碳纖維樹脂複合材料

碳纖維增強塑料機械工業上主要用於一些承載零件(如連桿)、耐磨零件(軸承、密封圈、活塞、襯墊板)、耐腐蝕零件(化工泵、高壓泵、液壓系統的動力密封裝置和管道、容器)。作為齒輪材料的用量也較大，它可以達到金屬齒輪那樣的設計要求，而且重量輕，又有自潤滑等優點。作為汽車零件材料時，可使自重降低1/3，節約燃料效果十分顯著。此外，它可以製作飛機翼尖、尾翼、起落架及機內許多零件。在火箭、導彈的鼻錐體，火箭的噴嘴及人造衛星支架等方面也被選用。總之，碳纖維樹脂複合材料的出現，為現代工業和現代科學技術事業提供了優良材料。

碳元素具素異構，形碳、石墨金剛石。由於分子結構不同，性能差異很大。前者幾乎沒有強度；後者則具有很高的強度和硬度。石墨的分子結構是層狀的六方晶體結構，呈現各向異性：平行於層面方向的強度和彈性模量高，而垂直於層面方向的強度和彈性模量則較低。碳纖維就是一種由許多石墨晶體組成的多晶纖維。儘管這些晶體在纖維內的排列是不規則的，但為獲得高強度和高模量的碳纖維，希望纖維中石墨層面的方向平行於纖維軸線方向。通常，把石墨晶體層面和纖維軸線的交角叫取向角。碳纖維中石墨晶體規整度越高、取向角小，則機械強度和彈性模量越高。碳元素在真空常壓下於4000℃升華，在10MPa的壓力，3700℃真空高溫下可得到液態的碳。顯然，若用像有機高分子材料製取纖維的方法將困難重重。

碳纖維人造纖維為原料，在隔絕空氣的條件下經高溫碳化而成的。用作碳纖維的原料要求在加熱升溫時不熔化、不劇烈分解。工業上常用的原料是腈綸、瀝青和人造粘膠纖維。它們在200-300℃的空氣中並施加一定的張力進行預氧化處理，然後在氮氣的保護下，在1000-500℃的高溫下進行碳化處理，即可製成含碳量為85%-95%的碳纖維。

如果將碳纖維在2500-3000℃的高溫下，在氮氣中進行石墨化處理，則碳纖維中的石墨晶體沿著纖維方向的排列會更加整齊，從而提高了彈性模量。經過石墨化處理的碳纖維又稱石墨纖維或高模量碳纖維。與玻璃纖維相比，碳以石墨方式出現，是六方晶體結構，六方底面上的原子以強大的共價鍵結合，所以碳纖維比玻璃纖維具有更高的強度，更高的彈性模量；其抗拉強度比玻璃纖維略高，而彈性模量則是玻璃纖維的4-6倍。玻璃纖維在300℃以上時的強度會逐步下降，碳纖維在達到2000℃以上的高溫下強度和彈性模量基本上保持不變；在-180℃以下的低溫下也不變脆。碳纖維比強度和比模量是一切耐熱纖維中最高的。所以，碳纖維是比較理想的增強材料，可用來增強塑料，碳、金屬和陶瓷等。

碳纖維通常和環氧樹脂、酚醛樹脂、聚四氟乙烯等組成複合材料。它們不僅保持了玻璃鋼的許多優點，而且許多性能優於玻璃鋼。這類材料的密度比鋁輕，強度與鋼接近。彈性模量比鋁合金大，疲勞強度高，衝擊韌性高，同時耐水和濕氣，化學穩定性高，導熱性好，受X射線輻射時其強度和模量不變化等。它還具有優良的耐磨減摩性及自潤滑性、耐腐蝕、耐熱等優點。因此它的比強度和比模量在現有複合材料中名列前茅。碳纖維-環氧複合材料的強度和彈性模量都超過鋁合金而接近於高強度鋼，完全彌補了玻璃鋼彈性模量小的缺點。此外，玻璃纖維樹脂複合材料由於彈性模量低，應變數也相應較大，當應變到1%-2%時，樹脂要發生碎裂。因此，設計玻璃鋼零件時，其允許承載應力不超過極限應力的60%。而碳纖維則因彈性模量大，設計時可以允許在極限應力條件下使用。另外，在高溫老化試驗中，碳纖維樹脂複合材料的強度損失也比玻璃鋼小。因此，碳纖維樹脂複合材料可以製作宇宙飛行器的外層材料，人造衛星和火箭的機架、殼體、天線構架。在機械工業中，碳纖維樹脂複合材料用作承載零件(如連桿)和耐磨零件(如活塞、密封圈)以及像齒輪、軸承等承載耐磨零件。它還用作有抗腐蝕要求的化工機械零件，如容器、管道、泵等。但這類材料不足之處是，碳纖維與樹脂的黏結力不夠大，各向異性程度較高，耐高溫性能差等。