碳纤维环氧树脂复合材料的研究进展

碳纤维/环氧树脂复合材料的研究进展摘要：本文主要研究了碳纤维/环氧树脂复合材料的发展历程，以及近期的研究进展，并对碳纤维/环氧树脂复合材料的应用前景做了一下展望。关键词：环氧树脂、复合材料、碳纤维引言：最近几十年中，环氧树脂为基体的聚合物材料的性能不断提升，种类不断增加，其应用广泛性大大超过了包括玻璃、水泥、陶瓷和钢铁等在内的传统材料[1]。由于具有多变的结构特性，各种聚合物材料的性能与特点也千差万别，其应用范围涵盖并滲透于人类生活生产的各个领域，在人们的生产活动和日常生活中发挥着巨大的作用。环氧树脂作为重要的聚合物材料，被广泛应用于涂料、胶黏剂、工程塑料、土建材料和泡沫材料等诸多领域。如何通过分子设计与结构构建制备出性能更为优异的环氧树脂聚氨酷材料，是聚合物材料科学中的重大挑战课题之一。1.环氧树脂的特性环氧树脂作为一种应用广泛的热固性树脂,具有优异的粘接性能、耐磨性能、机械性能、电绝缘性能、耐化学腐蚀性、以及收缩率低、易加工成型和成本低廉等优点,它在电子、电气、机械制造、化工防腐、航空航天、船舶运输及其他许多工业领域中起到重要的作用,广泛用作粘接剂、耐腐蚀涂料、建筑材料、电气绝缘材料、复合材料基体等材料[2],己成为各工业领域中不可缺少的基础材料。但由于环氧树脂固化后交联密度高、呈三维网状结构,存在着内应力大、质脆、耐疲劳性、冲击性能差等不足,以及剥离强度、耐开裂性能、耐热性和耐湿热性较差等缺点,加之表面能高,在很大程度上限制了它在某些高技术领域的应用。为此国内外学者对环氧树脂进行了大量的改性研究，使环氧树脂材料具有更好的性能,如韧性、耐热性、耐水性、耐化学药品性及低的内应力等。环氧树脂的特征结构使其具有以下基本性能：(1)粘接强度高，范围广。在环氧树脂中含有大量经开环反应形成的或者本身具有的羟基醚键结构，容易与點合材料之间发生分子间相互作用。在它与众多非金属材料的粘接中，例如玻璃，木材以及陶瓷，粘接部位的粘接强度往往超出材料本身，在材料的受力部位等结构中，使用尤其广泛。(2)化学稳定性好。在交联的环氧树脂中，如果没有酸碱盐等杂质，结构十分稳定。同时，由于其本征的交联网络结构，对酸碱都具有良好的抵抗性。对于芳香族的环氧树脂，其含有大量苯环结构，为材料提供了优秀的耐热性。(3)空间稳定性好。环氧树脂固化的过程中，只发生环氧基团开环的反应并形成网络结构，不产生小分子。同时，材料内部有大量开环过程形成的和本身的轻基结构，能够形成氧键相互作用，使材料排列相对紧密。因此固化前后的环氧树脂体积变化很小一般为。(4)力学性能优异。环氧树脂本身具有可调节的交联密度，由于氢键相互作用，其内聚能较高，结构紧密，因此，其拉伸强度、杨氏模量等力学性能十分卓越。(5)绝缘性能好。常规的环氧树脂固化后，不含有游离的离子或者强活性基团，且材料结构相对疏水[3]。2.环氧树脂的发展概况环氧树脂的研究是从20世纪30年代开始的,1934年德国的schlack[4]首先用胺化合物使含有大于一个环氧基的化合物聚合制得高分子聚合物,并由I.G染料公司作为德国的专利发表,因二次世界大战而未能在美国取得专利权。稍后,瑞士的和美国的所发表的多项专利都揭示了双酚和环氧氯丙烷经缩聚反应能制得液体聚环氧树脂,用有机多元胺和二元酸均可使其固化,并且具有优良的粘接性。这些研究成果促使了美国公司在年进行了第一次具有工业生产价值的环氧树脂制造。不久,瑞士的公司、美国的以及公司都开始了环氧树脂的工业化生产及应用开发工作。当时环氧树脂在金属材料的粘接和防腐涂料.等应用方面已有了突破,于是环氧树脂作为一个行业蓬勃地发展起来。我国于年在沈阳和上海开始了环氧树脂研发，并于年在上海幵始了工业化生产。经过余年的发展，我国环氧树脂品种、产量日益增多，品质也取得了巨大提升，广泛应用于生活、生产以及国防等各个领域。3．碳纤维-环氧树脂的表面处理方法3.1等离子体处理等离子体处理是在一定气氛下（如O2、NH3等）高聚物在等离子体引发的状态下进行自由基裂解、自由基转移、氧化、歧化、耦合等化学反应，使的纤维表面极性增加，进而提高碳纤维的表面浸润性。当碳纤维加入到树脂基材料时可以明显改善二者界面间的结合力，从而实现对树脂基的增强。ChunLu等用采用空气冷等离子体对碳纤维进行了处理，处理后的碳纤维表面粗糙度增加，并且成功引入了极性官能团[5]。3.2氧化处理通过氧化处理后可以使碳纤维的表面极性和浸润性得到改善。碳纤维经过氧化后其表面的羟基、羧基等含氧集团有所增加，可以增加碳纤维的表面活性，同时可以增强碳纤维与树脂基体复合材料的界面结合力[6]。3.3表面接枝处理纤维的表面接枝处理是在纤维表面接枝上化合物，且该化合物具有反应性的官能团。或可以采用使得纤维表面长出一层活性的聚合物，从而使得复合材料在其界面可以形成过渡层，这样可以提高复合材料中的增强材料与树脂基体的界面结合强度[7]。4.碳纤维/环氧树脂的应用4.1军事方面碳纤维-环氧树脂复合材料具有优异的机械力学性能，并且相比较其它复合材料，具有较高的比强度和比模量，因此可以替代金属基复合材料应用于航空航天和军事战斗机方面，使飞行器的重量大大减轻。比如美国从F-15战斗机就开始采用碳纤维/环氧树脂复合材料，从而大大降低了战斗机的质量。4.2通信和交通运输方面碳纤维/环氧树脂复合材料在通信方面同样具有较好的应用，比如通位卫星上的通讯天线系统。由于天线系统是卫星上的关键设备，而且所处的环境通常比较恶劣，所以天线系统必须经受住空间环境的考验。碳纤维/环氧树脂复合材料的线胀系数极小，而被认为是理想的天线结构材料。4.3建筑领域目前，碳纤维/环氧树脂复合材料主要用于建筑工程损坏或补救施工时的加固处理[8]。由于建筑工程加固处理尽可能不影响建筑功能的使用情况下进行，因此需要高强高拉伸模量和拉伸强度的材料。与钢筋加固材料相比，碳纤维环氧树脂复合材料的比重是铁的1/4～1/5,但拉伸模量却比钢筋类材料高10倍以上，加上碳纤维树脂复合材料耐腐蚀性能优异，并且具有较高的变形性能,因此施工工艺简单，可以进行各种形状的结构加固补强。5．结语随着国民经济的高速发展，我国对于复合材料的要求也越来越高，这既是高性能复合材料发展的一个挑战同时也是其发展的一个契机，以碳纤维/环氧树脂为代表的复合材料的制备必将成为未来的复合材料发展的重点。参考文献[1]杨亚文.碳纤维环氧树脂复合材料的吸湿行为[J].机械制造,2005,43(2):71-72.[2]陈跃良,王冬冬,张勇,等.T700碳纤维环氧树脂复合材料与2A12铝合金电偶腐蚀研究[J].装备环境工程,2014(6):40-44.[3]何宏伟,李开喜,孙国华,等.热塑性酚醛树脂对碳纤维环氧树脂基复合材料性能影响[J].化工新型材料,2009,37(7):87-89.[4]何宏伟,李开喜,孙国华,等.热塑性酚醛树脂对碳纤维环氧树脂基复合材料性能影响[J].化工新型材料,2009,37(7):87-89.[5]刘永慧.碳纤维环氧树脂复合材料真空灌注与手糊工艺的研究[J].商业故事,2015(9).[6]王志平,张国尚,李娜,等.一种碳纤维环氧树脂复合材料的表面处理方法:,CN103087341A[P].2013.[7]冯永国,许伟,王海龙.碳纤维环氧树脂复合材料层间增韧研究进展[C]//第十八届玻璃钢/复合材料学术年会论文集.2010.[8]陈明,龙连春,张伟.碳纤维环氧树脂复合材料高温环境下强度分析[C]//北京力学会第十六届学术年会论文集.2010.