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碳纤维的综述摘要：碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，分子结构界于石墨和金刚石之间，含碳体积分数随品种而异，一般在0.9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。关键词：碳纤维复合材料性能与应用一、碳纤维的性能1.1分类（1)按原料分类:纤维素基（人造丝基）；聚丙烯腈基；沥青基（各向同性、各向异性中间相）。(2)按照制造条件和方法分类：碳纤维（炭化温度在800℃～1600℃时得到的碳纤维)；石墨纤维（炭化温度在2000℃～3000℃时得到的碳纤维）；活性碳纤维；气相生长碳纤维。(3)按照力学性能分类：通用级（GP):拉伸强度低于1.4GPa,拉伸模量小于140GPa的纤维；高性能（HP)：其中包括中强型（MT).高强型(HT).超高强型(UHT).中模型（IM).高模型（HM).超高模型（UHM).1.2性能碳纤维的主要性能：(1)密度小、质量轻，密度为1.5～2克/立方厘米，相当于钢密度的l/4、铝合金密度的1/2；(2)强度、弹性模量高，其强度比钢大4-5倍，弹性回复l00%；(3)具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂；(4)导电性好，25。C时高模量纤维为775μΩ/cm，高强度纤维为1500μΩ/cm；(5)耐高温和低温性好，在3000。C非氧化气氛下不融化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，也不脆化；(6)耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。通常，碳纤维不单独使用，而与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料，该复合材料也具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质，已在现代工业领域得到了广泛应用。1.3应用领域由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性，因此被广泛应用于土木建筑、航空航天、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域。此外，碳纤维在电子通信、石油开采、基础设施等领域也有着广泛的应用，主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极，在生化防护、除臭氧、食品等领域种也有出色的表现。碳纤维复合材料片。碳纤维复合材料片是采用常温固化的热固性树脂（通常是环氧树脂）将定向排列的碳纤维束粘结起来制成的薄片。把这种薄片按照设计要求，贴在结构物被加固的部位，充分发挥碳纤维的高拉伸模量和高拉伸强度的作用，来修补加固钢筋混凝土结构物。日本、美国、英国将该材料用于加固震后受损的钢筋混凝土桥板，增强石油平台壁及耐冲击性能的许多工程上，获得了突破性进展。碳纤维复合材料片具有轻质（比重是铁的1/4～1/5），拉伸模量比钢高10倍以上，耐腐蚀性能优异，可以手糊，工艺性好等优点。因此，碳纤维复合材料片在修补加固已劣化的钢筋混凝土结构物（约束裂纹发展、防止混凝土削落）和提高结构物耐力以及对用旧标准设计建成的钢筋混凝土结构物的补强、加固应用将越来越多。二、生产工艺通常用有机物的炭化来制取碳纤维，即聚合预氧化、炭化原料单体—原丝—预氧化丝—碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝，其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料，干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法。2.1干喷湿纺干喷湿纺法即干湿法，是指纺丝液经喷丝孔喷出后，先经过空气层(亦叫干段)，再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条，纺出的纤维体密度较高，表面平滑无沟槽，且可实现高速纺丝，用于生产高性能、高质量的碳纤维原丝。与纯湿纺相比，干喷湿纺可纺出较高密度且无明显皮芯结构的原丝，大幅提高了纤维的抗拉强度，可生产细特化和均质化的高性能碳纤维。2.2射频法PAN原丝经过预氧化、碳化到石墨化，主要受到牵伸状态下的温度控制。在这一形成过程中达到纤维定型、碳元素富集，分子结构从聚丙烯腈高分子结构—乱层的石墨结构—三维有序的石墨结构。国内有自主知识产权的“射频法碳纤维石墨化生产工艺”开辟了碳纤维生产的创新之路，它采用射频负压软等离子法预氧化PAN原丝，接着用微波加热法碳化，最后用射频加热法石墨化形成小丝束碳纤维。三．增强碳纤维的研究虽然我国研制碳纤维已有30余年的历史,但仅初步建立起工业雏形,生产的碳纤维质量至今仍处于低水平,关键原因是碳纤维原丝质量没有过关。碳纤维的性能在很大程度上取决于原丝的质量。原丝缺陷如表面横向裂纹、横向褶皱、轴向裂纹、皮芯结构、表面沉积物、并丝等都会“遗传”给碳纤维,使力学性能下降。因此,要想生产出质量高且性能稳定的碳纤维,今后必须加强对高性能碳纤维原丝的研究。碳纤维与基体间存在一系列界面问题:如界面润湿性差,化学、物理相容性差等,极大地影响着复合材料的力学性能,且碳纤维未经表面处理前,其活性比表面积小(一般小于1m2/g),表面能低,表面呈现出憎液性,限制了碳纤维高性能的发挥，为了提高碳纤维的表面化学活性,增强碳纤维表面与基体的结合能力,进而提高复合材料的性能,对碳纤维进行表面处理是很有必要的。目前,碳纤维表面改性处理主要有表面氧化处理、表面涂层处理、表面生长晶须等方法。在研究的诸多碳纤维表面处理方法中,空气氧化法简单,耗时少,但操作弹性小,氧化反应不易控制;液相氧化法主要是采用硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠等强氧化性液体,对碳纤维表面进行处理,处理比较温和,不过耗时较长;电化学氧化法简单易操作,处理条件温和并易于控制,处理效果明显。表面涂层处理是对碳纤维表面沉积一层无定形碳来提高其界面粘结性能,多采用气相沉积技术,操作较复杂,周期长。王毅强等为了改善纤维与基体界面的结合状态,研究了表面处理对C/SiC单向复合材料力学性能的影响。结果表明,经过1800℃处理后的纤维表面粗糙度变大,表面沟槽加深,复合材料的拉伸强度是未经表面处理纤维复合材料拉伸强度的2.4倍;纤维表面沉积热解炭后表面粗糙度减弱,其拉伸强度是未经表面处理纤维复合材料的3.1倍;两者联合作用时纤维表面光滑,拉伸强度最高,达708MPa。徐先锋等[3]对去胶聚丙烯腈炭纤维分别进行不同时间的硝酸液相氧化处理,发现氧化处理会使纤维表面产生大量的孔洞,增加BET比表面积和BJH累积孔体积,提高表面吸附能力;在氧化初期,伴随着纤维表面大量活化点的迅速氧化,纤维表面微孔、中孔数量、表面粗糙度、比表面积和累积孔体积迅速增加,使纤维表面吸附能力大大增强,但在氧化5min以后,由于纤维表面尖锐突起处发生氧化,从而减少了纤维表面微孔,比表面积和累积孔体积降低,表面吸附能力减弱。单一的表面处理常常在提高某方面性能的同时,牺牲了另一方面的性能,而复合表面处理法则可适当调和所采用的几种表面处理方法的优缺点,必将成为今后碳纤维表面处理的主要研究方向。[参考文献]［1］王曙中，王庆瑞，刘兆峰；高科技纤维概论［J］.东华大学出版社出版；2005，410［2］苏小萍;碳纤维增强复合材料的应用现状[J];高科技纤维与应用;2004年05期[3]陈广立,耿浩然,陈俊华,等.不同处理方法对碳纤维表面形态及Cf/C复合材料强度的影响[J].材料工程,2006,增刊1:1602164.[4]徐先锋,肖鹏,许林,等.液相氧化处理对炭纤维表面结构的影响[J].中南大学学报(自然科学版),2008,39(3):5122516.［5］黎小平,张小平,王红伟;碳纤维的发展及其应用现状[J];高科技纤维与应用;2005年05期