碳_碳复合材料力学性能的研究进展
第25卷第3期2011年5月天津化工TianjinChemicalIndustryVol.25No.3May.2011
·专论与综述·
碳/碳复合材料力学性能的研究进展
乔志军
（天津工业大学环境与化学工程学院，天津
300160）
本文综述了碳/碳复合材料力学性能的研究进展，包括碳纤维、基体炭、界面性能、制备工艺及摘要：
工艺参数等对碳/碳复合材料力学性能的影响。同时简单介绍了当今单向碳/碳复合材料力学性能的表征手段。希望对碳/碳复合材料力学性能的研究及应用提供帮助。碳/碳复合材料;力学性能;碳纤维关键词：
doi:10.3969/j.issn.1008-1267.2011.03.001
中图分类号：TQ342+.74文献标志码：A文章编号：1008-1267（2011）03-0001-03
Theresearchprogressofmechanicalpropertiesincarbon/carbon
composites
QIAOZhi-jun
(SchoolofenvironmentandChemicalEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300160,China)Abstract:Theresearchprogressofmechanicalpropertiesincarbon/carboncompositesisreviewedinthispaper,includingcarbonfiber,matrixcarbon,propertiesofinterface,preparationtechnologyandprocessparameters.ThecharacterizationmethodsofmechanicalpropertiesofC/Ccompositesaresimplyintroduced.Theresearchandapplicationofapplicationmechanicalpropertiesofcarbon/carboncompositescanprovideguidance.
Keywords:C/Ccomposites;mechanicalproperties;carbonfiber碳/碳（C/C）复合材料兼有结构材料和功能材料的独特性能，被广泛应用于航天航空等领域。碳/碳复合材料的组成元素只有一种，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，如密度小，实际密度约为2.0g/cm3。其在功能上不仅满足了作为导热材料所具备的耐高温、高导热系数等特点[1]，而且作为摩擦材料具有耐磨损、耐烧蚀等特点，同时作为结构材料就必须具备较高的力学性能，包括高比强、高比模、脆性小以及韧性大等，所以对碳/碳复合材料力学性能的研究尤为重要。碳/碳复合材料的力学性能与碳纤维、基体炭、界面性能、制备工艺及编织方向等[2]有关。
维。不同种类的碳纤维本身的力学性能差异很大，5μmPAN-CF的轴向拉伸强度最大，中间相沥青基碳纤维的轴向拉伸模量范围最广也最大，而人造丝基碳纤维的轴向拉伸强度和拉伸模量均很小（表1），导致所制备的碳/碳复合材料的力学性能各异。不仅碳纤维本身对碳/碳复合材料的力学性能有重要影响，蔡大勇等[3]在研究碳/碳复合材料抗折强度时，发现当碳纤维的体积分数小于8.3％时。复合材料的抗折强度，随着碳纤维体积分数的增加先升高后逐渐下降。同时研究[4]还表明，碳纤维表面存在有纵向沟槽、横向裂纹，直径不均匀等缺陷，并且纤维内部也有孔洞，对碳/碳复合材料的力学性能带来一定的影响。贺福[5]在研究层间剪切强度（interlaminarshearstrength，ILSS）时发现未经表面处理的碳纤维
收稿日期：2011-01-18
作者简介：乔志军（1985-），男，硕士研究生，主要研究领域为碳材料。
1碳纤维及界面性能对力学性能的影响
碳纤维作为碳/碳复合材料的增强相，碳纤维的种类对材料的力学性能有重要的影响。碳纤维分为人造丝基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤
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天津化工2011年5月
的ILSS仅在50~60MPa之间，经表面处理后可提高到80MPa以上，表明界面性能对ILSS的提高很有帮助。沥青基碳纤维在臭氧氧化后，纤维表面活性官能团明显增加，纤维与基体炭之间的润湿性增强，力学性能大大提高。
表1
几种碳纤维的主要性能指标
及工艺参数等都对材料的力学性能有重要影响。在模压工艺过程中，温度和压力是影响力学性能的关
键因素[9]，温度和压力的改变引起材料的密度发生变化，研究表明[10]，碳/碳复合材料的力学性能随着密度的增大明显提高。而液相浸渍是碳/碳复合材料致密化的一种有效方法，经过液相浸渍后材料密度增大有利于力学性能的提高，其中温度和压力对液相浸渍的效果影响是非常重要的因素[11]。RuiyingLuo等[12]人采用ICVI（isothermalchemicalvaporinfil-tration）法制备的热解炭基碳/碳复合材料的断裂强度达到150.36MPa。加热速率、炭化压力、热处理、最终热处理温度（HTT）和加硫改性等影响沥青基一维增强碳/碳复合材料的宏观性能，其中通过改变炭化加热速率和加入硫，改变了基体炭的择优取向，从而影响碳/碳复合材料的宏观力学性能。Davies等[13]研究了不同升温时间的CVI工艺对二维碳/碳复合材料拉伸强度的影响。
纤维种类人造丝各向同性沥青中间相沥青7μmPAN5μmPAN
轴向拉伸强度/GPa轴向拉伸模量/GPa
0.25～0.70.8～1.01.4～3.93.0～5.05.1～5.8
25～4040160～965210～250280～310
2基体炭对力学性能的影响
基体炭主要有三种：树脂炭、热解炭和沥青炭。通常，树脂炭为各向同性，但也可以高度取向，取向程度依赖树脂类型和工艺条件。大多数树脂在低温下易于交联，并且在高温下很难石墨化。碳纤维与树脂炭形成的复合材料，微观结构和界面结合状态随着炭化工艺的变化都发生很大的变化，树脂在不同温度下反应机制不同，对力学性能的影响变化较大[6]，而有关树脂炭在复合材料中对宏观力学性能影响的研究还很不充分。热解炭具有三种结构分别为粗糙层结构（RL）、光滑层结构（SL）、各向同性结构（ISO）。热解炭的基体结构强烈影响碳/碳复合材料的力学性能。采用热解炭制备碳/碳复合材料时，随温度的升高及C/H比的降低，基体炭的结构出现了：SL-RL-ISO的构型变化[7]，所以很难得到单一结构的热解炭基的碳/碳复合材料，而几种不同结构的热解炭配合将获得具有不同力学性能的碳/碳复合材料，如RL+ISO具有高强度、高刚度，而SL+RL则具有很好的断裂韧性。沥青炭中含有杂质及喹啉不溶物较多，因此其残炭率较低，但是易石墨化，易于与PAN基碳纤维结合，而且在偏光下具有光学各向异性。将沥青炭转化为中间相沥青后，沥青残炭率增加且中间相沥青具有高的石墨取向微晶结构。中间相沥青制备的碳/碳复合材料材料具有较高的力学性能，抗弯强度达到257MPa[8]，碳/碳复合材料在断裂过程中，体现出台阶式的断裂形式，但是断裂台阶较低，纤维拔出也较短。
4单向碳/碳复合材料层间力学性能的表征
根据碳纤维的不同编织方向，碳/碳复合材料大致可以分为短纤维、长纤维（单向）、2.5维和3维碳/
碳复合材料，目前对碳/碳复合材料断裂机制的研究多局限于单向或两向增强碳/碳复合材料，而本课题主要研究单向碳/碳复合材料的层间力学性能。层间力学性能是进行复合材料设计的重要参数之一，正确地表征与准确地测量有很重要的意义。对于单向碳/碳复合材料的层间力学性能的表征主要有层间拉力强度（interlaminartensilestrength，ILTS）和层间剪切强度（interlaminarshearstrength，ILSS）。对C/C复合材料而言，层间剪切强度是衡量碳纤维与基体结合、纤维层间基体内部缺陷及结构参数的重要指标。由于碳/碳复合材料内部存在许多由制备工艺诱发的微裂纹和孔洞，层间剪切性能相对更差。随着承受载荷的不断增大,层间破坏逐渐成为了C/C复合材料的主要破坏方式。关于层间剪切强度的测试,近年来,已研究了数种测试单向纤维和叠层纤维增强复合材料的方法,如轨道剪切测试方法、Iosipescu剪切测试方法、短棒弯曲剪切测试方法、横梁测试方法、空管扭力剪切测试方法、非轴向拉伸剪切测试方法、双缺口压缩剪切测试方法等[14]。
而在单向碳/碳复合材料层间力学性能的研究
（下转第7页）
3制备工艺及工艺参数对力学性能的研究
制备碳/碳复合材料的工艺过程、致密化过程以
第25卷第3期梁淑美：离子液体在固相微萃取中的应用进展
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沥青制备的单向碳/碳复合材料的层间拉力强度进行了表征，发现在室温与1000℃时，其ILTS的范围为2.53+0.23MPa，要远远小于ILSS（室温11.35+2.03MPa，1000℃为9.32+2.59MPa）。
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