碳纖維複合材料改性研究有哪些新進展？

06-02

碳纖維複合材料因輕質高強、抗疲勞、耐腐蝕、可設計性強等一系列特性，在航空航天、汽車、軌道交通、醫療等領域的應用與日俱增。但是碳纖維複合材料的缺陷也很明顯，例如由於複合材料基體的原因，造成了耐受溫度不夠高、界面表現不理想、韌性不夠強等問題，很大程度上阻礙了碳纖維複合材料在更大範圍內的應用。因此，目前碳纖維複合材料的改性研究至關重要，這也是決定能否有效發揮碳纖維材料優勢的關鍵一步。下面就是關於碳纖維複合材料改性方面的一些研究方向和最新的進展情況。

納米材料提高導電、導熱性能

科研人員通過在碳纖維表面上生長納米材料，研發出了能夠顯著提高複合材料的導電、導熱性能的新技術。這項技術能夠在賦予材料多功能的同時保持材料結構的完整性，包括將感測器、能量採集照明、通信天線這些功能部件融入到材料的結構中。未來，碳納米管改性碳纖維複合材料也許會帶來很多令人驚喜的可能性。

石墨烯強韌化碳纖維複合材料

因為碳纖維表面光滑、惰性大、具有化學活性的官能團少，導致碳纖維與基體樹脂之間的界面粘結強度低，界面存在較多缺陷，往往成為複合材料無法迴避的弱點。中國科學院科研團隊研究工作中發現，把石墨烯納米粒子接枝到碳纖維表面可以有效提高碳纖維複合材料的界面性能。

為了實現石墨烯改性碳纖維的規模化路線，採用石墨烯改性上漿劑對碳纖維表面進行改性，能提高碳纖維複合材料的界面性能。相反轉法和自乳化法的使用有效提升了碳纖維的複合材料的界面粘結性能，其界面剪切強度(IFSS)可達92.3MPa，而且碳纖維的上漿率低於1.5%，飽和吸水率低於2%。採用石墨烯還能強韌化碳纖維，優化加工成型工藝條件，能得到綜合性能優異的石墨烯強韌化碳纖維複合材料，複合材料層間剪切強度可達73.5MPa；I型層間斷裂韌性提高幅度為33.3%。

基於增韌組分再分配原理的複合材料增韌技術

目前，航空先進複合材料的主要基體材料是熱固性樹脂（如用量較多的環氧樹脂基體類、雙馬來醯亞胺基體類等），熱固性樹脂具有成型工藝性強、尺寸穩定性好等優點，但傳統的熱固性樹脂基體韌性較差，造成碳纖維複合材料較低的抗衝擊損傷能力，特別是在製造或使用中遭受意外衝擊時，其內部易出現不易觀測到的分層損傷。中航工業復材在熱熔法預浸料製備工藝與設備等方面進行了系統研究，掌握了複合材料層間增韌技術。

基於增韌組分再分配原理的複合材料增韌技術體系是在複合材料成型過程中，通過樹脂體系中的增韌組分向複合材料層間的轉移、富集，從而達到對複合材料抗損傷能力薄弱的層間增韌的目的，形成第二代高韌性環氧樹脂基體。這種方法在不改變原有熱固性樹脂預浸料的工藝優點，保持其面內力學性能不變的同時，大幅度提高了複合材料的衝擊損傷能力，達到了波音公司對高韌性結構複合材料的要求(BMS8-276)，為第三代高韌性複合材料發展和應用奠定了技術基礎。

新型複合材料技術提高阻燃性、耐熱性

因樹脂基體本身的原因，碳纖維複合材料存在著耐熱點過低、易燃等性能缺陷，嚴重阻礙了其在更多領域的深入應用，特別是在汽車、軌道交通等行業中應用時，碳纖維複合材料製品在突發性撞擊、火災等情況下的安全性飽受質疑。無錫威盛新材料科技有限公司最近研發出能耐受更高溫度的碳纖維複合材料製品，在碳纖維複合材料的耐高溫、阻燃性方面有新的突破。這種複合材料改性的新技術，不僅能實現以往兩倍溫度的耐受性，而且還賦予了碳纖維複合材料製品良好的阻燃性。使碳纖維複合材料在保持原有的機械強度、耐腐蝕、抗輻射、耐濕熱等優勢的同時，一定程度上提升了耐磨性、韌性及透波性，在遇到高溫或者火災等事故時，能做到低煙、低毒和低熱釋放的表現，大大提高了碳纖維複合材料使用的安全性和穩定性。採用該新型碳纖維複合材料研製的軌道車輛車身側壁板已應用於某型號高鐵上，並進入試跑階段。