第1章　绪论

1.1　炭纤维复合材料的定义、分类

1.1.1　炭纤维

炭纤维（carbon fiber，CF），是纤维状的炭素材料，含碳量在90%以上，其中含碳量高于99%的称为石墨纤维。与传统的玻璃纤维（GF）相比，抗拉模量是其3倍多；与凯芙拉纤维（KF-49）相比，不仅抗拉模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃，特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的材料，因此炭纤维在国际上被称为继石器和钢铁等金属之后的“第三代材料”。炭纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维是当今世界三大高性能纤维。炭纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。

炭纤维按原材料的不同主要分为聚丙烯腈基（PAN）炭纤维、沥青基炭纤维和黏胶基炭纤维。按力学性能的不同分为通用型纤维和高性能型纤维。通用型炭纤维强度为1000MPa、模量为100GPa左右。高性能型炭纤维又分为高强型（强度2000MPa，模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。在聚丙烯腈基炭纤维中，日本东丽公司的炭纤维为国际公认的代表性产品，分为T系列（炭化产品）、M系列（石墨化产品），规格有T300（抗拉强度大于3000MPa）、T700（抗拉强度大于4500MPa）、T800（抗拉强度达到5490MPa）和T1000（抗拉强度大于7000MPa）等，如图1.1所示。

图1.1　东丽公司生产的炭纤维性能分布图^［1］

根据产品规格的不同，炭纤维目前被划分为工业级和宇航级两类，亦称为大丝束炭纤维和小丝束炭纤维。通常把48K以上炭纤维称为大丝束炭纤维，包括48K、60K、120K、360K和480K等。小丝束炭纤维初期以1K、3K、6K为主，后来逐渐发展为12K和24K。

炭纤维主要有四种产品形式（如图1.2所示）：炭纤维、炭布、预浸料坯和短切纤维。炭布指的是由炭纤维制成的织品；预浸料坯是将炭纤维按照一个方向一致排列，并将炭纤维或布料经树脂浸泡使其转化成片状；短切纤维指的是炭纤维短丝。

图1.2　炭纤维产品形式

1.1.2　炭纤维复合材料

炭纤维复合材料（carbon fibers reinforced composites），是以炭纤维作为增强体，炭、树脂、陶瓷和金属等作为基体所形成的一种新型固体材料^［2］。

炭纤维复合材料不仅密度低，比强度大、比模量高、高温性能好和热稳定性高，而且具有可设计性。它们按照用途可以分为结构型、功能型、结构功能型和智能型炭纤维复合材料。

按照基体的种类可以分为炭纤维增强聚合物基（热固性树脂基、热塑性树脂基）、炭纤维增强炭基、炭纤维增强陶瓷基、炭纤维增强金属基（包括轻金属基，高熔点金属基与金属间化合物基）、炭纤维增强橡胶和炭纤维增强水泥基复合材料。