对碳纤维增强树脂基复合材料的认识和研究

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1、第1章绪论1.1课题概述复合材料是指用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分，通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料，由基体、增强体及它们之间的界面组成。复合材料不仅具备各组分材料的性能，更具备各组分因协同效应而产生的优越综合性能。其分类方法有多种，其中，按照基体材料的性质通常分为金属基复合材料、树脂基复合材料、陶瓷基复合材料。复合材料按照增强体的几何形态分为四类，即纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、薄片增强复合材料和叠层复合材料。复合材料中常用的纤维状增强体有玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维和金属纤维等。碳纤维增强树脂基

2、复合材料以树脂为基体，以碳纤维及其织物为增强体，可做结构材料，也可作功能材料。高性能树脂基复合材料是其中最新和最重要的一类，其树脂基体有环氧树脂、双马来酰亚胺和酚醛树脂等，因其高强度、高模量和低密度等特点，常作为结构材料，其拉伸强度一般在3500MPa以上，是普通钢拉伸强度的7~9倍；其密度约为铝合金的60%，模量为230~430GPa，明显高于普通钢材，因此，其比强度就超过2000MPa/(g/cm3)，远高于普通钢材的59MPa/(g/cm3)，比模量也远高于普通钢材。相对金属材料，碳纤维增强树脂基复合材料更易实现大型构件的成型，减少构件之间铆钉等连接环节，并具有良

3、好的尺寸稳定性[1-3]。随着航空航天和现代武器的不断发展，对所用材料提出了更高的要求。例如在设计导弹、人造卫星、飞机的承载构件时，越来越需要高比强度和高比模量的材料，于是轻质、高强的先进树脂基复合材料在高科技领域和国防建设中占有越来越重要的位置[4-5]。19高性能碳纤维增强复合材料不仅能够有效地提高结构的刚度，还能有效地降低航天器自身的重量[6-9]，进而减少燃料成本，提高飞机的携带能力，增强飞机的可靠性和经济性。航天器的发射成本是非常昂贵的，每公斤高达数十万美元，因此有效地降低航天器自身重量成为了降低航天器有效载荷成本的关键所在。此外，碳纤维增强树脂基复合材料可以

4、根据不同的需要满足飞行器的吸波隐身、消音等功能，集结构性和功能性于一体。航空航天领域，对材料的要求极其严格，复合材料并不能完全取代其他材料。从20世纪70年代起，美国开始把复合材料应用于飞机制造，从最初的整流罩、扰流板到方向舵等受力较小的构件，到80年代，发展到平尾等受力较大的构件。从昂贵的B-2战略轰炸机到小型无人战斗机X-45A(UCAV)，CFRP被广泛的用来制作飞机壳体、机架、机翼、横梁、阻流板、尾翼舵、螺旋桨、起落架、发动机舱门等部件。波音公司的梦想客机B787复合材料用量达到50%，欧洲空中客车也一直致力于复合材料研究，先进的大型客机A380其复合材料使用量

5、达25%。复合材料越来越受到各个发达国家的重视，复合材料的使用比例已成为衡量飞行器先进性的指标之一，也象征了一个国家航空航天工业的发展水平。随着人们对碳纤维增强树脂基复合材料的认识和研究的加深，其也受到交通车辆、体育文化用品、土木建筑、风力发电机叶片等行业的关注。CFRP在国外交通车辆方面的应用目前主要是高端的跑车及部分比赛、试验车辆。应用比例最多的当数高科技堆成的F1赛车，CFRP约占60%。单壳体和其它部件如悬挂、底盘、各种翼板及刹车盘主要由CFRP制成，保证了F1赛车能够以超过300Km/h的速度行驶。大众、宝马等知名汽车生产商已经推出各自的碳纤维复合材料概念车。

6、碳纤维增强树脂基复合材料在众多领域得到广泛应用的同时，其研究也相应的受到科研人员的高度重视。目前，T300等通用级碳纤维复合材料已有较多的研究与应用，而对高性能T800碳纤维的研究主要集中在纤维表面状态分析和复合材料成型工艺的两方面。19本课题以T800为研究对象，采用微滴脱粘的方法测试其与TDE85环氧树脂的复合材料界面剪切强度，并与进口的T300碳纤维和国产的CCF300进行对比分析，以此表征T800复合材料的界面性能，并分析影响其界面性能的因素，为材料结构设计和工艺优化提供理论依据。1.2碳纤维国内外发展概况碳纤维是指碳含量占90%以上的纤维状碳材料，在惰性气体氛

7、围中，由各种有机纤维高温炭化制得[10]。有机化合物在惰性气体中加热到1000~1500℃时，其中的非碳原子将被逐步驱除，碳含量逐渐增加，同时发生系列的脱氢、环化、交联和缩聚等化学作用，最终形成碳纤维[11]。1959年，日本的进藤昭男第一次以聚丙烯腈原丝为原料制备得到碳纤维。1962年，日本东丽(Toray)公司开始用于碳纤维生产的专用优质原丝的研制，1967年成功获得T300碳纤维。与此同时，英国皇家航空研究所Watt等，对碳纤维生产进行技术改造，即在纤维热处理过程中施加张力进行牵伸；英国考陶尔公司(Courtaulds)随后利用该技