碳纤维增强耐高温复合材料

  轻质高强的特性是材料发展永恒的主题，它是推动社会、经济、科技发展，国防建设和增强国家竞争力的重要基础。在材料的轻质高强化进展中，以碳纤维复合材料为代表的纤维增强复合材料是最成功的典范。

  碳纤维（Carbon Fiber，简称CF）是一种强度高、重量轻、力学性能优异的新材料。由聚丙烯腈（PAN）（或沥青、粘胶）等有机母体纤维采用高温分解法在1000摄氏度以上高温的惰性气体下碳化（其结果是去除除碳以外绝大多数元素）制成的，是一种含碳量在95%以上的无机高分子纤维。

  关于碳纤维的起源最早可追溯到19世纪60年代。1860年，英国人斯旺将细长的绳状纸片制取碳丝，并将其作为灯丝制造白炽灯，但常规使用的寿命不长。后来斯旺将其专利卖给了美国发明家爱迪生，爱迪生通过改进，用纤维素纺丝后制成碳丝作为灯丝，制成了实用化的白炽灯，并在全球范围内推广，这是人类历史上首次使用碳纤维丝。早期的碳纤维没有结构强度、易碎、实用性差，1910年，爱迪生使用钨丝代替碳丝作为发光材料，使得白炽灯的常规使用的寿命进一步延长。从此，人类历史上首次商业化使用碳纤维的历程暂时终止了，但是人们发现碳纤维密度小、强度高、耐氧化等特点是以往的材料所不能够比拟的，因此人们不断探索碳纤维的新用途，并用很多方法来制造碳纤维，然而，这些努力都未能把碳纤维性能提高到令人满意的程度，所以一直没有实用。

  碳纤维被称作是21世纪的“黑色黄金”，其复合材料主要是以碳纤维为增强材料，以树脂，金属、陶瓷等作为基体材料，经过复合制作而成的结构或功能材料。由于碳纤维及其复合材料优异的综合性能及高的附加价值，是适应宇航、航空、原子能等尖端工业发展的需要而研制开发的一种新材料。碳纤维及碳纤维复合材料已在军事及民用工业的所有的领域取得广泛应用，从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。

  碳纤维复合材料应用壁垒重重，作为先进复合材料中的一种，它无法像传统金属材料那样被单一、整体性地利用（这也是其优势所在），它必须结合实际应用需求不断调整复合材料的组成与比例，在制品的制造和成型的过程中，细节化的技术参数也对成品的各项性能产生重要影响。在碳纤维复合材料的各项性能中，耐高温性可谓是世界性的难题。但是，它并非无法逾越。

  以磷酸锆溶液为基体原料，以碳纤维为增强相原料，通过浸渍→固化→高温处理的方法制备纤维增强磷酸锆耐高温复合材料。该复合材料的碳维体积分数在5%-55%之间可调，磷酸锆含量在8wt%-53wt%之间可调。

  2、 碳纤维预制体预处理：将步骤1所得平纹布置于真空炉中，在氩气气氛中升温至300℃，保温2小时，降至室温，取出备用；

  3、对碳纤维预制体进行涂覆、磷酸浸渍与固化：先将磷酸锆粉体用水调制成浆料（浆料中磷酸锆的浓度为35wt%）,将浆料刷涂于经步骤2处理的碳纤维布上（涂层厚度为1-10微米），将刷涂后的碳纤维布层叠，再进行穿刺操作，加热至550℃，保温3h；然后线wt%磷酸溶液，直至淹没织物为止，浸渍1h;取出后加热至600℃，保温2h,使织物中的物料交联、固化；

  4、 高温处理：将步骤3所得碳纤维预制体放入高温炉中，在氮气气氛中加热至900℃，保温2h,降至室温，即可制得。

  上图有关数据表明，碳纤维增强磷酸锆基复合材料具有耐高温、高强度、高韧性、易成型、高模量、抗腐蚀和耐摩擦等优点，可大范围的应用于航空、航天、冶金、石油、化工、机械、能源等领域，尤其是在耐高温等很多方面起到金属等材料无法替代的作用。