碳纖維導(dǎo)摩擦磨損性能及導(dǎo)熱性能的研究

畢滿琪

摘要：文章敘述了碳纖維作為環(huán)氧樹(shù)脂基增強(qiáng)體的摩擦磨損和導(dǎo)熱性能的研究。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；碳纖維；導(dǎo)熱性能；增強(qiáng)體

隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，其導(dǎo)熱性能也受到越來(lái)越多的人們的重視。復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能的效果直接決定了復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，在太空中使用復(fù)合材料制件時(shí)，必須考慮復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，有些制件需要其具有較好的導(dǎo)熱性能，以便于及時(shí)將產(chǎn)生的熱量排出制件，延長(zhǎng)制件的使用壽命；而有些制件則需要復(fù)合材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)。這是由于當(dāng)外界的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于制件內(nèi)部的溫度時(shí)，為了保證制件內(nèi)部的正常應(yīng)用，必須保證制件內(nèi)部不受到或少受到外界溫度的干擾。因此，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能是擴(kuò)展復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域必須解決的問(wèn)題。

由此導(dǎo)致在20實(shí)際60年代發(fā)展了高強(qiáng)度、高模、低密度的碳纖維，來(lái)滿足航空航天工業(yè)受力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用需求。碳（石墨）纖維是由碳元素組成的一種高性能增強(qiáng)纖維。其最高強(qiáng)度已達(dá)7000MPa，最高彈性模量達(dá)900GPa，而其密度約為1.8～2.1g/ cm3，并具有低熱膨脹、高導(dǎo)熱、耐磨、耐高溫等優(yōu)異性能，是一種很有發(fā)展前景的高性能纖維。

碳纖維是以碳、石墨纖維的總稱。碳纖維有許多品種，有不同的分類方法，一般可以根據(jù)原絲的類型、碳纖維的性能和用途進(jìn)行分類。碳纖維按石墨化程度可分為碳纖維和石墨纖維，一般將小于1500℃碳化處理成的稱為碳纖維，將碳化處理后再經(jīng)高溫石墨化處理（2500℃）的碳纖維稱為石墨纖維。碳纖維強(qiáng)度高，而石墨纖維模量高；以制取碳纖維的原絲類型分則可以分為聚丙烯腈基碳纖維、黏膠基碳纖維、瀝青基碳纖維和木質(zhì)素纖維基碳纖維。按其力學(xué)性能分可以分為：高強(qiáng)度碳纖維、高模量碳纖維和中模量碳纖維。其中后者有耐火纖維、碳質(zhì)纖維和石墨纖維等

碳纖維由于具有石墨微晶的自潤(rùn)滑特性及較高的模量，加入熱固性聚合物后能使摩擦系數(shù)與磨損率降低。朱波[2]等研究了影響碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料摩擦系數(shù)的因素，他發(fā)現(xiàn)在復(fù)合材料中加入碳纖維后可顯著降低復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，隨碳纖維加入方式的不同，碳纖維對(duì)摩擦系數(shù)的影響作用也不同。王玉果等人研究了三維編織碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的摩擦學(xué)行為，他發(fā)現(xiàn)隨著纖維體積含量的增加， 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)先下降后上升；而當(dāng)纖維體積含量達(dá)到35%時(shí)，復(fù)合材料具有最小的磨損率；將纖維表面進(jìn)行處理后，復(fù)合材料的磨損率進(jìn)一步降低， 耐磨性提高并且在水潤(rùn)滑條件下復(fù)合材料的摩擦磨損性能遠(yuǎn)優(yōu)于干摩擦條件下的摩擦磨損性能；此外，干摩擦條件下的復(fù)合材料的磨損機(jī)制主要為粘著磨損， 而水潤(rùn)滑條件下則以磨粒磨損為主

[3]。Su[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫

度為0～75℃時(shí)，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨溫度的升高而降低，但是，當(dāng)外界環(huán)境溫度高于75℃時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨環(huán)境溫度的升高而增大。而復(fù)合材料的磨損率則在任何溫度下，均隨溫度的升高而增大。同時(shí)，他還發(fā)現(xiàn)在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中加入納米Al2O3與Si3N4顆粒時(shí)，在摩擦過(guò)程中有助于在摩擦副的表面形成一層轉(zhuǎn)移膜，這層膜的出現(xiàn)有助于降低復(fù)合材料的摩擦系數(shù)與磨損率。

隨著從短纖碳纖維到長(zhǎng)纖碳纖維的學(xué)術(shù)研究，使用碳纖維制作發(fā)熱材料的技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸普及。在當(dāng)今世界高速工業(yè)化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化。中國(guó)已經(jīng)有使用長(zhǎng)纖作為高性能纖維的一種，在要求高溫，物理穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料具備不可替代的優(yōu)勢(shì)。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，正是由于兼具優(yōu)異性能，碳纖維在國(guó)防和民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。

碳纖維在傳統(tǒng)使用中除用作絕熱保溫材料外。 多作為增強(qiáng)材料加入到樹(shù)脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維已成為先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料。由于碳纖維復(fù)合材料具有輕而強(qiáng)、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及設(shè)計(jì)性好、可大面積整體成型等特點(diǎn)，已在航空航天、國(guó)防軍工和民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。

高性能碳纖維作為制造先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料，隨著高新技術(shù)的發(fā)展而日益深入，其結(jié)構(gòu)和性能的可設(shè)計(jì)性不斷推動(dòng)著新材料的問(wèn)世和性能的改善，其應(yīng)用領(lǐng)域也是將越來(lái)越廣泛。

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