碳纤维增强塑料

随着复合材料的不断开发，除了玻璃纤维增强塑料之外，又出现了碳纤维增强塑料、硼纤维增强塑料等。碳纤维是用粘胶丝、聚丙烯腈纤维和沥青丝等为原料，在300~1000℃下碳化而成的。碳纤维的直径极细，有7微米左右，但它的强度却异常的高。

碳纤维增强塑料在飞机、火箭、导弹、宇宙航行方面的应用已越来越广泛。它首先被用于飞机制造上，可减轻飞机的自重，提高飞行效率。用碳纤维增强塑料代替铝合金或钛合金，可使飞机的总重量减轻15%，如果使用等量的燃料，飞机能增加飞行距离10%，上升率增加10%，起飞时跑道可缩短15%。

碳纤维增强塑料的特性(1)强度高，弹性好：碳纤维的比强度(即抗拉强度与密度的比值)是钢的6倍，是铝的17倍；比模量(即杨氏模量与密度的比值，是物体弹性好坏的一个标志)是钢或铝的3倍以上。比强度高，就能承受较大的工作负荷，其最大工作压力可用到350公斤/厘米2。此外，它的压缩率和回弹性均比纯F-4及其编织物要大。

(2)耐疲劳和耐磨性好：它的耐疲劳特性，比环氧树脂高得多，也比金属材料高；石墨纤维具有自润滑性，摩擦系数很小，其磨损量比一般石棉制品或F-4编织物小5~10倍。

(3)导热和耐热性能好：碳纤维增强塑料导热性好，摩擦产生的热量容易散发出去，内部不易过热和蓄热，可以作为动密封材料。在空气中，它可以在-120~350℃的温度范围内稳定工作。随着碳纤维中碱金属含量的减少，使用温度还有可能进一步提高；在惰性气体中，它适应温度可达到2000℃左右，而且能经受冷热的急剧变化。

(4)耐振动性好：不易发生共振或颤振，也是减振消音的优良材料。1

碳纤维增强塑料基体碳纤维增强塑料的基体，可用热塑性树脂，也可用热固性树脂。为了有效地利用CFRP的比刚度，多用热固性树脂作基体，其中最常用的是环氧树脂；在考虑耐热稳定性和耐烧蚀的要求时，多用酚醛树脂和聚酰亚胺等热固性树脂，树脂浇铸物的挠曲模量愈高，CFRP的挠曲强度也愈好。

酚醛树脂很早就作为电气绝缘材料使用。由于是脱水缩合型，固化时必须高温高压，因此加工麻烦，应用受限。但酚醛树脂在高温热解时形成碳化产物，能和碳纤维一起形成良好的耐烧蚀材料。2

测试方法碳纤维增强塑料和硼纤维增强塑料得到了发展。掌握这些材料的特性，把它用来作为航空及宇宙航行的结构材料，已成为研究重点。要把这些复合材料作结构材料应用，就必须测定它的各种特性。在测定这些性能的试验中，有静态强度试验和动态强度试验。

静态强度试验是指拉伸试验，抗压试验，抗弯试验，剪切试验，热膨胀试验，热传导试验和测定体积百分率(V1)等。动态试验是指振动试验，疲劳试验，蠕变试验，冲击试验和耐气候试验等。只有通过上述试验，才能被用来作为结构材料。另外，复合材料所特有的试验方法是用超声波或激光，从波形图上测定它的分层和粘合情况，克服复合材料可靠性差这一弱点的研究工作，也正在受到重视。

然而，碳纤维增强塑料和硼纤维增强塑料尚未确立统一的试验方法，世界各国，各企业中都有各自的方法，英国RAE (皇家航空研究所)正在努力谋求以它为主地提出统一规范，由于碳纤维增强塑料和已熟悉的玻璃纤维增强塑料在性质上有很大的差异，因而它们的试验方法也应该有较大的不同。2

碳纤维增强塑料的应用(1)做密封填料：用碳纤维增强聚四氟乙烯材料，可制成耐腐蚀、耐磨损、耐高温的密封环或盘根；用于静密封时寿命则更长，比一般油浸石棉盘根长10多倍。它在负荷发生变化和急冷、急热情况下，都能保持密封性能，并且由于材料不含有腐蚀性物质，因此对金属不会发生点蚀。

(2)做承磨零件：利用它具有自润滑性的特点，可以做特殊用途的轴承、齿轮和活塞环。如航空仪表和磁带录音机用的无油润滑轴承，电气传动内燃机车用的无油润滑齿轮(可避免渗漏油引起的事故)，压缩机上的无油润滑活塞环等。此外，还可利用它无毒性的特点，用于食品和医药工业做滑动轴承或密封件。

(3)做航天、航空、导弹的结构材料。碳纤维增强塑料从七十年代问世以来，发展很快，应用日益广泛。我国在1980年已试制成功并投入生产，用于化工、石油、 电力、机械等行业， 作为旋转或往复式动密封或各种静密封材料。1

本词条内容贡献者为:

侯传涛 - 副教授 - 青岛大学