碳/碳復合材料力學性能的研究進展

喬志軍

（天津工業(yè)大學環(huán)境與化學工程學院，天津300160）

碳/碳復合材料力學性能的研究進展

喬志軍

（天津工業(yè)大學環(huán)境與化學工程學院，天津300160）

本文綜述了碳/碳復合材料力學性能的研究進展，包括碳纖維、基體炭、界面性能、制備工藝及工藝參數(shù)等對碳/碳復合材料力學性能的影響。同時簡單介紹了當今單向碳/碳復合材料力學性能的表征手段。希望對碳/碳復合材料力學性能的研究及應用提供幫助。

碳/碳復合材料;力學性能;碳纖維

碳/碳（C/C）復合材料兼有結構材料和功能材料的獨特性能，被廣泛應用于航天航空等領域。碳/碳復合材料的組成元素只有一種，即碳元素。因而碳/碳復合材料具有許多碳和石墨材料的優(yōu)點，如密度小，實際密度約為2.0 g/cm3。其在功能上不僅滿足了作為導熱材料所具備的耐高溫、高導熱系數(shù)等特點[1]，而且作為摩擦材料具有耐磨損、耐燒蝕等特點，同時作為結構材料就必須具備較高的力學性能，包括高比強、高比模、脆性小以及韌性大等，所以對碳/碳復合材料力學性能的研究尤為重要。碳/碳復合材料的力學性能與碳纖維、基體炭、界面性能、制備工藝及編織方向等[2]有關。

1 碳纖維及界面性能對力學性能的影響

碳纖維作為碳/碳復合材料的增強相，碳纖維的種類對材料的力學性能有重要的影響。碳纖維分為人造絲基碳纖維、聚丙烯腈基碳纖維和瀝青基碳纖維。不同種類的碳纖維本身的力學性能差異很大，5 μm PAN-CF的軸向拉伸強度最大，中間相瀝青基碳纖維的軸向拉伸模量范圍最廣也最大，而人造絲基碳纖維的軸向拉伸強度和拉伸模量均很?。ū?），導致所制備的碳/碳復合材料的力學性能各異。不僅碳纖維本身對碳/碳復合材料的力學性能有重要影響，蔡大勇等[3]在研究碳/碳復合材料抗折強度時，發(fā)現(xiàn)當碳纖維的體積分數(shù)小于8.3%時。復合材料的抗折強度，隨著碳纖維體積分數(shù)的增加先升高后逐漸下降。同時研究[4]還表明，碳纖維表面存在有縱向溝槽、橫向裂紋，直徑不均勻等缺陷，并且纖維內部也有孔洞，對碳/碳復合材料的力學性能帶來一定的影響。賀福[5]在研究層間剪切強度（interlaminar shear strength，ILSS）時發(fā)現(xiàn)未經表面處理的碳纖維的ILSS僅在50～60 MPa之間，經表面處理后可提高到80 MPa以上，表明界面性能對ILSS的提高很有幫助。瀝青基碳纖維在臭氧氧化后，纖維表面活性官能團明顯增加，纖維與基體炭之間的潤濕性增強，力學性能大大提高。

表1 幾種碳纖維的主要性能指標

2 基體炭對力學性能的影響

基體炭主要有三種：樹脂炭、熱解炭和瀝青炭。通常，樹脂炭為各向同性，但也可以高度取向，取向程度依賴樹脂類型和工藝條件。大多數(shù)樹脂在低溫下易于交聯(lián)，并且在高溫下很難石墨化。碳纖維與樹脂炭形成的復合材料，微觀結構和界面結合狀態(tài)隨著炭化工藝的變化都發(fā)生很大的變化，樹脂在不同溫度下反應機制不同，對力學性能的影響變化較大[6]，而有關樹脂炭在復合材料中對宏觀力學性能影響的研究還很不充分。熱解炭具有三種結構分別為粗糙層結構（RL）、光滑層結構（SL）、各向同性結構（ISO）。熱解炭的基體結構強烈影響碳/碳復合材料的力學性能。采用熱解炭制備碳/碳復合材料時，隨溫度的升高及C/H比的降低，基體炭的結構出現(xiàn)了：SL-RL-ISO的構型變化[7]，所以很難得到單一結構的熱解炭基的碳/碳復合材料，而幾種不同結構的熱解炭配合將獲得具有不同力學性能的碳/碳復合材料，如RL+ISO具有高強度、高剛度，而SL+RL則具有很好的斷裂韌性。瀝青炭中含有雜質及喹啉不溶物較多，因此其殘?zhí)柯瘦^低，但是易石墨化，易于與PAN基碳纖維結合，而且在偏光下具有光學各向異性。將瀝青炭轉化為中間相瀝青后，瀝青殘?zhí)柯试黾忧抑虚g相瀝青具有高的石墨取向微晶結構。中間相瀝青制備的碳/碳復合材料材料具有較高的力學性能，抗彎強度達到257 MPa[8]，碳/碳復合材料在斷裂過程中，體現(xiàn)出臺階式的斷裂形式，但是斷裂臺階較低，纖維拔出也較短。

3 制備工藝及工藝參數(shù)對力學性能的研究

制備碳/碳復合材料的工藝過程、致密化過程以及工藝參數(shù)等都對材料的力學性能有重要影響。在模壓工藝過程中，溫度和壓力是影響力學性能的關鍵因素[9]，溫度和壓力的改變引起材料的密度發(fā)生變化，研究表明[10]，碳/碳復合材料的力學性能隨著密度的增大明顯提高。而液相浸漬是碳/碳復合材料致密化的一種有效方法，經過液相浸漬后材料密度增大有利于力學性能的提高，其中溫度和壓力對液相浸漬的效果影響是非常重要的因素[11]。Ruiying Luo等[12]人采用ICVI（isothermal chemical vapor infiltration）法制備的熱解炭基碳/碳復合材料的斷裂強度達到150.36 MPa。加熱速率、炭化壓力、熱處理、最終熱處理溫度（HTT）和加硫改性等影響瀝青基一維增強碳/碳復合材料的宏觀性能，其中通過改變炭化加熱速率和加入硫，改變了基體炭的擇優(yōu)取向，從而影響碳/碳復合材料的宏觀力學性能。Davies等[13]研究了不同升溫時間的CVI工藝對二維碳/碳復合材料拉伸強度的影響。

4 單向碳/碳復合材料層間力學性能的表征

根據(jù)碳纖維的不同編織方向，碳/碳復合材料大致可以分為短纖維、長纖維（單向）、2.5維和3維碳/碳復合材料，目前對碳/碳復合材料斷裂機制的研究多局限于單向或兩向增強碳/碳復合材料，而本課題主要研究單向碳/碳復合材料的層間力學性能。層間力學性能是進行復合材料設計的重要參數(shù)之一，正確地表征與準確地測量有很重要的意義。對于單向碳/碳復合材料的層間力學性能的表征主要有層間拉力強度（interlaminar tensile strength，ILTS）和層間剪切強度（interlaminar shear strength，ILSS）。

對C/C復合材料而言，層間剪切強度是衡量碳纖維與基體結合、纖維層間基體內部缺陷及結構參數(shù)的重要指標。由于碳/碳復合材料內部存在許多由制備工藝誘發(fā)的微裂紋和孔洞，層間剪切性能相對更差。隨著承受載荷的不斷增大,層間破壞逐漸成為了C/C復合材料的主要破壞方式。關于層間剪切強度的測試,近年來,已研究了數(shù)種測試單向纖維和疊層纖維增強復合材料的方法,如軌道剪切測試方法、Iosipescu剪切測試方法、短棒彎曲剪切測試方法、橫梁測試方法、空管扭力剪切測試方法、非軸向拉伸剪切測試方法、雙缺口壓縮剪切測試方法等[14]。

而在單向碳/碳復合材料層間力學性能的研究中，層間拉力強度的斷裂機理相對簡單，無剪切力，所以拉力強度的大小代表了碳纖維與基體炭之間的結合性能。Edgar等[15]對MKC-1碳纖維與中間相瀝青制備的單向碳/碳復合材料的層間拉力強度進行了表征，發(fā)現(xiàn)在室溫與1000℃時，其ILTS的范圍為2.53+0.23MPa，要遠遠小于ILSS（室溫11.35+2. 03MPa，1000℃為9.32+2.59 MPa）。

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The research progress of mechanical properties in carbon/carbon composites

QIAO Zhi-jun
(School of environment and Chemical Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China)

The research progress of mechanical properties in carbon/carbon composites is reviewed in this paper,including carbon fiber,matrix carbon,properties of interface,preparation technology and process parameters. The characterization methods of mechanical properties of C/C composites are simply introduced.The research and application of application mechanical properties of carbon/carbon composites can provide guidance.

C/C composites;mechanical properties;carbon fiber

10.3969/j.issn.1008-1267.2011.03.001

TQ342+.74

1008-1267（2011）03-0001-03

A

2011-01-18

喬志軍（1985-），男，碩士研究生，主要研究領域為碳材料。