热量的热点材料得到了很高的关注。一种可能的应用实例是核聚变反应的等离子面向组件。在实践中带有碳保护涂层的厚SiC纤维是用来起到增强作用的。最理想的复合材料的性能能通过铜和非常高强度的SiC纤维的热导性的结合来实现。 纤维的牢固结合面/基体界面的加载必须保证是从有延伸性的基体传导到牢固的纤维。结力强通常是指在纤维表面的薄的反应膜形成一个稳定的化学粘合的接口。界面的结合强度取决于最后的轴向和横向的载荷的施加量。此外，界面的摩擦也有助于一些区域载荷量的承载，只要拉拔纤维时在附近的接口处产生了相当大的剪应力。由于复合材料结构的设计通常取决

碳纤维增强铜基复合材料的最新研究进展和应用_苏青青

碳纤维增强铜基复合材料的最新研究进展和应用3 苏青青,李微微,刘　磊,沈　彬 (上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200240) 摘要 碳纤维增强铜基复合材料是一种极具发展前途的金属基复合材料。介绍了碳纤维增强铜基复合材料的制备工艺,总结概述了目前短碳纤维增强铜基复合材料的物理力学性能研究进展及其在航空航天、汽车、电子方面的应用现状和前景。探讨分析了碳纤维增强铜基复合材料的研究开发趋向,对碳纤维增强铜基复合材料的研究开发和实际应用具有一定的指导意义。 关键词 碳纤维增强铜基复合材料　研究进展　应用Application and Progress in Development of the C arbon Fiber R einforced Copper Matrix Composites SU Qingqing ,L I Weiwei ,L IU Lei ,SH EN Bin (State Key Laboratory of Metal Matrix Composites ,Shanghai Jiao Tong University ,Shanghai 200240)Abstract Carbon fiber reinforced copper matrix composites is a kind of metal matrix composites with a great potential for the development.A review on the preparation technology and the progress in the study of the physical and mechanical performance (including strength ,hardness ,thermal conductivity ,f riction and wear properties )are presented ,as well as the application in fields of aerospace ,automotive ,electronics ,etc.of the carbon fiber reinforced copper matrix composites.On the basis of the research situation ,a f uture development view is prospected. K ey w ords carbon fiber reinforced copper matrix composites ,research and development ,application 　3国家863项目(2007AA03Z546) 　苏青青:1985年生,硕士研究生　沈彬:通讯作者,教授　E 2mail :bshen @https://www.sodocs.net/doc/216089615.html, 0　引言 碳纤维增强铜基复合材料以其优异的导电、导热、减摩和耐磨性能以及较低的热膨胀系数而广泛应用于航空航天、机械和电子等领域 [1-5] 。正是由于这种材料优异的性能以及 在应用方面的优势,国内外对于碳纤维增强铜基复合材料的研究一直没有间断过。从20世纪70年代末开始,国内有关研究机构和高等院校就相继展开了C/Cu 复合材料的试验研究,并取得了重要进展 [6] 。本文从碳纤维表面处理、制备工 艺、力学性能、物理性能及应用方面对近几年的研究、开发和应用工作进行了总结,以期对碳纤维增强铜基复合材料的研究开发和实际应用提供参考和指导。 1　碳纤维/铜复合材料的制备工艺研究进展 复合材料的界面强度对其性能有直接的影响,合适的界面强度不仅有助于提高材料的整体性能,还便于将基体所承受的载荷通过界面传递给纤维,充分发挥其增强作用[7,8]。由于碳纤维与铜基体的润湿性不好,若直接复合,C/Cu 界面只能通过机械互锁联在一起,致使界面结合强度低,在承受载荷时,易发生碳纤维增强体的拔出、剥离或者脱落,严重限制了复合材料的发展与应用[4]。为了解决这一问题,目前多采用化学镀和电镀法等改善C/Cu 界面的结合情况[9]。在此方面,天津大学的王玉林等、合肥工业大学的凤仪等以及上海交通大学的胡文彬等都做了大量工作,通过对工艺的不断研究和优化,可以制备出镀层连续、均匀且无黑心现象的复合丝[10,11]。 根据制备复合材料时铜基体的状态区分,制备碳纤维增强铜基复合材料的工艺和方法可分为固态法和液态法[12-14]。 1.1　固态法 固态法[5,12-14]是指Cu 基体处于固态下的加工方法,这样可以避免铜与碳纤维之间的界面反应,如热压法、粉末冶金法。 热压法是制备碳纤维复合强化材料的传统工艺方法,其实质是一种扩散焊合法。在一定温度、压力下,把经过表面处理的碳纤维与铜箔层进行热压扩散促使碳铜复合,可制得致密、孔洞少、纤维分布均匀的复合材料。相对于粉末冶金法,热压法对纤维的损伤小,制得的材料性能较佳,但制成的材料易发生基体铜偏聚一边的现象。若采用预氧化法使镀铜层氧化形成一层不易塑变的氧化亚铜,在随后的热压工序中通过氢气将其还原,可以减轻偏聚,但同时也会带来氧化亚铜在高温下对碳纤维的损伤[15]。因此,如何解决碳纤维偏聚问题尚有工作要做。

高性能铜基复合材料

高性能铜基复合材料的研究 1．高性能铜基复合材料简介 铜及铜合金机械性能良好，且工艺性能优良，易于铸造、塑性加工等，更重要 的是铜及铜合金有良好的耐蚀、导热、导电性能，所以它们能广泛应用于电子电气、 机械制造等工业领域。但是，铜在室温强度、高温性能以及磨损性能等诸多方面的 不足限制了其更加广泛的应用。而随着现代航空航天、电子技术的快速发展，对铜 的使用提出了更多更高的要求，即在保证铜的良好的导电、导热等物理性能的基础上，要求铜具有高强度，尤其是良好的高温力学性能，并且要求材料有低的热膨胀 系数和良好的摩擦磨损性能。我国第一条高速铁路京沪线总投资约200亿美元，2008年已经开工建设，接触线年需求量近万吨，显然接触线的研发，即高强高导高耐磨 铜合金功能材料的研发有着很大的国内外市场[1]。电阻焊电极，缝焊的滚轮，集成 电路引线框架也需要高强度高导电性的铜合金，现有牌号的铜及铜合金在高强高导 方面难以兼顾。所以通过引入适当的增强相的复合强化方式，发挥基体和功能强化 相的协同作用，研发高性能铜(合金)基功能复合材料成为当今世界的热门课题。 所谓高强高导铜合金，一般是指抗拉强度(Gb)为纯铜的2-10倍(350-2000MP a)，导电率一般为铜的50％~95％，即50-95％IACS铜合金。国际上公认的理想指标为 δb=600-800MPa，导电性至≥80％IACSE[2]。高强高导铜合金的主要应用领域是电子 信息产业超大规模集成电路引线框架[3]，国防军工用电子对抗，雷达，大功率军用 微波管，高脉冲磁场导体，核装备和运载火箭[4]，高速轨道交通用架空导线， 300-1250Kw大功率调频调速异步牵引电动机导条与端环，汽车工业用电阻焊电极头，冶金工业用连铸机结晶器，电真空器件和电器工程用开关触桥等，因此这类材料在 众多高新技术领域有着广阔的应用前景。 2.高性能铜基复合材料的研究进展 近二十多年来，随着电子技术、计算机和信息技术的迅猛发展，要求铜基材料 不仅具有良好的导电性、导热性、弹性极限和韧性，而且还应具有较好的耐磨性， 较高的抗剪切强度，低的热膨胀系数和良好的加工性能、焊接性能等一系列优良性能。铜基复合材料是发展新型高强高导和高耐磨性合金的重要方向之一[5]。但铜基 复合材料强度的提高往往伴随着导电和导热性的下降，如何解决这一矛盾，成为铜 基复合材料研究中的关键。目前，抗拉强度在600MPa以上，导电率大于80％IACS的 铜基复合材料已成为研究开发的热点之一。 引入纤维、晶须、陶瓷颗粒等高强度的强化相增强铜基体显示出良好的发展前景，其方法是在铜基体内植入稳定的高强度第二相，通过冷变形等加工处理，使第 二相以颗粒或纤维状弥散分布于基体中，达到机械与电导性能的最佳匹配。

碳纤维复合材料

碳纤维复合材料 编辑本段概况 在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。 编辑本段结构 碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。 碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。 碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。 编辑本段用途 碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。 碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。