1前言
1.1聚酰亚胺
1.1.1概述
聚酰亚胺( PI) 是一类以酰亚胺环为结构特征的高性能聚合物材料, 有十分稳定的芳杂环结构，使其体现出其他高分子材料所无法比拟的综合性能[1]。其的优异性能很大程度上取决于预聚体聚酰胺酸的分子质量以及亚胺化程度等因素[9]。聚酰亚胺的合成方法可以分为两类，第一类是在聚合过程中，或在大分子反应中形成酰亚胺环；第二类是以含有酰亚胺环的单体聚合成聚酰亚胺。由于合成聚酰亚胺的单体种类多种多样，聚酰胺化分热环化和化学环化两种，这样，合成途径便多样，可以制备出一系列不同结构和性能的聚酰亚胺，结构式如图1.1所示。
图1.1 聚酰亚胺分子式
Figure 1.1 polyimide molecular formula
聚酰亚胺性能拔尖，具有多种途径；且应用领域极其广泛[1]。其主要性能如下：（1）优异的耐高温性能，对于全芳香聚酰亚胺，其开始分解温度一般都在500℃左右，是热稳定性能最高的品种之一；（2）可耐极低温，在-269℃的液态氮中仍不会脆裂；（3)良好的机械性能，未填充的塑料的抗张强度都在100MPa以上，作为工程塑料，弹性模量通常为3～4GPa，纤维可达200 GPa；(4)可以利用碱性水解回收二胺和二酐；（5）低热膨胀系数；高耐辐照性能；很好的介电性能，介电常数为3.4左右；（6）良好的自熄性，发烟率低；（7）极高的真空下放气量很少；（8)无毒可用来制餐具或医疗器具，经得起千次消毒，某些聚酰亚胺具有很好的生物相容性等等。
由于上述聚酰亚胺性能和合成化学上的特点，使其具有广阔的应用，塑料、复合材料、薄膜、胶粘剂、纤维、泡沫、液晶取向剂、分离膜、光刻胶等，聚酰亚胺在每一个应用领域都显示了其突出的性能，在许多领域已成为不可替代的材料[3]。
1.1.2国内外发展状况
20 世纪60 年代初杜邦公司推出的Kapton 聚酰亚胺薄膜(PMDA -ODA 型) , 它具有优良的机械、电、热性能, 被广泛应用于电工、微电子和机械化工等行业; 又由于它良好的耐辐射性, 在航空、航天等尖端技术领域也得到应用。自1969年由法国Rhone-Poulene公司双马来酰亚胺树脂研制成功以来，美国、英国、德国、日本和中国等国家都相继进行了研究开发。美国国家航空航天局（NASA）成功研制了当前具有代表性的PMR热固性聚酰亚胺树脂PMR-15。2006年孙自淑，合成出一系列可溶于强极性溶剂、特性粘数在0.675~1.08dL/g之间的光敏聚酰亚胺材料[3]。2008年美国GE 塑料集团推出Extem系列热塑性聚酰亚胺（TPI）树脂，这是一种新型的无定形聚合物，性能卓越，可免除某些半结晶材料、酰亚胺类热固性塑料和其它无定形热塑性塑料的缺点。此外，Extem树脂而具有内在的阻燃特性，用卤系阻燃剂。目前中科院长春应化所开发了一种新的聚酰亚胺合成工艺，开辟了一条新的氯代苯酐合成聚酰亚胺反应途径。
我国对聚酰亚胺的研究开发始于1962 年, 目前研究开发已形成了合理的结构和布局, 生产能力已达700 t / d。随着我国航空、航天、电器、电子工业和汽车工业的发展, 聚酰亚胺行业也将有较大的发展[18] 。中国科学院化学研究所专门从事PMR 聚酰亚胺的研究开发，中国科学院化学研究所研制的短纤维和颗粒增强聚酰亚胺复合材料是以PMR型304-KH热固性聚酰亚胺为基体的树脂，其具有优良的力学性能、耐腐蚀性能、抗辐射性能、自润滑性能、耐磨耗性能、耐高温氧化性能和加工性[7]。
1.1.3聚酰亚胺的改性研究
聚酰亚胺分子主链上一般含有苯环和酰亚胺环结构，由于电子极化和结晶性，致使聚酰亚胺存在较强的分子链间作用，引起聚酰亚胺分子链紧密堆积，从而导致聚酰亚胺存在着以下缺点：（1）传统的聚酰亚胺不溶又不熔，难以加工；（2）制成的薄膜用于微电子工业尚存在降低线膨胀系数与机械强度难以兼顾，用于光通信行业则存在透明性差的问题，影响使用效果；（3）粘结性能不理想；（4）固化温度太高，合成工业要求高。与此同时，由于原材料价格昂贵，生产成本居高不下，且合成的中间产物聚酰胺酸遇水极易水解，性能不稳定，需低温冷藏，难以运输、保存。为解决这些问题并不断开发聚酰亚胺新的性能及应用领域，人们进行了多方面的研究探索。
目前，对聚酰亚胺改性的研究主要集中在以下几个方面：（1）合成方法的改性；（2）结构改性。主要是在聚酰亚胺主链引入硅、氟等柔性结构单元；在侧链上引入功能型侧基，引入扭曲和非平面结构。（3）复合改性。包括聚酰亚胺与其它高分子材料的复合和聚酰亚胺与无机材料的复合两部分。无机物具有高强度、高刚性、高硬度而适于作为结构材料，无机物和聚酰亚胺复合，可降低聚酰亚胺的热膨胀系数，提高物理机械性能，改善成型加工性[10]。随着有机-无机填料复合材料的研究热潮，聚酰亚胺/碳纤维复合材料已经成为人们的一个研究热点。
1.1.4展望
聚酰亚胺作为很有前途的高分子材料已经得到充分的认识，在绝缘材料和结构材料方面的应用正不断扩大。在功能材料方面正崭露头角，其潜力仍在发掘中。但在40年之后仍为成为最大的品种，主要原因是，与其他聚合物相比成本还是太高，因此今后聚酰亚胺研究的主要方向之一仍应是在单体合成及聚合方法上寻找降低成本的途径[1]。
（1)单体合成：聚酰亚胺的单体式二胺和二酐，二胺的合成方法比较成熟，而二酐虽能有各种方法合成，但价格比较昂贵中国科学院长春应用化学研究所开发的由邻二甲苯氯代氧化再经异构体分离可以得到高纯度的4-氯代苯酐和3-氯代苯酐，以这两种化合物为原料可以得到一系列的二酐，降低成本的可能性很大，是一条有价值的合成路线。
（2)聚合工艺：目前所用的目前使用的二部法、一步法工艺都使用高沸点溶剂，非质子极性溶剂价格较高还难以除尽，最后都需要高温处理。PMR法使用的是廉价的类剂。二酐和二酐还可以直接在挤出机上聚合造粒，不再需要溶剂，大大提高了效率用氯代苯直接和二胺、双酚、硫化钠或单质硫聚合得到的聚酰亚胺是最经济的合成路线。
（3)加工：聚酰亚胺应用面如此之广，加工也是多种多样的，如高均匀度成膜、纺丝、气相沉积、亚微米级光刻、深度直接刻蚀、激光精细加工、纳米级杂化技术等。随着合成技术和加工技术的进一步提高和成本的大幅度降低，具有优越性能的聚酰亚胺必将在未来的材料领域中显示其更为突出的作用。
1.2碳纤维概述
碳纤维是一种新型非金属工程材料，它县有高强度、高模量、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、比重小和热瞄胀系数小等优异性能，因此发展迅速。碳纤维作为增强科被广泛地用来制造复合材料，是宇航、导弹、火箭、飞机、汽车、化工、机械、纺织、医疗及体育器材中的先进材料[17]。碳纤维( CF) 增强的聚酰亚胺树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、使用温度范围宽等优异性能, 在航空航天飞行器、化工医药、纺织工业、汽车工业以及精密机械等领域中, 金属材料或其他工程材料无法满足要求的情况下, 都可使用聚酰亚胺复合材料[11] 。由于碳纤维表面有很多空隙、凹槽、杂质等，对制成碳纤维复合材料的质量带来很大影响。分析碳纤维的化学组成，其主要由碳和少量的氮、氧、氢等元素组成。未经表面处理的碳纤维其表面羟基、羰基等极性基团的含量很少，不利于其与基体树脂的粘结。碳纤维的类石墨结构决定了其表面呈化学惰性，不易被基体树脂浸润及发生化学反应，与基体树脂的粘结性能差，表现为CFRP的偏轴强度较低。特别是碳纤维自身的机械强度较高，但其机械强度在复合材料中未得到充分体现。因此，改善碳纤维的表面性能已成为提高碳纤维复合材料品质的关键[17]。
目前常用的表面处理方法，都是在碳纤维表面发生一系列物理、化学反应，增加其表面形态的复杂化和极性基团的含量，从而提高碳纤维与基体树脂的界面性能，以实现提高复合材料整体力学性能为最终目的。常用的碳纤维表面处理方法[11]有：气相氧化法、液相氧化法、阳极氧化法、等离子体氧化法、表面涂层改性法等。也有采用两
种或两种以上表面处理法，先后或同时对碳纤维进行表面处理，称之为复合表面处理法。以下对其简单介绍：
（1）气相氧化法：
等)中，在加温、加催化剂气相氧化法是将碳纤维暴露在气相氧化剂(如空气、O
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等特殊条件下使其表面氧化生成一些活性基团(如羟基和羧基)。经气相氧化法处理的碳纤维所制成的CFRP，弯曲强度、弯曲模量、界面剪切强度和层间剪切强度等力学性能均可得到有效提高，但材料的冲击强度降低较大。此法按氧化剂的不同，通常分为空气氧化法和臭氧氧化法。
（2）液相氧化法：
液相氧化法是采用液相介质对碳纤维表面进行氧化的方法。常用的液相介质有浓硝酸、混合酸和强氧化剂等。
最常见的液相氧化剂是浓硝酸，浓度一般在60％-70％。浓度过高则纤维在氧化过程中被强酸腐蚀，强度损失较大，导致CFRP的层间剪切强度提高不显著。研究表明[17]：用强氧化剂溶液氧化，对纤维本身强度损伤不大，但氧化效果不显著。液相氧化的处理时间和氧化温度也会对处理效果产生显著影响。液相氧化法相比气相氧化法较为温和，一般不使纤维产生过多的起坑和裂解，但是其处理时间较长。
（3）阳极氧化法：
阳极氧化法，又称电化学氧化表面处理，是把碳纤维作为电解池的阳极、石墨作为阴极，在电解水的过程中利用阳极生成的“氧”，氧化碳纤维表面的碳及其含氧官能团，将其先氧化成羟基，之后逐步氧化成酮基、羧基和CO2的过程。要求水的纯度高，如果水中有杂质，其负离子电极位低于氢氧根负离子的电极位，则阳极得不到氧气；还要求正离子电极位低于氢正离子电极位，以保证阴极只有放氢反应；此外电极必须是惰性的，不参加电化反应。
（4）等离子体氧化法：
等离子体是具有足够数量而电荷数近似相等的正负带电粒子的物质聚集态。用等离子体氧化法对纤维表面进行改性处理，通常是指利用非聚合性气体对材料表面进行物理和化学作用的过程。
（5）表面涂层改性法
表面涂层改性法的原理，是将某种聚合物涂覆在碳纤维表面，改变复合材料界面层的结构与性能，使界面极性等相适应以提高界面粘结强度，同时提供一个可消除界面内应力的可塑界面层。
（6）复合表面处理法：
复合表面处理是指通过几种普通表面处理法先后处理碳纤维，集各处理方法优点于一体的处理方法。
目前最常见的复合表面处理法是气液双效法。该法将补强和氧化相结合，先用液相涂层后用气相氧化，使碳纤维的自身抗拉强度和复合材料的层间剪切强度均得到提高。其实质是使涂层达到填充纤维表面空隙裂纹的效果，从而提高碳纤维抗拉强度；同时涂层液在纤维表面干燥除去溶剂后生成薄膜，氧化在涂层薄膜表面进行，达到引入极性基团的效果。
2 实验部分
2.1原料及仪器
主要实验原料实验设备及仪器分别见表2.1、表2.2。
表2.1 主要实验原料及生产厂家
Table 2.1 main experiment raw material and production manufacturers 化学名称（缩写）生产厂家
均苯四羧酸二酐（PMDA）廊坊格瑞泰化工有限公司
4,4’-二氨基二苯醚（ODA）上海邦成有限公司N-甲基吡咯烷酮（NMP）濮阳迈奇科技有限公司
碳纤维中科院山西煤化研究所浓硝酸（HNO3）（分析纯）西陇化工股份有限公司
表2.2 主要设备及其型号、生产厂家
Table 2.2 main equipment and its model, production manufacturers
仪器型号制造厂家精密电动搅拌器威尔JJ-1型苏州威尔实验限公司真空气氛箱式电炉CQ-210E洛阳纯青炉业有限司电热鼓风干燥箱DHG-9030A上海一恒科技有限司热失重仪HCT-1北京恒久科学仪器厂
偏光显微镜上海蔡康光学有限公司XPR-500D
数字涂层测厚仪CM8825广州兰泰仪器有限公司广角X射线衍射仪丹东通达仪器有限公司TD-300
万能材料试样机WES-5长春试验机厂
红外光谱测试仪Tensor27天津市科器高新公司2.2实验流程
工艺流程图见图2.1。
图2.1 工艺流程图
Figure 2. 1 experimental process flow
2.3实验
2.3.1碳纤维的硝酸表面处理
称取3g左右的CF，取一定量的65%的浓硝酸，将CF浸泡在其中20min，然后真空抽滤去酸液,用去离子水冲洗至中性，放入干燥箱烘干，取出理顺并将一半剪成长度约2～3mm，另一半不剪分别放入细口瓶中待用。
2.3.2聚酰胺酸的制备
合成聚酰胺酸的反应方程式为：
图2.2 合成聚酰胺酸的化学反应方程式
Figure 2.2 synthesis of acid polyamide chemical reaction equations
合成基体聚酰胺酸：为获得高分子量PAA，选用活性最大的原料二元胺ODA和二元酐PMDA，严格控制二胺和二酐的摩尔比。考虑到二元酐极易水解，本实验实际称料应让二元酐稍微过量，以保证二元胺比二元酐的比例靠近1:1，以能合成高粘度的PAA。在三口烧瓶中先加入NMP后加入ODA，在冰浴条件下搅拌使ODA溶于NMP后，再加入PMDA（注意加药品时，药品不要尽量要直接加入溶剂中，不要粘在瓶壁或搅拌杆上，药品要尽量加干净。初期搅拌速度调大一些，随着溶液粘度不断增加，单体全部溶解后，搅拌速度调慢，继续在冰浴条件下搅拌，总时间为9h。完后，将PAA静置于冰箱12小时，备用。
按照以上的方法，控制二胺和二酐的摩尔比，分别按1: 1.045称料合成基体PAA,按1：1.05,1：1.025,1:1.01称料合成用于包覆CF的高、中、低不同粘度的PAA，通过乌氏粘度计测量这三组PAA的粘度，并计算出粘均分子量。
2.3.3碳纤维的包覆
量取15mL高粘度的用于包覆CF的PAA并用NMP将其稀释到5%，将其加入到三口烧瓶，搅拌几分钟，之后称取适量的已剪过的CF加入到三口烧瓶中，继续搅拌30min，
碳纤维材料的性能及应用 碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。 碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。另外，碳纤维是指含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。 性能特点： 碳纤维的比重小，抗拉强度高，轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。总之，碳纤维是一种力学性能优异的新材料。 应用领域： 用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。1999年发生在南联盟科索沃的战争中，北约使用石墨炸弹破坏了南联盟大部分电力供应，其原理就是产生了覆盖大范围地区的碳纤维云，这些导电性纤维使供电系统短路。 目前，人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成碳纤维是纤维状的碳材料，其化学组成中含碳量在90%以上。由于碳的单质在高温下不能熔化（在3800K以上升华），而在各种溶剂中都不溶解，所以迄今无法用碳的单质来制碳纤维。碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。目前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。其产生的步骤为A预氧化：在空气中加热，维持在200-300度数十至数百分钟。预氧化的目的为使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构，以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态。B碳化：在惰性气氛中加热至1200-1600度，维持数分至数十分钟，就可生成产品碳纤维；所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气，但一般多用高纯氮气。C石墨化：再在惰性气氛（一般为高纯氩气）加热至2000-3000度，维持数秒至数十秒钟；这样生成的碳纤维也称石墨纤维。碳纤维有极好的纤度（纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数），一般仅约为19克；拉力高达300KG/MM2；还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性能。目前，碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料来应用。这种增强塑料比钢、玻璃钢更优越，用途非常广泛，如制造火箭、宇宙飞船等重要材料；制造喷气式发动机；制造耐腐蚀化工设备等。羽毛球：现在大部分羽毛球拍杆由碳纤维制成。【碳纤维】carbon fibre 含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含
连续碳纤维打印和短碳纤维打印的打印原理 碳纤维是由排列在一起的碳原子链组成的，且具有极高的拉伸强度。但是，当我们单独使用它们时，其薄而脆的特性使它们在任何实际应用中很容易破碎，所以其自我存在的价值并不高。然而，当使用粘接剂将纤维分组并粘附在一起时，纤维平稳地分布载荷，并形成一种非常坚固且质地轻的复合材料。其中，这些碳纤维复合材料主要是以片材，管材或定制模塑特征的形式出现，并广泛应用于航空航天和汽车等以强度重量比为主导的行业。而且，传统上使用的粘合剂多为热固性树脂。碳纤维可以提供与金属相当的强度，但其重量却非常轻，在需要考虑重量与强度比的行业，如航空航天、汽车、轨道交通等行业中有着广泛应用前景。传统工艺制造碳纤维过程十分复杂并需要大量人力劳动，采用3D打印技术无疑会使碳纤维复合材料的制造更为便捷，同时大大减少人工投入。 碳纤维打印技术
随着3D打印技术的发展，我们可以使用碳纤维进行3D打印。然而，与标准的碳纤维工艺不同的地方就在于所用的粘合材料不同。由于之前所用的粘结剂热固性树脂不会熔化，因此其不能通过喷嘴挤出，所以为了解决这个问题，3D打印机采用易于打印的热塑性塑料替代热固性树脂。虽然这些打印的部件不如树脂基质碳纤维复合材料那样耐热，但它们由于碳纤维的混入，确实增强了热塑性塑料的强度。 1. 短碳纤维打印 材料特点：短纤增强尼龙、PEEK、TPU等粉末材料 工艺特点：以一定比例混合短切碳纤维和尼龙材料，通过激光烧结实现一体成型。 通过FDM熔融挤出的方式打印碳纤维需要将碳纤维与热熔塑料一起打印。PETG这种材料，本身就有很好的延展性，而且它能在承受更高的CF负载的同时保持一定的延展性和抗冲击性。它能够很好地粘附在多种构建平台上，同时也具有优异的层粘合，而碳纤维的加入不仅增加了它的刚性和尺寸稳定性。 PLA可能是最容易打印的，ABS与PETG强度更大，尼龙难以打印，但比起其他材料耐磨性最好。如果要与工业级零件竞争，PEEK应该是理想的选择，PEEK最强，最耐热，化学和抗潮湿性能最好。桌面型打印机方面，Markforged的设备还可以用来制造尼龙碳纤
碳纤维复合材料 碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料。 碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。 (1)密度低(1.7g/cm3左右)在承受高温的结构中，它是最轻的材料;高温的强度好，在2200oC时可保留室温强度;有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性;而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现"假塑性效应"即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。 (2)热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。 (3)耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。 复合原理它以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。 复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。 碳纤维增强尼龙的特色 碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特色，与玻璃纤维比较，模量高3?5倍，因而是一种取得高刚性和高强度尼龙资料的优秀增强资料。碳纤维复合资料可分为长（接连）纤维增强和短纤维增强两大类。纤维长度可从300~400m 到几个毫米不等。曩昔10年中，大家在改善不一样品种的碳纤维复合资料加工办法和功能方面投入了许多的研讨。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型，在碳纤维复合资料及制品制造方面积累了许多成功的经历。当前普遍认为，长（接连）纤维有高强、高韧方面的优越性，短切纤维有加工性好的特色。因而，长碳纤维复合资料在加工上完善成型技术、短碳纤维复合资料进一步进步力学功能是碳纤维复合资料开展的方向。 依据碳纤维长度、外表处理方式及用量的不一样，还能够制备归纳功能优秀、导电功能各异的导电资料，如抗静电资料、电磁屏蔽资料、面状发热体资料、电极资料等。碳纤维增
碳纤维材料的性能及应用 摘要：介绍了碳纤维及其增强复合材料，详细介绍了碳纤维复合材料的分类和特性,着重阐述了碳纤维及其复合材料在高新技术领域和能源、体育器材等民 用领域的应用，并对未来碳纤维复合材料的发展趋势进行了分析。 关键词：碳纤维性能应用 0引言 碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料，不仅在国防战略武器建设中具有不可替代性，在绿色能源建设、节约能源技术发展和促进能源多样化过程中也将发挥极其重要的作用。若将先进碳纤维复合材料在国防领域的应用水平和规模视作国家安全的重要保证，则碳纤维复合材料在交通运输、风力发电、石油开采、电力输送等领域的应用将与有效减少温室气体排放、解决全球气候变暖等环境问题密切相关。随着对碳纤维复合材料认识的不断深化，以及制造技术水平的不断提升，碳纤维复合材料在相关领域的应用研究与装备不断取得进展，借鉴国际先进的碳纤维复合材料应用经验，牵引高性能碳纤维及其复合材料的国产化步伐，对于改变经济结构、节能减排具有重要的战略意义。 1碳纤维材料 1.1何为碳纤维材料 碳纤维是一种含碳量在9 2% 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不仅是21 世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。碳纤维分为聚丙烯睛基、沥青基和粘胶基 3种, 其中90 % 为聚丙烯睛基碳纤维。聚丙烯睛基碳纤维的生产过程主要包括原丝生产和原丝碳化两部分。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料, 广泛应用于航空航天领域体育休闲领域以及汽车制造、新型建材、
基本的交通密度交通量，车辆荷载增加对现有桥梁的承载性能的相当一 部分满足了与能力的要求。因此，维护和桥梁结构的研究和工程应用的提高和增强，引起全球关注的其他领域。在第二十世纪 90 年在纽约大学，碳纤维增强塑料（CFRP）材料和价格下降，茶叶的质量和不使用碳纤维板生产，烧结材料增强外部有 A.从开始放弃碳纤维的特性分析钢铁(碳纤维)探讨了施工增强技术在桥 梁结构中的应用。纤维增强复合材料（FRP）的特异性，强度和刚度的土木工程 中的应用研究优良，优良的耐腐蚀性，已应用于钢筋混凝土结构的广泛的纤维增强混凝土桥梁工程中，对现有的新技术的形成，碳纤维增强复合材料（CFRP）的黑莓的应用。 随着中国经济的快速发展，交通问题已成为制约该地区经济发展的瓶颈。国 家建设道路、桥梁、其重要性。经过长时间的发展中国的桥梁，已达到相当高的水平。但许多桥梁建设时间较早，受当时的技术条件，建筑材料和经济上的限制，在中国现代公共事业的发展。桥梁工程是很常见的，和交通运输业的蓬勃发展，在整个地区的公路，覆盖率高长距离。需要更多的车辆，在负载增加的现代建筑，压力是非常大的道路。许多道路和桥梁出现了许多问题，在轧制负荷和长，需要加强。碳纤维材料和优良性能的碳纤维加固技术的应用是广泛应用于桥梁结构的施工。的原理，特点，在施工过程中，碳纤维加固技术的影响的分析，阐述了应用于碳纤维加固桥梁结构施工技术。使用这种技术为建筑行业的一些参考 二、碳纤维材料的基本特性 具有高强度的碳纤维连续碳纤维材料，单向增强复合材料的弹性模量高，排 列成束，固化的环氧树脂及其碳纤维增强树脂固化浸渍碳纤维布，碳纤维片材。特殊配方的树脂片浸渍树脂糊或粘贴钢筋混凝土桥面，树脂的固化形成一个复杂的新的力量的原始组成，一起工作。碳纤维片材的拉伸强度2400MPa~3400MPa，
碳纤维增强尼龙66的研究 一、选题 聚酰胺(Polymaide，简称PA)俗称尼龙，是五大工程塑料之一，自1889年Gariel和Maass两人首先在实验室合成，已有100多年的历史。尼龙66不仅最先被开发出来，也是目前用量最大的工程塑料品种。因其大分子链中含有酰胺键，能形成氢键，具有强韧、耐磨、耐冲击、耐疲劳、耐腐蚀等优异的特性，特别是耐磨性和自润滑性能优良，摩擦系数小等特点，尼龙66在与其他工程塑料的激烈竞争中稳步迅速增长，从1998年至2002年的5年间，国内五大工程塑料市场需求保持30.3%的增长速度。但是尼龙66存在低温和干态冲击性能差，吸水性大等弱点，使其应用领域受到一定限制，为适应工业发展的需要，国内外研制出更多综合性能优越，可满足特殊要求的改性尼龙材料，使普通工程塑料向高性能的工程塑料和功能塑料发展，对尼龙的增强增韧技术进行了研究，使其进一步高性能化、结构化和工程化。 增强改性是在尼龙66中添加纤维、填料等具有增强作用的材料，使尼龙66的弯曲强度、拉伸强度等性能大幅度提高。具有增强作用的材料有纤维类、片状、针状超细(纳米)无机填料以及有机高聚物等。在PA66树脂中加入玻璃纤维(GF)、碳纤维（CF)、钦酸钾晶须短纤维、芳香族聚酞胺纤维(KF)、无机矿物填料等，不仅保持了PA树脂的耐化学性、良好的加工性等固有优点，而且力学性能、耐热性有了大幅度提高，尺寸稳定性等也有明显改善。
玻璃纤维是纤维增强复合材料中应用最为广泛的增强体，它具有成本低、不燃烧、耐热、耐化学腐蚀性好、拉伸强度和冲击强度高、断裂延伸率小、绝热性及绝缘性好等特点。玻纤的比强度和杨氏模量比PA66大10到20倍，线膨胀系数约为PA的1/20，吸水率接近于零，且有耐热和耐化学品性好等特点。因而国外对GF增强PA66的研究非常活跃，20世纪70年代，美国的杜邦公司开发出超强PA66，掀开了改性尼龙的新纪元。随着增强PA66中GF含量逐步提高。国内外对高GF含量PA的研究较多，其中最典型研究应用部件是用增强PA66生产的汽车散热器水箱部件，作为冷却系统的重要工作部件。 碳纤维是1959年日本人进藤昭男发明，具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特点，与玻璃纤维相比，模量高3-5倍，因而是一种获得高刚性和高强度尼龙材料的优良增强材料。碳纤维大致可分为通用型、高强型、高模型、高强高模型四大类。通用型碳纤维是指抗拉强度在0.6-1.2GPa,抗拉模量在30-40GPa 左右,技术性能要求不高但价格要求便宜,广泛用于民用产品;高强型碳纤维的抗拉强度一般在 3.0GPa以上,名牌号指标也不相同,但抗拉模量要求较高,一般在300GPa以上,但对抗拉强度要求相对较低,主要用于要求形态稳定的部件,高强高模型碳纤维对抗拉强度和抗拉模量均要求很高,以日本东丽公司生产的M620J为例,抗拉强度达到3.92GPa,抗拉模量为588GPa. 人们在改进不同种类的碳纤维复合材料加工方法和性能方面投入了大量的研究。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射
碳纤维增强复合材料的研究开发 嘉兴天翼科技有限责任公司唐清 2013年2月16日 以热固性树脂制成的轴承在市场上出现以来，在轴承领域里，各种聚合物和聚合物为主的各种混合物的应用已不断增加。可以用作轴承材料的塑料品种很多，如聚四氟乙烯、尼龙、聚酰亚胺、聚甲醛、低压聚乙烯等，它们都有很好的自润滑性，摩擦系数小，功率损耗比金属轴承约小15 ％。聚四氟乙烯为目前氟塑料中综合性能最突出、应用最广、产量最大的一个品种，它有高度的化学稳定性，耐强腐蚀，极好的自润滑性，摩擦系数极小等特点。但纯聚四氟乙烯尺寸稳定性差，耐磨性差，而加入填充剂可以改善其摩擦性能，提高其硬度和强度。经过反复试验，我公司开发出新型热固型钨-碳纤维轴承，相比传统轴承，钨-碳纤维轴承具有更好的性能和性价比。 2 W-CFRP 轴承的工作机理与摩擦特性 2.1 W-CFRP 轴承的工作原理 W-CFRP 轴承一般与金属轴形成一对旋转摩擦副。 在跑合阶段，由于旋转轴表面有一定的粗糙度，具有不同的“凸峰”和“凹谷”，夸大来讲就好像钢锉一样对W-CFRP 轴承内表面产生磨削作用，磨削下来的W-CFRP 大部分填充到
凹谷中。随着转轴运动的持续进行，磨削下来的W-CFRP 粉末累积量不断增加，填充更多的凹谷。“磨削一填充”过程持续进行，导致转轴表面上所有凹谷均填满了W-CFRP 微屑。在转子重力作用下，凹谷内W-CFRP 微屑被压实，使轴外表面紧密粘附一层W-CFRP 膜层，且形成连续光滑面。这全过程完成了轴承内表面W-CFRP 的部分“转移”，转移的结果是：由金属与W-CFRP 两种材料变为W-CFRP 一种材料之间的相互摩擦。由于CFRP 良好的自润滑性能，因此在跑合以后的工作阶段，轴承表面的磨损量随之下降到一个极低的水平，从而使摩擦副表面得到保护，大大减轻了转轴与轴承表面的磨损，延长了工作寿命。 2.2 W-CFRP 轴承的摩擦磨损特性 自润滑轴承属于干摩擦，因此可根据古典摩擦理论的基本公式求出其摩擦力，进而求出轴承的耗功量。 F=fW 式中F—摩擦力，kgf ； f —摩擦系数：W —接触面积的法向载荷，kgf 。公式中的摩擦系数 f 只适用于干摩擦或边界摩擦的状况。对于任一给定摩擦副的表面，其摩擦力大致与载荷成比例，因而摩擦系数 f 为一常数。就初步近似而言，摩擦力也与物体的面积无关。然而摩擦系数 f 不能视为接触时材料的恒定特征值，因为摩擦力取决于许多可变因素，例如表面的宏观形状、表面粗糙度、表面可能形成
纤维增强尼龙66现状 1玻璃纤维增强尼龙66 玻璃纤维(GF)的比强度和杨氏模量比尼龙大10-20倍，线性膨胀系数约为尼龙的1/20，吸水率接近于零，具有耐热和耐化学药品性好的特点。 从1955年开始，玻璃纤维就用于热塑性塑料的增强改性领域。目前，国外对高GF含量PA66的研究较多，研制出的高GF含量的PA66材料具有高刚性。如美国杜邦公司生产的Zytel70G43L BK031，日本ICI公司的V ertonRF700-10和RA-D7008，日本Tonya公司生产的Airman CM 3001G45,德国BASF公司生产的Ultramid A3WGIO以及法国Rhoda公司的Technyl A216V50,A218V40,A218V50等。 与国外相比，国内对GF增强PA66材料进行了理论研究和产品开发。刘相果等研究了偶联剂对GF增强P66力学性能和微观性能的影响，研究发现用经偶联剂Al100与偶联剂A、B协同处理的GF增强PA66复合材料的干态拉伸强度约为170MPa。赵文等人开发了轴承保持架用的30wt％GF增强PA66专用料，该专用料采用有机抗氧剂，干态拉伸强度在175MPa左右。化学工业部成都有机硅应用研究技术服务中心开发出高硬度GF增强PA66的桑塔纳轿车专用塑料，达到上海大众汽车有限公司TL-52062技术标准要求。石家庄市柴油机厂的栗彦荣报道了用40％的GF增强PA66制作风冷柴油机的全塑风扇，材料的马丁耐热可达265℃，拉伸强度200MPa，常温下的冲击强度为18kJ/㎡，低温-40℃则达22K/J，还能够减少收缩率。研究者还在GF增强的基础上，开发出一系列新牌号。如美国杜邦开发的阻燃增强Zytel超韧PA66新牌号FR5Ohf。 高GF含量增强PA66可以提高PA66的强度、尺寸稳定性和降低吸水率，但是也带来一系列的问题。当GF的含量超过40％时，复合体系的熔体粘度增大，不仅使加工成型困难，而且制品容易出现玻纤外露、表面粗糙的不良现象。特别是玻纤含量高的PA制品尤其严重，限制了它的应用范围。针对这一缺点，日本旭化成公司和东丽公司在PA66中加入少量芳香组分进行共聚，分别得到90G系列和CM3506G50。由于GF与PA的线膨胀系数存在很大的差异，因而易产生热残余应力，使基体的耐冲击性、疲劳强度、压缩强度等下降。