关于碳纤维强度的影响因素探讨
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【摘 要】碳纤维是一种新型材料，引起强度高，密度低，是目前所有增强纤维中，比强度和比模量都很突出的高性能纤维。但由于加工工艺灯缺陷，会造成碳纤维的强度下降。本文对影响碳纤维强度的因素进行探讨。
【关键词】碳纤维;强度;影响因素;碳化
一、碳纤维复合材料的性能及主要用途
由于碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，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。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、耐磨擦、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、可加工性好，沿纤维轴方向表现出很高的强度，且碳纤维比重小。
1.碳纤维的化学性能
碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。这是历史上最早就被人类认识的碳素材料的特征之一。除强氧化性酸等特殊物质外，在常温常压附近，几乎为化学惰性。可以认为在普通的工作温度≤250℃环境下使用，很难观察到碳纤维发生化学变化。根据有关资料介绍，从碳素材料的化学性质分析，在≤250℃环境下，碳素材料既没有明显的氧化发生，也没有生成碳化物和层间化合物生成。由于碳素材料具有气孔结构，因此气孔率高达25%左右，在加热过程易产生吸附气体脱气情况，这样的过程更有利于我们稳定电气性能和在电热领域的应用。
2.碳纤维的物理性能
（1）热学性质
碳素材料因石墨晶体的高度各向异性，而不同于一般固体物质与温度的依存性，从工业的应用角度来看，碳素材料比热大体上是恒定的。几乎不随石墨化度和碳素材料的种类而变化
（2）导热性质
碳素材料热传导机理并不依赖于电子，而是依靠晶格振动导热，因此，不符合金属所遵循的维德曼―夫兰兹定律。根据有关资料介绍，普通的碳素材料导热系数极高，平行于晶粒方向的导热系数可与黄铜媲美
（3）电学性质
碳素材料电学性质主要与石墨晶体的电子行为和不同的处理温度有关，石墨的电子能带结构和载流子的种类及其扩散机理决定了上述性质。碳素材料这类电学性质具有本征半导体所具备的特征，电阻率变化主要与载流子的数量变化有关。
二、碳纤维复合材料的现实应用
1.航天领域
碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在航空领越特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70%～80%，在军用飞机上占30%～40%，在大型客机上占15%～50%。
2.碳纤维树脂基复合材料
碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有质量轻等一系列突出的性能，在对重量、刚度、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具有很大优势。碳纤维增强树脂基复合材料已成为生产武器装备的重要材料。AV―8B 改型“鹞” 式飞机是美国军用飞机中使用复合材料最多的机种，其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部件，全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的26%，使整机减重9%，有效载荷比AV―8A飞机增加了一倍。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。
在民用领域，世界最大的飞机A380 由于CFRP 的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。这种飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料（CFRP）。由于CFRP 的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损，从而大大减少了油耗和排放。燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%～20%，成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。
3.碳/ 碳复合材料
碳/ 碳复合材料是以碳纤维及其制品（碳毡或碳布）作为增强材料的复合材料。因为它的组成元素只有一个（即碳元素），因而碳/碳复合材料具有许多碳和石墨材料的优点，如密度低（石墨的理论密度为2.3g/cm3）和优异的热性能，即高的热导率、低热膨胀系数，能承受极高的温度和极大的热加速率，有极强的抗热冲击，在高温和超高温环境下具有高强度、高模量和高化学惰性。凭借着轻质难熔的优良特性，碳纤维增强基体的（C/C）复合摩擦材料在航空航天工业中得到了广泛应用。航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料，都会选用碳碳复合材料。
三、增強碳纤维强度的方法
1.碳纤维表面处理过程
（1）浓硝酸氧化处理
将一定长长的碳纤维置于浓硝酸溶液中，在室温条件下分别处理30、60、90分钟，然后经自来水、纯净水清洗数遍，干燥，既得到表面处理后的碳纤维。
（2）电化学表面处理
配制一定浓度的稀酸溶液作为电解液，将清洗过的碳纤维作为阳极，在电解槽内进行阳极氧化表面处理，通电电压分别取1.2V、4.8V、10V和15V，处理时间为5min和10min，之后再经清洗、干燥，得到表面处理后的碳纤维。
2.抗弯强度测试
将表面处理的碳纤维与树脂粘结，热处理后，固定在沉积炉的两个电极上，通电加热至800～1100℃，沉积时间4～6h。
将试样加工成5mm×5mm×30mm，每组5个，采用三点弯曲法测试试样的抗弯强度，取5个数值的平均值作为每组试样的测试结果。 3.试验结果及讨论
（1）浓硝酸表面处理时间长短对复合材料单向抗弯强度的影响
碳纤维处理60分钟后，所制备的复合材料强度增幅最大，30分钟下，强度基本没变，90分钟强度有所增加。液相氧化的作用主要在于除去纤维表面的浆层，对纤维的强度没有明显的影响。复合材料强度的提高是因为表面浆层除去后，纤维表面的粗糙度增加，增加了快速升温过程中热解碳与纤维的亲和力和粘结强度。
（2）电化学处理对复合材料抗弯强度的影响
碳纤维电化学处理过程易操作，纤维表面电化学处理不同条件下单向复合材料的强度值，从处理结果可见，处理电压和时间变化对制备的复合材料的抗弯性能影响较大。在电压4.8V、10min处理条件时，由处理纤维制备的复合材料的抗弯强度比未处理的低3.6MPa，且电压升高至10V时，复合材料抗弯性能进一步恶化。
为不同处理碳纤维所制备的复合材料抗弯强度变化曲线，从中可以得出，采取5分钟处理，复合材料抗弯强度变化均匀，基本呈线性降低，而10分钟处理后，材料强度随电压增大降低幅度增大，这说明短时间电化学处理对纤维表面作用较温和，且处理效果随电压的增大，10分钟处理较5分钟处理强度降低幅度较大。这是由于高压长时间处理条件下，纤维表面破坏较严重，从而使得复合材料的力学性能下降。
四、结论
1.碳纤维表面经浓硝酸处理后，表面浆层去除，沟槽进一步加深加宽，表面粗糙度和比表面积增加，有利于复合材料的抗弯强度的提高。但处理时间过长，纤维表面出现不同程度的损伤，这对提高材料强度是不利的。
2.通过对纤维表面电化学处理的研究得知，采用低電压，短时间的处理条件，对碳纤维表面较温和，有效地提高了Cf/C复合材料的抗弯性能;高电压或长时间处理时，纤维表面出现“松树皮”状凸起，此时纤维本体受损严重，降低了复合材料的力学性能。
3.对比浓硝酸氧化处理，电化学处理时间短，增强效果较明显，电化学对纤维表面作用包含至少除去薄弱外层和表面氧化刻蚀两种机理，甚至过程更为复杂。
参考文献
[1]司卫华.船舶复合材料国外最新进展.塑料工业，2011，39（6）：1-7.
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