碳纤维复合材料范文1
关键词：碳纤维；复合材料；力学性能
本文以碳纤维增强热塑性树脂基复合材料为研究对象，对相关的概念和内容进行了梳理和总结。其中概括了碳纤维的性质性能，对复合材料的概念进行了阐述，最后对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能作了详尽的分析说明。
1.关于碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的概述
⑴复合材料的概念：面对传统、单一组分的材料已经难以满足现在应用需要的现实状况，开发研制新材料，是解决这个问题的根本途径。运用对材料改性的方法，来改善材料的性能是可取的。而材料改性的方法中，复合是最为常见的一种。国际标准化组织对于复合材料的概念有明确的界定：复合材料是指由两种或两种以上不同化学性质和物理性质的物质组成的混合固体材料。它的突出之处在于此复合材料的特定性能优于任一单独组分的性能。⑵复合材料的分类简介：复合材料的有几种分类，这里不作一一介绍。只介绍两种与本论文相关的类别划分。如果以基体材料分类，复合材料有金属基复合材料；陶瓷基复合材料；碳基复合材料；高分子基复合材料。本文讨论的是最后一种高分子基复合材料，它是以有机化合物包括热塑性树脂、热固性树脂、橡胶为基体制备的复合材料。第二，如果按增强纤维的类别划分，就存在有机纤维复合材料、无机纤维复合材料、其他纤维复合材料。其中本文讨论的对象属于无机纤维复合材料这一类别，因为碳纤维就是无机纤维复合材料的其中一种。特别值得注意的是，当两种或两种以上的纤维同时增强一个基体，制备成的复合材料叫做混杂纤维复合材料。实质上是两种或两种以上的单一纤维材料的互相复合，就成了复合材料的“复合材料”。
2.纤维增强树脂基复合材料的性能特点
纤维增强树脂基复合材料是指以高分子聚合物为基体材料，用纤维作增强材料复合制备而成的。基体材料和增强材料必然各自发挥自己的优势作用。之所以用纤维作增强材料是因为纤维具有高强度和高模量的优点，所以是承载体的“不二人选”。而采用高分子聚合物作基体材料，是考虑其良好的粘接性能，可以将纤维和基体牢固的粘连起来。不仅仅如此，基体还需发挥均匀分散载荷的作用，通过界面层，将载荷传递到纤维，从而使纤维承受剪切和压缩的载荷。当两者存在良好的复合状态，并且使结构设计趋于最佳化，就能最大程度上发挥复合材料的综合性能。⑴抗疲劳性能好：所谓疲劳破坏指的是材料在承受交变负荷时，形成裂缝继续扩大而引起的低应力破坏。纤维增强树脂基复合材料的疲劳破坏的发生过程是，首先出现裂缝，继而裂纹向进一步扩大的趋势发展，直到被基体和纤维的界面拦阻。在此过程中，纤维的薄弱部位最先被破坏，随之逐渐扩延到结合面。因此，纤维增强树脂基复合材料在疲劳破坏前存在明显的征兆，这与金属材料的疲劳发生截然不同。这也是它的抗疲劳性能好的具体表现。⑵高温性能好：纤维增强树脂基复合材料具有很好的耐热性能。将材料置于高温中，表面分解、气化，在吸热的同时又冷却下来。材料在高温下逐渐消失的同时，表面又有很高的吸热效率。这些都是材料高温性能卓越的物理特征。⑶高比强度和比模量：纤维增强树脂基复合材料具有高比强度和高比模量的特征。甚至在和钢、铝、钛等金属材料相比，它的力学性能也十分出色。这种材料在宇航工业中，受到极大的应用。⑷安全性能好：纤维增强树脂基复合材料中分布的纤维数量巨大，并且密度强，用数据来说明的话，每平方厘米的复合材料上的纤维数量少则几千根，多则达到上万根。即便材料超负荷，发生少量纤维的断裂情况，载荷也会进行重新分配，着力在尚未断裂的纤维部分。因此，短时间内，不会影响到整个构件的承载能力。⑸设计的可操作性强：当复合材料需要符合性能和结构的设计需求时，可以通过很多方法来实现。包括改变基体和纤维的品种，调整它们的含量比例，也可以通过调整纤维的层铺结构和排列方式来实现。因此，可以说，纤维增强树脂基复合材料有很强的设计可操作性。⑹成型工艺简单易成：成型工艺过程十分简单易成，因其制品大多都是整体成型，无需使用到焊接、切割等二次加工，工艺流程简单好操作。一次性成型不仅可以减少加工的时间，同时减少了零部件、紧固件、接头的损耗，使结构更趋于轻量化。⑺减震性能好：高的自振频率可以对工作状态下的早期破坏起到规避和防范的作用。自振频率和材料比模量的平方根成正比，和材料结构也息息相关。纤维增强树脂基复合材料的基体界面和纤维因为具有吸振能力，所以能够起到很好的减震效果。
3.碳纤维增强热塑料树脂基复合材料中碳纤维的性质
⑴对纤维的分类：纤维存在有机纤维和无机纤维之分。增强纤维共有五大类别，分别是：硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及芳纶纤维。除最后一种芳纶纤维以外，其他四种都属于无机纤维。碳纤维是五大纤维之冠，是增强纤维中最有活力的一种。碳纤维复合材料种类很多，但是应用最广泛的还要属碳纤维增强树脂基复合材料。⑵碳纤维的性质和性能：碳纤维是纤维状的碳素材料，它的性质包括导热、导电、耐温、耐磨、比重小且耐腐蚀性等。除此之外，它的性能也相当突出，具有热膨胀系数小、抗震动衰减、自性以及防原子辐射等。因为碳纤维的纤维属性，因此可以对其编制加工，缠绕成型。利用纤维状直径细的特点，是制成复合材料杂曲面构件部件的绝佳材料。碳纤维能够成为最有活力的增强纤维，它密度低，抗拉伸强度可以和玻璃纤维比肩，而碳纤维的弹性模量却是后者的4到5倍。在惰性气氛中，碳纤维的抗拉强度随温度的升高而攀升，表现出极佳的性能。因此，不得不说碳纤维是复合材料增强纤维的首选。⑶碳纤维的力学性质：碳纤维的力学性质主要通过轴向抗拉模量来体现。当热处理温度上升，碳纤维的模量随之攀升。细直径纤维在预氧化过程中，发生碳化，产生很多排列整齐的饿表皮结构。这些结构对碳纤维模量的增加又起到推波助澜的作用，促使它的模量进一步提高。碳纤维模量的变化趋势以施加负荷的方式作为判别标准，不是随应变的增加而增加，就是随应变的增加而下降，无非是这两种情况。
4.纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能研究
碳纤维复合材料范文2
关键词 碳纤维；复合材料；雷电防护
中图分类号V2 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）102-0097-03
0引言
飞机的防雷击设计包括全机防雷击系统和部件级防雷击系统两部分。而防雷击设计的首要环节是进行雷电区域的正确划分，从而根据不同的雷电区域采取不同的防护措施。本文主要提供一种全碳纤维复合材料飞机的全机防雷击系统设计，部件级防雷击系统的设计本文不做分析。
1 飞机雷击环境定义
1.1飞机的雷击环境
直接雷击——指开始接触到飞机表面的雷击。
扫掠雷击——指一旦飞机接触到直接雷击后，雷击持续放电的接触点不断出现顺气流方向沿飞机表面跳跃移动。
1.2飞机的雷电效应
雷电直接效应是由雷电电弧的附着及伴随着雷电流的高压冲击波和磁力所造成的燃烧、熔蚀、爆炸和结构畸形。
雷电间接效应是指在电子、电气设备和布线中雷电引起的过电压和过电流造成的设备损坏或干扰。
3 飞机雷电区域划分
3.1区域划分
按照不同的雷电附着特性或传递特性可把飞机表面划分成三个区域：
区域1：初始电击附着其上面（进口或出口）可能性很大的飞机表面。亦称初始附着区域。
区域2：电击放电被气流从区域1的初始附着点吹过来在其上面扫掠的可能性很大的飞机表面，亦称扫掠冲击区域。
区域3：除了区域1和区域2以外的所有飞机表面为区域3。在区域3，放电电弧直接附着的可能性很小，但它可能在某对初始雷电附着点或扫掠冲击附着之间传导很大的雷电流。
按照放电长时间悬停在飞机表面的可能性大小，区域1又进一步分为A区、B区和C区，区域2划分为A区和B区。A区是电弧在它上面长时间悬停可能性较小的区域。B区是电弧在它上面长时间悬停可能性较大的区域。
3.2区域的确定
飞机雷击区域的划分按照SAE ARP5414A-2005进行，采用推荐的或标准的经典规则确定。
3.2.1区域1的确定
首先，要确定可能的初始雷电附着点区域。一般传统布局的飞机，根据飞机的雷击经验，典型的雷电先导初始附着点位置为一些末端，如机头、机翼/尾翼翼尖、推进器和螺旋桨桨叶的末端、发动机舱以及其他明显的突出物。
其次，确定区域1A、1B、1C的位置，根据SAE ARP5414A-2005，在正常情况下，飞机将会往前飞行，当冲击和闪电从前端的附着点开始从头到尾的扫过，开始形成第一个回流冲击。这一时间飞机飞行距离决定了区域1A表面相对于初始附着点的延展部分，这个距离由飞行速度、飞机离地面的海拔高度（对于从云端到地面的冲击）以及先导速度决定。区域1A延展部分的起点应该是飞机初始附着区域的端点。
3.2.2区域2的确定
区域2：
1）从区域1的直接雷击接触点向后有扫掠雷击可能性的表面为区域2，在区域1的前、后边界侧向内大约0.5m范围内的表面；
2）区域1C之后机身表面为区域2A；
3）垂尾、平尾区域1以外的为区域2A；方向舵、升降舵为区域2B。
3.2.3区域1、2的横向扩张位置的确定
对于机翼和尾翼处，确定区域1的办法是确定突出的弧形部分的水平切线，然后沿着切线往里延伸大约0.5m，区域1往里延伸大约0.5m的表面区域应该放在区域2中考虑。
3.2.4区域3的确定
不属于区域1和2的表面，并且不可能有闪电附着的地方划分为区域3。
3.3飞机雷击区域划分示意图
飞机的雷击区域的位置都是由飞机的几何特性和飞机的飞行特性来确定的。飞机雷击区域的最终确定将由飞机雷击附着点试验得到。图1为某型号单发涡桨轻型公务机雷击区域的初步理论划分示意图。
4雷电防护设计
飞机结构的设计应该是在飞机遭遇雷击时能为雷电流提供低阻抗的通路。对于容易受到雷击放电损坏的飞机结构、系统和部件如飞机的机头、翼尖、螺旋桨、发动机、燃油箱、活动翼面、风挡、天线等部件，必须根据其自身重要性以及所在区域的要求采取必要的雷电防护措施，以尽可能避免或减小雷电对飞机及设备自身的损害。
4.1 全碳纤维复合材料机体的雷击防护
资料显示，对复合材料机体进行模拟雷击试验，在没有雷击防护层的情况下，在经受60～100kA峰值电流和1.9C电荷量放电后就产生严重损伤，说明应用复合材料的飞机必须进行雷击防护。
据了解，目前国内外多数复合材料的飞机均使用金属丝网作为雷击防护层，可用标准纺织工艺将金属丝织成布或针织品。全碳纤维复合材料飞机使用铜网作为雷击防护层。根据模拟雷击试验结果，具体防雷击方案为：
1）对机雷击区域1，可用铜丝网做复合材料的表面防护层。铜丝网的网眼数不小于20×40孔/in2，铜丝直径至少为0.14mm；
2）对机雷击区域2，可用铜丝网做复合材料的表面防护层。铜丝网的网眼数不小于20×40孔/in2，铜丝直径至少为0.1mm。
4.1.1位于雷击区域1的全碳纤维复合材料机体的雷击防护
用于雷击区域1的复合材料雷击防护层必须能经受200kA的高电流冲击和500C电荷量的传输。处于雷击区域1的全碳纤维复合材料结构的防雷击设计可在复合材料制件的外表面上铺一层铜丝网，一次固化成制件，或将铜丝网用胶粘剂粘到复合材料制件的外表面上。铜丝网规格为：网孔数不小于20×40孔/ in2，铜丝直径至少为0.14mm。
4.1.2位于雷击区域2的全碳纤维复合材料机体的雷击防护
用于雷击区域2的复合材料雷击防护层必须能经受100kA的高电流冲击和传输200C的电荷量。处于扫掠雷击的复合材料结构雷击防护设计可采用在复合材料制件表面上粘一层铜丝网。铜丝网的规格为：网孔数不小于20×40孔/ in2，铜丝直径至少为0.1mm，若有天线安装的部位，为防止趋肤效应，铜丝直径至少为0.14mm。
4.2全碳纤维复合材料整体油箱的雷击防护
对于复合材料整体油箱，雷电防护设计是复合材料整体油箱设计中的关键技术之一。雷击过程中的高电压、大电流、大电量（持续高电流）对复合材料整体油箱危害极大。因此，在复合材料整体油箱设计之初，就应选择雷电防护系统。
4.2.1全碳纤维复合材料整体油箱防雷击设计的主要原则
1）复合材料整体油箱应布置在飞机遭受雷击概率较小的区域，如雷击区域2或3，尽量布置在3区。对机翼整体油箱来说，应布置在机翼的根部或中部；
2）在复合材料整体油箱的外表面应该为雷击电流构建通道，这些通道应与飞机的雷击电流传输通路有良好的电连接；
3）在油箱区，凡存在燃油、燃油蒸汽和空气混合气体的空间，不得因雷击产生放电火花。
4.2.2全碳纤维复合材料整体油箱外部的雷电防护设计
由于复合材料整体油箱的上、下壁板是飞机机体结构表面的一部分，因此其雷电防护的设计思路及外表面雷电防护方法与复合材料机体的雷电防护相同。
4.2.3全碳纤维复合材料整体油箱内部的雷电防护设计
1）金属紧固件尾部及连接细节雷电防护设计：当结构材料允许雷击电流通过结构骨架传导时，容易在紧固件尾部或紧固件与骨架连接处产生放电火花，为此需用密封胶覆盖、用专用防护帽的方法或其他可靠的方法保证不产生放电火花；
2）复合材料紧固件：在满足强度要求并能提供充足的紧固件品种规格和工艺保证的前提下使用。可避免将雷击电流导入油箱内部，从而避免火花的出现；
3）油箱内的金属构件：复合材料整体油箱内部应尽量避免有金属构件。对于不可避免的金属构件应通过搭接线与飞机金属结构保证良好搭接，并要防止内部导体电晕和流光。
4）油箱内部的部件和结构设计应做到：当雷击电流通过油箱时，不会在油箱内部产生任何可能点燃燃油蒸汽的火花。
4.3设备的雷电防护
对于设备，根据设备所执行的功能，要求设备厂商必须参照符合设备预期用途以及在飞机上安装要求的试验电平和波形对设备进行试验，具体要求根据RTCA /DO 160F 第22章进行。
对于安装在飞机外部的设备，还需要设备厂商进行雷电直接效应试验，用于确定外部安装设备耐受雷击直接效应的能力，施加于外部安装设备的试验类型和严酷等级取决于设备指定的类别。指定的设备试验类别应与设备安装位置所在的雷电放电区域相符合，具体要求根据RTCA /DO 160F 第23章进行。
4.4雷电间接效应防护
飞机内电子电气系统和部件（全机用电设备，包括发动机电气、操纵系统等），可能会因为雷击引起过电压和过电流造成损坏或干扰的，要进行雷电间接效应防护。由于全碳纤维复合材料飞机的屏蔽能力比金属飞机差，所以雷电间接效应的防护更加重要。
雷电间接效应通常以两种形式出现：
1）雷电通过天线、空速管加温线、航行灯导线、金属操纵线系及各种金属管路等，将雷电电流直接引入飞机，可能出现浪涌电压；
2）沿着机体流动的雷电电流在飞机线路中、金属操纵线系、各种金属管路中产生的感应电压和电流。
4.4.1明确设备防护的要求
关于电子电气设备的雷电间接效应防护要求：
1）不得造成物理损坏；
2）不得产生立即危及飞机及其机组人员安全的干扰，或产生严重妨碍飞机任务完成的干扰。
系统和部件的雷电关键类别取决于其自身对飞机的重要性、所在的雷电分区以及雷电的敏感性。根据飞机的机体结构、蒙皮材料、电磁“窗口”大小（如外部非金属区）设备的安装部位、导线的布置、设备接口进行分析，确定瞬态控制等级（TCL）和设备瞬态设计等级（ETDL）。关键设备、分系统根据RTCA /DO 160F 第22章进行试验。RTCA /DO 160F 第22章试验波形等同SAE ARP5412A-2005的相关试验波形。
4.4.2选择设备的最佳安装位置
设计过程中，尽量将电子设备布置在雷电产生的电磁场最弱的区域，采取的主要措施有：
1）电子设备尽量远离门、窗、口盖等开口处。对于安装在驾驶舱、起落架舱、机翼前后缘、尾段等相对敞开区域的设备，采用金属机箱屏蔽，对于含有数字电路和模拟电路的设备如靠近挡风板或窗口的，最好用壁厚大于1mm的铝合金做成电磁屏蔽盒；
2）尽可能将电子设备布置为朝向飞机结构的中心，而不布置在飞机外蒙皮；
3）设备安装的设备架上能为电子设备提供接地面且与飞机接地网有良好的搭接；
4）金属线系和管路应有良好的搭接。
4.4.3选择线路的最佳位置
电线、电缆应进行分类布设。
电缆敷设远离门、窗、口盖等开口处和曲率较小的结构或蒙皮。
线束尽可能靠近接地平面或结构件敷设，可利用成形的结构件作电缆槽，提供屏蔽。
尽可能使导于磁场强度较弱的结构角落，如避开突出的结构件顶部，尽可能敷设在“U”型件的内部。
当有机外未屏蔽或屏蔽效能不高区域的电线和电缆进入机身内部时，将机外所有电缆进行屏蔽保护，屏蔽层接地线应尽量短，并良好搭接，以避免遭受雷击或外部强电磁辐射时电线和电缆上的感应电压和电流损坏电线和电缆以及与电线和电缆连接的机内设备。
不要使燃油传感器导线的走向与通气管、导油管导向走向一致或平行。导线可以贴着蒙皮走，但应避免与雷击电流流向一致。
在非金属机翼蒙皮下的电缆，应根据导线的布设方向，用铝箔材料或良导体金属导线管，保护电缆导线。铝箔材料或金属导线管应和全机的接地网搭接，形成良好的电气通路。
雷电流通过低导电率材料的蒙皮（如钛、碳纤维）区域会产生电磁干扰，应远离这些区域布设电缆。由于空间有限，可采用电气隔离的方法：
1）可采用扭绞线作为电源线；
2）采用屏蔽电缆或屏蔽扭绞线，并将它们的两端均搭接到全机的接地网上；
3）用瞬态抑制器，以保护电网的安全；
4）电气设备和线束的安装应满足要求。
4.4.4选择良好的接地
设备应根据要求选择良好的搭接，并进行搭接电阻的检查。
对全碳纤维复合材料飞机，全机设备进行良好的搭接显得尤为重要，为方便设备的搭接，全机应构建统一的搭接网络。
5结论
雷电对飞机的飞行安全影响较大，全碳纤维材料飞机的雷击防护在飞机的研制过程中是非常重要的，对机体结构采用敷设铜网作为雷击防护层是可行的。
参考文献
[1]RTCA/DO-160F 机载设备环境条件和试验程序.
[2]SAE ARP 5414A-2005 飞机雷电区域划分.
[3]CCAR-23-R3 正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定.
碳纤维复合材料范文3
关键词：汽车轻量化；碳纤维复合材料；高性能纤维
中图分类号：TB33 文献标志码：A
Current Situations of Carbon Fiber Reinforced Composites Used for Lightweighting of Automobile at Home and Abroad
Abstract： To meet the requirements of energy-saving， emission reduction and developing new energy vehicles， lightweighting of automotive materials is one of the most important targets for technological R&D in global auto industry. In this article， recent progress on using carbon fiber reinforced composites for automobile lightweighting has been systematically reviewed based on case study of leading auto manufacturers from home and abroad. Finally， the choke points for the development of automobile lightweihting in China are summarized.
Key words： automobile lightweighting； CFRP； high performance fiber
目前，全球生产石油的70% ～ 80%被用作汽车燃油，减少汽车燃油用量是改善全球气候问题的重要组成部分。世界多个国家和地区已经对汽车二氧化碳排放量进行了严格限制，我国也已颁布《节能与新能源汽车产业发展规划（2012 ― 2020年）》，要求到2020年乘用车平均燃料消耗量降至5.0 L/百公里，节能型乘用车燃料消耗量降至4.5 L/百公里以下。
轻量化技术是汽车降低油耗、减少排放、提高新能源汽车续航里程最有效工程途径之一。采用高性能纤维增强复合材料部分代替传统金属材料是目前汽车实现轻量化最有效的途径。德国宝马率先在i3、i8电动车、7系、5系等量产车中大量使用碳纤维复合材料（CFRP），轻量化效果显著，掀起了一场汽车产业材料革新的浪潮。目前全球几乎所有的汽车企业都制定了CFRP轻量化发展计划。CFRP用于汽车轻量化的优势主要在于：密度小，比强度、比模量高，轻量化效果明显；集成度高，减少零部件数量；可设计、造型自由，实现流线型曲面的成本低；吸收冲击性能是金属的 5倍，提高碰撞过程人员安全性；减震性能好；颠覆汽车生产流程，采用模压和粘结工艺代替冲压和焊接。目前CFRP作为汽车轻量化结构材料替代金属材料，其在性能上完全可以满足要求，关键是批量生产技术和成本。基于最新的行业报告数据及实践调研，本文将对国内外汽车轻量化用CFRP的发展现状进行概述。
1 国外汽车轻量化用碳纤维复合材料发展现状
自1953年世界第 1 台纤维增强复合材料汽车 ――GM Corvette制造成功以后，复合材料正式在汽车工业生产中登上历史舞台。发展至今，CFRP成为目前公认的汽车用复合材料未来发展趋势。欧美日等发达国家汽车生产巨头们一直是汽车轻量化用CFRP的引领者和推动者，下文将针对国外主要汽车生产商在CFRP应用技术方面的进展进行介绍。
德国宝马公司是CFRP在汽车领域应用的先驱，其在2008年宣布把CFRP带入汽车主流材料；2011年，法兰克福车展首次i3电动概念车和i8混动概念跑车；2014年，批量化生产i3和i8系列纯电动车在全球正式上市，为碳纤维产品在通用汽车领域的商业化普及应用迈出了重要的一步。i3和i8创新的车体架构由 2 部分构成：一部分是由铝合金材料制成、驱动车辆的Drive模块，集成了驱动系统、底盘、蓄电池、结构功能组件和防碰撞功能组件，另一部分是由CFRP制成、构成车厢主体的Life模块（图 1）。2015年7月1日，全新第六代BMW 7系汽车在丁格芬工厂正式投产，该车型所有创新都始终贯穿着车辆整体轻量化的概念，是宝马核心产品中第一款实现将工业制造的碳纤维材料、高强度钢材和铝材完美组合应用到车身的车型。这种独树一帜的车身结构被称为“Carbon Core高强度碳纤维内核”，不仅优化了车身重量，增强了车身的强度和抗扭刚度，还具有舒适的驾驶体检。
宝马公司还率先开启了CFRP在汽车领域的全方位应用模式，包括：车身、底盘、车顶、车门、头盖、引擎盖、尾翼、压尾翼、中控台、装饰条、仪表盘、传动轴、特殊动力传动系统、座椅、座椅套垫、前扩散器、尾扰流板、后扩散器、后视镜外壳、悬挂臂、前唇、侧裙、侧格栅、车用箱包、导流罩、A柱、遮阳罩、散热器面罩、侧护板、低位踏板、副保险杠等外部和车身、内饰和外饰配件等系统。宝马公司或将在未来 1 ～ 2 年内为旗下车型配备大量的碳纤维部件，特别是碳纤维轮毂，这将大幅度降低汽车的重量。宝马公司的CFRP轮毂是与i系列汽车同时开发的，包括全碳纤维轮毂和碳纤维轮辋+合金轮辐的轮毂。全碳纤维轮毂的重量比锻造合金轮毂轻35%，而合金+碳纤维轮毂比锻造合金轮毂轻25%，这将显著降低整车的重量，宝马公司有望在 2 年内把这种轮毂推向市场。此外，全碳纤维制造的传动轴还将作为单独配件配备新宝马M3和M4系汽车。宝马还在大力宣扬他们的碳纤维材料二次利用，例如i3和i8汽车的边角料可以用来取代传统铝镁合金材料制作仪表板支撑结构、座架以及备用车轮。
在生产工艺方面，为降低CFRP零部件的生产成本以及提高生产效率，宝马采用针对热固性CFRP快速制造开发了高压树脂转移模塑（HP-RTM）工艺（图 2）。该工艺首先将碳纤维织物进行初步的预成型，然后将碳纤维预制件放入到模具当中，在高压状态下将环氧树脂注入模具当中，通过精准的温度、压力和时间控制，使碳纤维和环氧树脂结合，并进行固化，最终形成具备优秀刚性的碳纤维板材。这个加工过程可以全程自动化进行，而高压、高温的处理过程仅需大约 5 min，传统制造工艺则往往需要几个小时。车身的组装工艺采取模块化连接，碳纤维部件的结合像堆砌模型一样采用胶水连接（图 3）。为了缩短固化时间，宝马专门研发了特种粘合剂，在涂敷到车身部件之后仅90 s就可以接受加工，然后产生粘性，在经过1.5 h后就已经固化。这使得车身组件具有完全的刚性，制造速度比普通工艺提升10倍。整个过程全部为自动化操作，包括粘合剂的涂抹、部件的对接等，除了节约人力之外，也减少了粘合剂中的化学成分对工人健康的危害。
纵观宝马几款碳纤维车身的生产过程，有几个明显的特点可谓贯穿始终。首先是颠覆传统汽车生产流程，如果说福特创建流水线生产是汽车行业的第一次革命，那么“碳纤维+新能源”可能是第二次汽车革命，碳纤维生产的车身不需要传统的冲压、焊接、涂装，变成了模压成型、粘结、涂装或塑料外壳；其次是高度的机械化，在整个生产过程当中，机器人的大量使用已经让生产过程基本实现自动化，人工操作仅局限在最低程度，不仅明显提高生产效率，减小制造误差，人力成本也得以大幅降低；最后是环保与可持续发展的理念，宝马大量使用可回收材料制造汽车部件，同时全面采用水电和风电等可再生能源。
除了宝马，丰田、大众、奔驰、现代等多家汽车制造商也都在开发汽车轻量化用CFRP，并应用于车身、轮毂、座椅、氢气瓶、前舱盖、底盘结构件、传动轴等部件。美国Morison公司为Dcna公司生产的CFRP汽车传动轴（图 4（左）），供通用汽车公司载重汽车用。福特1999 ― 2004野马载重车汽车也采用了CFRP传动轴（图 4（右））。采用CFRP可使原来 2 件简化合并成 1个传动轴，且与钢材料相比，可减重60% ～ 70%。英国GKN技术公司也开发了CFRP传动轴，重量减轻50% ～60%，抗扭性比钢大10倍，弯曲刚度大15倍。
2008年，日本Weds Sports公司在推出的概念车上第一次使用了碳纤维轮毂，但当时还是停留在概念阶段。2009年，澳大利亚Carbon Revolution公司开发出了CR9“一体式”全CFRP轮毂，相比铝合金轮毂，其重量减轻了40% ～ 50%，并且首次应用在Shelby Ultimate Aero跑车上。2012年该公司生产的CFRP轮毂成功地在保时捷911上使用。目前Carbon Revolution公司在筹备为兰博基尼、奥迪R8推出碳纤维轮毂。2015年初，美国福特了全新一代野马Shelby GT350R汽车，其采用的碳纤维轮毂再一次引起了关注。以福特Shelby GT350R Mustang所装备的碳纤维轮圈为例，将原本每个轮毂重14.98 kg的铝合金材质换为8.17 kg的碳纤维轮圈后，全车减重27.24 kg，这将显著地改善车辆的操控性能。另外，由于轮圈减重45%，轮圈+轮胎的转动角动量能约降低40%，也改善了加速和刹车的效能。
2011年4月，比利时Solvay公司开发了一种全新轻巧的CFRP Polimotor四缸发动机缸体（图 5）。被浇注的复合材料缸体是最终净形状，消除了二次加工的麻烦，且振动噪声显着减少，耐腐蚀。此外，和压铸工艺相比，模具工具成本减少50%。CFRP缸体比合金缸体重量轻20磅。第二代Polimotor全碳纤维发动机缸体项目在2015年有了新的进展，预计该发动机将于2016年预先应用于赛车、OEM汽车和卡车。该项目有望推动未来汽车领域的重大革新，使碳纤维发动机缸体有可能广泛地应用于商用车。
日产汽车株式会社旗下的2014款GT-R跑车采用了三菱丽阳生产的碳纤维后备箱车盖，该量产化车盖以碳纤维和固化时间为 2 ～ 5 min的热固性环氧树脂为原料，利用三菱丽阳开发的预浸料模压成型工艺生产。三菱丽阳称该工艺将单个部件的生产时间缩短了10 min，更适合汽车部件的规模化量产，而且模压成型的部件表面平滑，易于涂漆装饰。
日本东丽与丰田合作开发的碳纤维增强热塑性聚合物复合材料，可用作制造燃料电池反应堆框架（图6），目前已应用于丰田燃料电池汽车Mirai中，这是世界上第一次将热塑性碳纤维复合材料用于量产汽车结构部件。碳纤维增强热塑性聚合物具有成型时间短的优点，与热固性聚合物相比，生产效率更高，更适合大规模生产。
2015年东京车展上，雅马哈展出了仅重750 kg的全新概念跑车SportsRideConcept（图 7），该车身长3 900 mm，宽1 720 mm，高1 170 mm，超轻的车身得益于其iStream CFRP底盘。iStream碳纤维底盘由英国Gordon Murray Design公司开发，历经 2 年时间，材质由最初的玻璃纤维转变为碳纤维。iSteam采用了创新的“三明治”结构，蜂窝状的内核被 2 片碳纤维板夹在中间。相比超跑所采用的碳纤维单体壳结构，iStream碳纤维底盘的生产周期更短，生产过程可实现全自动化，周转时间仅为100 s，年产量可达1 000 ～ 350 000件。iStream碳纤维底盘同样具有轻量化、高刚性的特点，相比宝马7系仅关键部件为碳纤维材质，iStream碳纤维底盘的减重效果更加明显。这项技术的出现，或将成为入门级跑车爱好者的福音。
韩国现代最新推出的Intrado燃料电池概念车同样秉承了轻量化的设计理念，该车全车架、引擎盖以及侧板均采用CFRP制造，质量比传统钢板制造的汽车轻60%，大大提高了燃油效率，一次补充燃料可行驶644 km，百公里加速时间低于12 s。
2 国内汽车轻量化用碳纤维复合材料发展现状
得益于国家“十五”和“十一五”863计划碳纤维专项支持，我国碳纤维的产业化取得重大进展，通用型高强T300级碳纤维实现了产业化，T700级碳纤维实现了工程化，T800级碳纤维突破了关键技术，开始批量生产，高模型（M40）碳纤维也实现了关键制备技术的突破。国内相关碳纤维生产企业的大规模建设为汽车用CFRP的国产化和低成本化奠定了坚实的基础，一大批企业开展了碳纤维在汽车轻量化方面的应用研究。
江苏奥新新能源汽车有限公司于2015年1月成功研发了我国首辆碳纤维新能源汽车（图 8），并于2016年3月获得中国汽车生产许可证。奥新e25紧凑型A级车，具有核心技术自主知识产权，采用CFRP车身（图 9），轻量化效果明显：百公里耗能低于10 kW・h，续航能力强，充一次电最长可行驶440 km，0 ～ 50 km/h加速仅需4.7 s。目前奥新建立了完整的CFRP车身及其零部件结构设计、制造与评价体系，创造了第一个 2 万辆碳纤维纯电动汽车制造工厂、第一条电动汽车铝合金底盘机器人焊接线、第一条高温高压真空辅助碳纤维成型生产线 3 项中国第一。奥新正与东华大学等国内高校紧密合作，进一步优化零部件结构以及提高制造效率，研发自动化量产技术与装备。
北京汽车在推动汽车轻量化用CFRP方面，成功研发了用于碳纤维发动机盖覆盖件及车身功能件的一系列CFRP部件。在2016年其新型SUV车型上，将会搭载碳纤维发动机罩盖（图 10），相比钢质前机舱盖可减重17 kg（50%）。BJ40车型使用了玻纤、碳纤混杂复合材料车顶盖，较钢制顶盖减重48%。绅宝D60则采用了CFRP前格栅和尾翼，彰显运动和时尚特性。
奇瑞汽车开发了一款CFRP电动汽车（图11），该电动车是奇瑞首款采用PHEV（插电进行充电的混合动力汽车）的车型。其优势在于采用CFRP部件后的车身仅重218 kg，相比金属车身418 kg，车身减重48%。另外，CFRP部件的应用也显著提高了汽车的抗冲撞性能和操控性。奇瑞汽车目前正努力解决该车型实现低成本、批量化生产所面临着的诸多技术难题。
北京长城华冠汽车技术开发有限公司开发了一款名为前途（EVENT）的纯电动跑车概念车。该电动跑车以节能、环保为设计出发点，产品集成了众多汽车行业的前沿科技。长城华冠EVENT车体内外覆盖件整体采用CFRP，在大幅度减轻车体重量的同时，产品的力学及安全性能也优于传统金属钣金部件。该款车型目前已经在苏州建设生产车间，预计2017年开始生产。
上海汽车公司自2008年起，先后承担了多项部级、上海市和地方的汽车轻量化项目，包括上海市科委科技创新计划项目“新能源汽车CFRP典型部件的开发与应用”、上海市科委重点攻关项目“新能源汽车轻量化技术开发”、上汽 ― 科委专项创新项目“轻量化技术在荣威E50纯电动轿车上的应用研究”，为汽车轻量化技术方面的研究与开发积累了良好的基础。
长安汽车开展了大量CFRP在汽车轻量化应用的探索工作，研发了准备在量产车应用的碳纤维传动轴和后举门。中国第一汽车集团公司开展了复合材料板簧、传动轴和CFRP前后盖的研究。复合材料传动轴采用碳纤维增强环氧树脂预浸料，经由卷搓/热压罐成型工艺制造，相比传统金属传动轴，碳纤维传动轴可减重40%，采用CFRP还可使原来由 2 件合并成 1 个单件传动轴。CFRP前后盖，采用T300碳纤维和环氧树脂，经由RTM工艺制造，相比金属材料可减重64%。
3 结语
碳纤维复合材料范文4
关键词：碳纤维复合材料；高质量；制孔工艺；飞机装配钣金；相关问题
碳纤维复合材料具有良好的强度，其硬度也相对较大，并且在使用的过程中，具有良好的抗腐蚀和抗疲劳等性能。碳纤维复合材料也正是凭借这样的性能和优势，在我国航空行业中，得到了广泛应用。碳纤维复合材料在飞机装配中的用量，和使用的位置，可以在最大程度上保证飞机内部结构的平衡性，也是我国航空行业不断发展的重要方向。目前，在我国航空行业不断的发展过程中，对碳纤维复合材料的程度也在不断的增加。就以波音787为例，碳纤维复合材料在整体结构占有50%的比例，在最大程度上提升了整体结构的质量，提升了整体结构的强度和安全、稳定、可靠等性能。总的来说，碳纤维复合材料在我国飞机制造的过程中，被广泛的使用和重视，从而促进了我国航空行业的快速发展，那么如何对碳纤维复合材料进行有效的利用，也是文章主要阐述和分析的内容。
1 碳纤维复合材料高质量制孔工艺过程中存在的不足
其实，在碳纤维复合材料高质量制孔加工的过程中，由于其硬度相对较高，导热能力也相对较差，这样对高质量制孔工艺也带来了相对较大的难度。这样在碳纤维复合材料高质量制孔工艺的过程中，就会产生相应的问题，其主要表现在以下几个方面：
1.1 孔出口高质量制孔存在的不足
在碳纤维复合材料高质量制孔工艺的过程各种，孔出口是其中非常常见的问题之一，主要表现为撕裂和起毛等两种形式。从撕裂的角度进行分析，照比起毛的尺寸比例相对较大一些，例如：因此孔出口的不足主要是以撕裂位置。同时，孔出口是撕裂和起到等现象，一般都发生在最表层面，并且该现象逐渐向外延伸，一直延伸到纤维层，这也是碳纤维复合材料高质量制孔工艺中最为常见的一种问题，并且这种问题在发生和处理的过程中，相对较为直观，其问题产生的大小，也是碳纤维复合材料高质量制孔重要的决定因素。
1.2 分层存在的不足
分层是指层与层之间应力形式，和制造过层中所引起的不足，从而引起碳纤维复合材层之间形成风力的状态。在碳纤维复合材料高质量制孔工艺的过程中，材料层分离也是碳纤维复合材料高质量制孔工艺中的最主要的不足，也是困扰飞机装配钣金实际生产的效果和进程。其造成这样现象的主要的原有就是钻削力和钻削热，这样往往是导致分离的重要因素。
2 加强碳纤维复合材料高质量制孔工艺的几点措施
2.1 对钻头材料的选择
在碳纤维复合材料高质量制孔工艺的过程中，应当利用不同的钻头材料，一般情况下，其厚度为5mm，其含胶量为40%，进行碳纤维复合材料高质量制孔工艺中的钻孔工作。并且，在钻出面加上相应的塑料垫片，其钻头的直径一般为5mm，其后角为13°速度达到n=1400r/min。通过对钻头材料的分析和了解，这样才能在最大过程中，对碳纤维复合材料高质量制孔工艺的过程中，提供了重要的保障。另外，在碳纤维复合材料高质量制孔工艺的过程中，应当对钻头的使用情况，进行全面的了解和观察，避免对碳纤维复合材料层之间，造成较大程度上的摩擦。一般情况下，碳纤维复合材料层可以到达3.5mm，再利用硬度相对较强的钻头，这样可以在最大程度上避免摩擦的程度，从而在最大程度上提升制孔工艺的质量。
2.2 提升钻头的运行速度
在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中，对其钻头的速度也应当给予高度的重视。可以选用硬度相对较强的合金钻头，一般情况下，其厚度为5mm，其含胶量为40%，对碳纤维复合材料进行全面钻孔工作，并且相应的加强塑料垫片，其钻头的直径一般为5mm，顶角大约为118°。在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中，可以利用小组的形式，进行全面的制孔工作，每组大约为10个孔，这样在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中，不仅仅有效的提升了其质量，避免了分层等现象的发生，也相应在最大程度上降低了钻头摩擦的程度，为飞机装配半径的制造过程中，提供了相对便利的条件。
2.3 提升复合制孔的形式
在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中，可以利用的刀具的形式，其形式大致可以分为两种形式。并且，刀具孔径的不同，所使用的刀具也是不同的，可以从以下的几个形式，进行全面的分析：
（1）在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中能够，可以利用刀具点前端的形式，对钻头的形式，进行全面的加工，并且要在最大程度上大于刀具后端的砂轮直径底孔，这样在运行的过程中，就会产生相应的问题。因此，在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中，应当对底孔的直径进行全面的处理，并且在零件运行的过程中，应当做出及时反映，根据运行过程中状态，对刀具后端的砂轮径向，进行全面的调整，也只有这样才能在最大程度上提升碳纤维复合材料高质量制孔的质量。
（2）在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中，可以利用磨削加工的形式，最终完成碳纤维复合材料高质量制孔的工作，这样可以在最大程度上避免传统的制孔工艺，所带来的缺陷。因此，在碳纤维复合材料高质量制孔的过程中，应当对新型的碳纤维复合材料高质量制孔工艺形式，进行全面的分析和了解，并且进行有效的应用。另外，在碳纤维复合材料高质量制孔加工以后，应当进行全面的光学对比，大孔的直径一般要大于和等于6mm，并且进行全面的分析和了解。也只有这样才能在最大程度上提升了碳纤维复合材料高质量制孔的质量，为我国的航空韩行业的发展，提供了相对便利的条件。
3 结束语
综上所述，文章对碳纤维复合材料高质量制孔过程中，存在不足和质量，进行了简要的分析和阐述，并且根据这些问题，提出了一些可参考性的建议。只有对碳纤维复合材料高质量制孔工艺的形式，进行全面的了解和分析，才能在最大程度上保证了制孔的质量，逐渐成为我国航空行业的重点的发展方向，促进了该行业的高速发展。
参考文献
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[5]陈燕，葛恩德，傅玉灿，等.碳纤维增强树脂基复合材料制孔技术研究现状与展望[J].复合材料学报，2015，2：301-316.
碳纤维复合材料范文5
关键词： 碳纤维碳纤维混凝土性能作用应用研究
一、前言
混凝土是目前使用最广的一种建筑材料，由于其在各方面的优良性能， 自它诞生之日起就一直受到人们的关注。近两年， 国家采取扩大内需保增长政策， 全国各地都加大了基础设施建设力度， 每年混凝土用量数十亿立方米， 规模之大， 耗资之巨， 居世界之首。 随着现代材料科学的不断进步， 混凝土已逐渐向高强、 高性能、 多功能和智能化方向发展， 用它建造的混凝土结构也趋于大型化和复杂化。 然而混凝土材料的固有缺陷是脆性大，在使用过程和周围环境的影响下不可避免地会产生微开裂和局部损伤，而且混凝土的损伤通常是逐渐积累发展的， 从而会导致混凝土结构的最终破坏。 为了改善混凝土抗拉性能差、 延性差等缺点， 可以通过在原材料中掺加各种纤维的办法来配制纤维混凝土。目前， 在工程中应用最广的纤维混凝土主要有4种， 分别是钢纤维混凝(SFRC)、 玻璃纤维混凝土(GFRC)、 碳纤维混凝土(CFRC)以及合成纤维混凝土( SNFRC)。在原材料中掺加碳纤维即
为碳纤维混凝土， 又称为碳纤维增强混凝土， 它是一种智能型材料。本文论述了碳纤维的性能、碳纤维在混凝土中的作用以及碳纤维混凝土的应用研究。
二、碳纤维的性能
碳纤维是一种含碳量在 90％以上的高强度、 高模量、 耐高温纤维， 它重量轻 （密度约 1.8kg/m3）、 强度高、 尺寸稳定、 抗疲劳阻尼特性好、 耐高温、 耐酸碱腐蚀、 有导电性、 抗蠕变、 可传热、 热膨胀系数小，既可作为结构材料承担荷载，又可作为功能材料发挥作用。 它强度比钢的大、 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。碳纤维能显著提高混凝土的 （抗拉、压、弯） 强度， 韧性、 延性、 抗冲击疲劳性能和变形模量。
由于碳的单质在高温下不能熔化(在 3000℃以上升华)， 而且在各种溶剂中均不溶解， 所以，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)作原料，将有机纤维与塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中， 在一定压强下强热碳化而成。 现在市场上生产销售的碳纤维绝大部分是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。 碳纤维有极好的纤度， 纤度的表示方法之一是 9000m长的纤维的克数， 一般仅约为 19 g;碳纤维的拉力高达 300 kg/mm2， 同时还具有耐高温、 耐腐蚀、 导电、 传热、膨胀系数小等一系列的优异性能。目前几乎没有其他材料能像碳纤
维一样具有如此多的优异性能。
三、碳纤维在混凝土中的加固作用
1高抗拉强高弹性模量
碳纤维是一种柔性材料，可任意剪裁，设计自由度大，经粘贴后其抗拉强度超过普通钢板的10倍，弹性模量和钢材相近，而其重量约为3mm厚钢板的1/100。因此，在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到加固修补的目的。
2施工方便，工作效率高
无需大型施工机具和辅助机械、模板，施工占用场地少，无湿作业，能适应各种结构外形的补强而不改变构件外形尺寸，操作简单，施工速度快。据有关资料统计，粘贴碳纤维的加固工效是粘贴钢板加固工效的4～8倍。
3耐腐蚀及耐久性能好
碳纤维材料化学性质稳定，不与酸、碱、盐等化学物质发生反应，且还可以防水，可长期经受核辐射和紫外线照射，在-52～82℃温度环境条件下使用，强度不降低；并易与外加防火涂层后有效地防火，可大大增强结构对恶劣外部环境的适应能力，如可免去了粘钢加固所需的定期防锈维护，节省维护费用，延长结构寿命。
4不增加结构自重
碳纤维材料重量轻（仅为200～300g/m2），厚度小，经加固修补后的构件，不会增加结构体积，基本上也不增加原结构的自重及尺寸。
5不影响结构外观
碳纤维片的厚度很薄粘贴固化后表面做高性能砂浆，不仅增加了混凝土保护层厚度，对防止混凝土盐害侵蚀有较大作用，同时，不影响结构的外观。
6能有效地封闭混凝土的裂缝
碳纤维片粘贴在混凝土的表面，不仅封闭了混凝土的裂缝，碳纤维片高强模量的特性还约束了混凝土结构裂缝的生成与扩展，改变了裂缝的形态，使宽而深的裂缝变成分散的细微裂缝，从而提高了混凝土的整体刚度。
7适用范围广
可用于不同结构类型(如建筑物、构筑物、桥梁、隧道、涵洞等)、不同结构形状(如矩形、圆形、曲面结构等)、不同材料的构件如混凝土结构、木结构、钢结构等)加固，也可用于构件的不同部位(如梁、板、柱、节点、拱、壳、墩等)及不同薄弱因素的加固。除此之外，碳纤维材料还有其他的一些优势，如透电磁波、绝缘、隔热等。
四、碳纤维混凝土的应用研究
碳纤维智能混凝土在今后将得到更加广泛的应用，但就目前来讲， 碳纤维混凝土的广泛应用还受到很多限制。因此， 加强碳纤维混凝土的应用研究，对其应用过程中存在和出现的各种问题进行研究并找出合理解决方案， 将是碳纤维混凝土研究的一个重要方向， 主要有：（1） 改善搅拌工艺， 提高碳纤维在混凝土基体内的分散均匀性。 美国在 20世纪 70 年代就开始研究用于自动撕开缠裹成团的钢纤维，并以均匀而又可以调节的速度将纤维送进混凝土搅拌装置。国内也做过大量这方面的试验研究，探索如何提高碳纤维在混凝土中的分
散性， 并从原材料选择、 配合比设计、 拌合和浇注等方面着手提高纤维混凝土各项性能。（2） 改善碳纤维和基体材料的性能， 研究碳纤维与基体界面性能， 从而得到性能更好的纤维混凝土材料。（3） 高掺量碳纤维混凝土的研究， 在满足施工和易性和保证强度的前提下， 通过使用外加剂和掺和料以获得韧性明显提高的碳纤维混凝土材料。（4）充分利用碳纤维混凝土的智能特性， 开发更实用的智能混凝土。（5）完善碳纤维生产工艺， 降低碳纤维价格， 从而降低建设成本。
五、结语
综上所述，工民建混凝土结构构件出现裂缝，是目前建筑工程施工中较为普遍的现象，而裂缝的存在直接影响了工民建筑的正常施工和使用，而将碳纤维布加固混凝土结构应用于工民建筑中，由于其具有施工简便、耐久性好、抗腐蚀、不增加结构自重、原结构的影响较小、能有效封闭混凝土裂缝等优点，可有效提高工民建混凝土结构的承载能力和抗疲劳性能，增强结构的抗震能力，综合加固效果显著。且随着碳纤维材料成本的降低及国内外研究的不断深入，该项技术在工民建混凝土结构加固领域中的应用会越来越广泛，具有广阔的发展前景。
碳纤维复合材料范文6
纤维增强复合材料是指将高强度、高模量纤维与基体通过浸渍或黏结等加工成型方法制成的复合物。传统纤维如碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维等的重要用途之一是作为复合材料的增强相［1］，纤维增强复合材料具有单一组分无法比拟的优异结构特性，如高强高模、重量轻等。纳米纤维的表面性能优于普通纤维，因此纳米纤维增强复合材料的结构特性更加让人期待。同时，纳米纤维增强复合材料具有普通纤维增强复合材料所没有的性质，如某些纤维和基体之间的折射率存在差异，相应的复合材料无法透光，但采用纤维直径小于可见光波长的纳米纤维就可以克服这一缺陷［2］。20世纪90年代后期，科研工作者对纳米纤维的研究达到了顶峰，开发了一系列制备纳米纤维的方法，如:拉伸法、模板合成法、相分离法、自组装法及静电纺丝法等［3］。纳米纤维复合材料则于1999年由Kim和Reneker首次制得，近10多年来得到了飞速发展。新型纳米纤维，如纤维素纳米纤维、静电纺聚合物纳米纤维、碳纳米纤维等的涌现，为纳米纤维增强复合材料提供了新的研究方向。目前纳米纤维增强复合材料的研究内容主要集中在天然植物纳米纤维复合材料、合成高聚物纳米纤维复合材料、无机纳米纤维复合材料等方面。
1天然植物纳米纤维复合材料
植物的主要结构成分是纤维素。纤维素纳米纤维来源广泛，亚麻韧皮纤维、大麻纤维、牛皮纸浆等通过化学手段及新型机械手段处理，均可得到纤维素纳米纤维［4］。Ayse等［5］采用化学处理和机械处理相结合的方式，从麦秸和大豆壳中分离得到纤维素纳米纤维，麦秸纳米纤维直径为10～80nm，大豆壳纳米纤维直径为20～120nm。Kaushik等［6］将麦秸经过高速搅拌，制得了直径为10～50nm的麦秸纳米纤维。纤维素纳米纤维具有高强、高模、可生物降解等优点，在纳米纤维复合材料中具有极高的应用价值。目前国内外研究者已成功制备了多种纤维素纳米纤维复合材料，并对其性能进行了研究。
1．1天然植物纳米纤维增强一般聚合物基复合材料Seydibeyogˇlu等［7］采用一种新工艺“高压均质器”对阔叶材纤维素纤维作原纤化处理，制备得到纤维素纳米纤维/聚氨酯复合材料。试验发现，添加16．5%的纤维素纳米纤维，可使材料的强度增加500%，硬度增加3000%。Cherian等［8］进而发现，采用高压原纤分离和化学提纯方法得到的纤维素纳米纤维的产率、长径比远远高于其他传统方法;将制得的纳米纤维用于增强聚氨酯，仅添加5%的纤维素纳米纤维，可使材料的强度增加近300%，硬度增加2600%，纤维素纳米纤维对聚氨酯起到了很好的增强效果，有望用于多种医学植入材料。Tang等［9-10］制备了静电纺纤维素纳米纤维毡/聚乙烯醇(CNM/PVA)、醋酸纤维素纳米纤维/聚乙烯醇(CANM/PVA)两种纳米纤维复合材料薄膜，结果表明:当CNM含量为40%时，复合材料的综合性能较好;CNM表现出比CANM更好的增强效果;在CNM1(直径520nm)、CNM2(直径250nm)、CANM三种增强材料中，CNM2凭借其尺寸小、与PVA润湿性好的优势成为最佳增强纤维。
1．2天然植物纳米纤维增强可降解聚合物基复合材料近年来，继全球资源短缺问题提出后，可再生资源受到人们的日益关注，可生物降解复合材料作为绿色材料也成为研究热点。绿色复合材料是将天然纤维分散于可生物降解的基体材料，如:热塑性淀粉、PLA、PCL、聚醋酸乙烯酯(PVAc)等，用以改善复合材料的力学、光学等性能。Ayse等［11］制备了麦秸纳米纤维/热塑性淀粉生物复合材料，添加10%麦秸纳米纤维可使材料的拉伸模量从111MPa增加到271MPa，储能模量从112MPa增加到308MPa。Chen等［12］制备了纤维素纳米纤维毡/分离大豆蛋白(CNM/SPI)纳米复合材料，添加20%CNM后，材料的强度和初始模量分别增加了13倍和6倍，膨胀比减小到22%，膨胀比减小可扩大其在水下环境的应用。Ma等［13］采用羟基功能化离子液体1-(2-羟基)-3甲基咪唑氯化物(［HeMIM］Cl)作为溶剂，制备了纳晶纤维素(NCC)/纤维素绿色复合材料，随着纳晶纤维素含量的增加，绿色复合材料呈现出良好的光学透明度、热学性能、力学性能，但分解温度、断裂伸长率明显减小，这一方法为制备可生物降解的绿色全纤维素提供了参考。Mehdi等［14］采用两步法制得CNF/PLA纳米复合材料，随着CNF含量增加，CNF/PLA纳米复合材料的强度、模量增大。Kowalczyk等［15］发现，由于纳米纤维尺寸小，与PLA之间的界面面积增加，因此与纯PLA、普通纤维素纤维增强PLA复合材料相比，纤维素纳米纤维增强PLA复合材料表现出很高的储能模量。Lee等［16］制得了CNF/PCL/MAPP纳米复合材料，结果表明:添加5%MAPP的CNF/PCL/MAPP复合材料表面十分光滑;与纯PCL相比，10%CNF/PCL的弹性模量增加了3倍;与CNF/PCL相比，CNF/PCL/MAPP的拉伸强度、弹性模量较大。Guan等［17］也发现，CNF可改善CNF/PVAc复合材料的拉伸性能，增加材料的抗蠕变性。
2聚合物纳米纤维复合材料
自1980年以来，纳米技术的兴起再次引起了人们对静电纺丝的关注。静电纺丝可制备直径小至微米、纳米的聚合物超细纤维，国内外许多研究者采用静电纺得到的聚合物纳米纤维作为增强材料，试图改善基体材料的力学性能。Kim等［18］采用静电纺聚苯并咪唑(PBI)纳米纤维作为增强体，环氧树脂或丁苯橡胶(SBR)作为基体，制备了纳米纤维增强复合材料。与纯环氧树脂相比，PBI纳米纤维增强环氧树脂复合材料的初始模量、断裂韧性、断裂功均有所增加;纤维增强SBR复合材料的初始模量是纯SBR的10倍，撕裂强度是SBR的2倍。Bergshoef等［2］制备了静电纺尼龙-4，6纳米纤维毡/环氧树脂纳米复合材料，其硬度和强度较环氧树脂都显著增大。Lin等［19］制备了静电纺PAN-PMMA(芯—壳)纳米纤维增强Bis-GMA牙科材料，发现添加7．5%PAN-PMMA纳米纤维的复合材料的弯曲强度、弯曲模量、断裂功分别增加了18．7%、14．1%、64．8%。Sun等［20］也发现，与纯Bis-GMA/TEGDMA相比，添加1．2%的后拉伸PAN-PMMA纳米纤维，复合材料的弯曲强度、弯曲模量、断裂功分别增加了51．6%、64．3%、152．0%。有些研究者在静电纺装置上加以改进，采用特殊工艺制备得到聚合物纳米纤维复合材料。陈卢松等［21-23］以具有较高力学性能和熔点的聚合物材料PC为芯质，以透光聚合物PMMA为壳层材料，经同轴共纺制得复合纳米纤维膜，然后将多层这种纤维膜置于模具中加温加压，使壳层的透光材料熔融而芯层的增强材料保持原有的纤维结构，进而制得一种纳米纤维增强透光复合材料;在同轴共纺PMMA-PC(壳—芯)复合纳米纤维的壳层添加纳米TiO2粒子后，明显提高了复合材料的紫外光屏蔽性能，但是透光率有所下降。
3无机纳米纤维复合材料
目前，国内外对无机纳米纤维复合材料的研究集中于碳纳米纤维复合材料，也有少量研究者对硅酸盐、水镁石、Al2O3、TiO2、SiC等纳米纤维复合材料进行了初步探索。
3．1碳纳米纤维复合材料碳纳米纤维(CNF)具有优异的力学性能(直径150nm的CNF拉伸强度为2．20GPa，模量为100～300GPa)、电学性能(石墨化CNF电导率为1×106s/m)［24］，可广泛用作聚合物基、金属基、陶瓷基复合材料的纳米增强材料。许多研究者对碳纳米纤维的性质、表面改性及其复合材料的性能进行了深入研究。
3．1．1碳纳米纤维在基体中的分散性碳纳米纤维由于其巨大的比表面积效应而产生强烈的自聚能力，故难以在基体中均匀分散。通过物理或化学手段对碳纳米纤维作一定处理，可改善碳纳米纤维的分散性，提高其与基体之间的界面黏结力，从而使碳纳米纤维起到更好的承载作用，提高复合材料的力学性能。Rasheed等［25］的研究结果表明，经氧化处理后的碳纳米纤维表现出更好的热学性质。Evora等［26］发现在电子束照射下，碳纳米纤维被氧化，与甲醇水溶液混合时，氧化纳米纤维表现出更好的分散性。Jimenez等［27］发现，CNFs/PMMA、CNFs/TPU两种复合材料中，氧化碳纳米纤维(ox-CNFs)的分散性与未经处理的CNFs相比有所改善，相应复合材料的热氧化稳定性、储能模量、玻璃化温度都有所提高，但电导率减小。梅启林等［28］发现经过酸化处理后，碳纳米纤维的表面形态得到明显改观，并引入了一定数量的—COH和—COOH等官能团。He等［29］发现，等离子表面处理增强了碳纳米纤维在聚合物中的分散性;纳米复合材料的力学性能受CNF超声分散时间的影响，过长时间的超声处理会破坏CNF的表面。Bal［30］则在室温、冷冻两种试验环境下，制备了碳纳米纤维增强环氧树脂复合材料，结果表明:冷冻条件下碳纳米纤维的团聚受到抑制，材料的弯曲模量和硬度明显提高。
3．1．2碳纳米纤维增强复合材料的性能
3．1．2．1碳纳米纤维对复合材料力学及热学性能的作用改善纤维复合材料的力学和热学性能是选择碳纳米纤维作为增强纤维的主要目的，因此这方面的研究在碳纳米纤维复合材料中占主导地位。Lozano等［31］采用传统的Banbury塑料成型方法制得了碳纳米纤维/聚丙烯(CNF/PP)复合材料，添加CNF后，材料的抗热降解性、热稳定性提高，储能模量增加了350%。Kumar等［32］制得了碳纳米纤维/聚醚酰亚胺(CNF/PEI)复合材料，添加CNF使得材料的热导率、储能模量、玻璃化温度提高。Dimchev等［33］研究了CNF对中空粒子填充复合材料拉伸、压缩性能的影响，添加0．25%的CNF可使材料的拉伸模量、强度提高，而压缩强度基本不变，压缩模量减小。安玉良等［34］的研究表明，当加入0．4%螺旋纳米碳纤维时，螺旋纳米碳纤维/聚乙烯醇复合材料的抗拉强度从18．50MPa增加到24．33MPa，拉伸性能提高32%。Joshi等［35］首次制备了碳纳米纤维增强的碳/酚醛树脂三相复合材料，并发现碳纳米纤维的加入提高了材料的力学性能及热稳定性。
3．1．2．2碳纳米纤维对复合材料其他性能的作用许海燕等［36］发现在保持聚氨酯本体性能的同时，碳纳米材料优异的血液相容性和力学特性可以改善聚氨酯材料表面的血液相容性。Jang等［37］制备了碳纳米纤维/天然石墨(CNF/NG)复合材料，以期改善NG作为锂电池正极材料的大电流放电能力。
3．1．3气相生长碳纳米纤维(VGCNF)复合材料的性能气相生长法制备的碳纳米纤维(VaporGrownCarbonNanofibers，VGCNF)凭借其优异的机械、物理性能受到关注，许多研究者对VGCNF的结构及其增强复合材料进行了研究。Benítez等［38］发现添加15%VGCNF后，高密度聚乙烯(HDPE)复合材料暴露于微波辐射中的破坏应变可减小50%，以此探索了使用微波能辅助合成VGCNF/HDPE复合材料的可能性。Jiang等［39］发现，VGCNF的加入使天然橡胶(NR)复合材料的初始模量提高了26．5%，并分析了VGCNF的增强机理。Choi等［40］发现添加VGCNF后，环氧树脂复合材料的储能模量、玻璃化温度提高，电阻系数减小;低黏环氧树脂复合材料的机械、电学、热学性能均高于相应的高黏环氧树脂复合材料。Rana等［41］则对VGCNF/碳/环氧树脂三相复合材料的性能进行了研究，试验发现仅添加0．5%VGCNF，碳/环氧树脂复合材料的初始模量、拉伸强度分别提高了37%、38%，压缩模量及强度分别提高了50%、18%。Zhang等［42］发现，VGCNF和CB协同增强聚苯乙烯(PS)材料时，可以极大改善其导电性能;与仅用CB填充相比，VGCNF和CB共同填充的PS复合材料具有更好、更稳定的气敏性，有望用于制备有机蒸汽检测传感器。
3．2硅酸盐纳米纤维复合材料针状硅酸盐(FS)是一种天然镁铝硅酸盐矿物，内部由许多纳米短纤维构成，其单晶长度为100～3000nm，直径为10～30nm。Tian等［43-47］率先注意到FS可离解为纳米纤维这一特性，制备了FS/NR、FS/SBR、FS/NBR(丁腈橡胶)、FS/EPDM(三元乙丙橡胶)、FS/CNBR(羧基丁腈橡胶)、FS/HNBR(氢化丁腈橡胶)等一系列性能优良的复合材料，并对其性能进行了系统研究。结果表明，采用硅烷偶联剂对FS进行原位改性，可以改善其分散性，增强与橡胶之间的界面黏结;与白炭黑/SBR复合材料相比，FS/SBR复合材料表现出更好的拉伸应力、更高的剪切强度、更低的断裂伸长率;硅酸盐纳米纤维和PA66微米纤维以适当的体积比协同增强EPDM时，所得复合材料的静态、动态力学性能基本上都得到了提高。Petersson等［48］比较了来自膨土岩的层状硅酸盐纳米纤维及微晶纤维素(MCC)增强PLA复合材料的力学性能，结果表明，来自膨土岩的层状硅酸盐纳米纤维可以更好地改善PLA基体的力学性能。肖春金等［49］采用机械共混结合硅烷偶联剂原位改性制备了一系列硅酸盐纳米纤维/橡胶复合材料。苏丽丽等［50］也用硅烷偶联剂改性FS与EPDM机械共混，制备了纳米纤维均匀分散的EPDM/改性FS复合材料。
3．3水镁石纳米纤维复合材料水镁石(Brucite)是一种天然矿物，主要成分是氢氧化镁。天然纤维水镁石矿物通过适当处理可以得到具有实用价值的纳米纤维材料，研究人员主要就水镁石纳米纤维在基体中的分散开展了一些研究工作。徐丽等［51-52］发现，二辛基磺化琥珀酸钠对水镁石纳米纤维的分散效果较好，制备出的水镁石纳米纤维单根直径为30nm左右。邓国初等［53］发现，纤维水镁石在一定化学药剂的作用下可剥分成纳米纤维，同时，使用一定的分散剂，可保证水镁石纳米纤维在水溶液中均匀分散并保持稳定。卢永定［54-55］探讨了分散剂种类与用量、磨矿工艺条件等对制备水镁石纳米纤维品质的影响，通过合适的表面处理，将水镁石纳米纤维均匀分散在有机高分子树脂(EVA、PP)基料中，提高了材料制品的力学性能，同时赋予了复合材料阻燃与消烟功能。3．4金属氧化物纳米纤维复合材料除以上纳米纤维复合材料外，还有一些研究者对金属氧化物纳米纤维增强复合材料进行了研究。Yang等［56］采用水银介导法在室温下成功合成直径为5～15nm的Al2O3纳米纤维。Shimazaki等［57］制备了Al2O3纳米纤维/环氧树脂复合材料，其热导率为1．3W/(m•K)(10%Al2O3纳米纤维)、3．5W/(m•K)(52%Al2O3纳米纤维)。Wongmaneerung等［58］制备了SiC纳米纤维增强的钛酸钙钛矿型铁电(PT)陶瓷复合材料，发现添加SiC纳米纤维后，材料的致密性及机械强度得到提高，绝缘性急剧减小。Khalil等［59］采用静电纺TiO2纳米纤维作为增强体，用以改善羟基磷灰石(HAp)的断裂韧性。Oliver等［60］研究了静电纺SiO2纳米纤维毡对环氧树脂拉伸强度、弯曲强度的影响。
