碳纤维复合材料在飞机结构中的应用.pdf

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1、碳纤维复合材料在飞机结构中的应用沈 真（中国飞机强度研究所，西安 710065）摘 要:回顾了40年来碳纤维复合材料在飞机结构中的应用发展过程，从成本角度分析了影响其在飞机结构中扩大应用的障碍和现状，指出以碳纤维复合材料在空客A380、A350和波音787飞机中的大范围应用为代表，碳纤维复合材料技术已克服了成本障碍，为今后在更多领域高性能结构的大范围应用提供了可能，进入了大规模工业应用的新纪元。根据飞机结构使用碳纤维复合材料的经验教训，针对国内碳纤维发展现状，指出为扩大国产碳纤维在飞机及其他高性能结构中的应用，碳纤维生产企业应努力的方向：首先是保证产品质量的稳定性和可靠性，制订符合国际规范的材

2、料标准和验收方法；其二应注重对碳纤维下游产品，即复合材料及其结构研制与评定，碳纤维是否能用于飞机结构，其主要依据是碳纤维对复合材料结构制造的适用性和相应的性能指标；同时应注意对复合材料结构设计技术的普及和人才培养。最后根据飞机结构完整性的要求，提出了对第二代碳纤维力学性能指标的某些建议。关键词:碳纤维；复合材料；飞机结构；力学性能；低成本；应用中图分类号:V258.3；V258 文献标识码:A 文章编号:1007-9815（2010）04-0001-04收稿日期:2010-08-11稿源说明:2010第十六届中国国际化纤会议专题报告作者简介:沈真（1943-），男，浙江湖州人，研究员，主要从事

3、复合材料飞机结构耐久性和损伤容限、复合材料力学性能表征技术研究，(电话)029-88268419(电子信箱)。Application of Carbon Fiber Composites in Aircraft Structures SHEN Zhen (Aircraft Strength Research Institute of China,Xian 710065 China)Abstract:The development history of carbon-fiber reinforced composite aircraft structures was reviewed durin

4、g the past 40 years,the obstacle and status for carbon-fiber composites to extend their application to aircraft struc-tures from the point of view of cost driver were analyzed.The large scale of application of carbon-fiber composites on A380,A350 and Boeing787 is the sign of that they have come into

5、 the new era of industrial application of the affordable composite technology.The first issue for Chinese carbon fiber to be applied into aircraft structures and other high-performance structures is to ensure the stability and reliability of product quality,therefore to develop the strict material s

6、pecifications and receival criteria.The second issue is to emphasize the evaluation of carbon-fiber reinforced composites and their structures based on the structural integrity requirements.The third issue is to train the composite structural designers who are familiar to the characterizations and f

7、eatures of composite structures.Finally,some suggestions on the mechanical properties for the second generation of carbon fibers were pointed out.Key words:carbon fiber;composite;aircraft structures;mechanical property;low cost;applicationVol.35 No.4Aug.2010高 科 技 纤 维 与 应 用Hi-Tech Fiber&Application第3

8、5卷 第4期2010年8月1 碳纤维复合材料在飞机结构中的应用概况高性能纤维包括很多种类，其中在飞机结构中应用过或曾经应用过的有下列品种：玻璃纤维、硼纤维、芳纶和碳（石墨）纤维。由于玻璃纤维弹性模量低，其复合材料无法满足飞机结构的刚度要求，因此无法用于飞机承力结构；硼纤维复合材料由于其加工性能差，早期曾在军机尾翼结构上得到过一些应用外，目前仅用于结构修理；芳纶复合材料在1980年代中期一度认为有可能在飞机结构中大量应用，但经使用实践后发现其容易吸湿，给结构带来很多隐患，现在很多飞机公司已将其列为结构禁用的纤维。由于碳纤维具有高强度、高模量等优异性能，其复合材料因此在飞机结构中得到大量使用，而且

9、目前在新研制的飞机结构中已成为首选的结构材料。以上评判可从美国联邦航空管理局（FAA）的咨询通报AC 20-107复合材料飞机结构对材料选择应用范围的变化中得到印证：在1984年颁布的AC 20-107A的第一章目的中指出“本咨询通报针对复合材料飞机结构，其中包括纤维增强材料，例如碳（石墨）纤维、硼纤维、芳纶（凯芙拉）和玻璃纤维增强塑料飞机结构的适航性验证要求，提出了一种能符合联邦航空条例（FAR）第23、25、27和29部各条款可接受但非惟一的方法。”而在2009年修订后的AC 20-107B中则改为“本咨询通报针对复合材料飞机结构，其中包括纤维增强材料，例如碳纤维和玻璃纤维增强塑料飞机结构

10、的适航性验证要求，提出了符合联邦法典14卷（14 CFR）航空规章第23、25、27和29部各规章可接受但非惟一的方法。”即表明硼纤维和芳纶已不再在飞机结构中得到应用。飞机结构中应用的碳纤维以T300为代表，包括AS4、HTA等是第一代；以T800为代表，包括IM6、IM7、HTS等是第二代。它们是应以波音公司为代表的飞机制造厂商的要求而研制的。T700S原来是为需要高抗拉伸强度的工业和休闲产品，包括压力容器等而研制的，在适当提高其抗拉伸模量和粘附性能后，T700G也用于要求优异复合材料性能的飞机和高端体育器材；T1000的研制并不是以飞机结构为应用对象的。飞机结构中如直升机旋翼结构还使用了少

11、量中模高强碳纤维，如M40J。高性能纤维复合材料在飞机承力结构中的应用始于1960年代末，其在结构中所占比重的变化如图1和图2所示。可以看出，在军用飞机结构中的应用最初主要追求性能，不计成本，其用量在1980年代中期达到最高峰，之后由于成本的压力，其用量降至20%30%。民用飞机碳纤维复合材料使用量从1970年代直至本世纪初一直在10%徘徊，其主要原因是民机必须考虑使用复合材料后经济上是否合算，尾翼级结构使用复合材料通过减重获得的利益大于复合材料制造成本的提高，但用于机翼机身这样的主结构，当时获得的减重收益不足以抵消材料和制造成本的增加。因此从1980年代起，低成本成了复合材料应用研究的热门课

12、题。但以空客A380和波音787的研制成功，特别是后者的成功试飞（2009年12月），标志着复合材料在飞机结构的低成本技术（包括材料、制造工艺和设计与维护）已达到了可以实际应用的新纪元，复合材料结构占飞机结构质量不低于50%已是不可逆转的潮流。这也为高性能纤维复合材料进入其他高性能结构，如汽车、高速列车、风电叶片、石油化工设备、船舶结构等提供了技术基础。2 复合材料结构的低成本技术复合材料飞机结构的低成本技术主要包括以下几方面：材料、制造工艺、设计、使用维护等。图3所示为复合材料制件的成本组成，可以看出，在总成本中材料成本只占有很少的比重，制图1 复合材料在军用飞机结构中的应用F-4F-16F

13、-14、F-15F-18A/BAV-8BB2F-18E/FF-22JSFUCAV19501960197019801990200020102020051015202530354045年份占机身的质量分数/%图2 复合材料在民用飞机结构中的应用MD82年份197019751980198519902000200520101995B767A310B757MD87A320MD11MD90A340A330A321B777A380B787A350占机身的质量分数/%0102030404550高科技纤维与应用-2-第35卷件的成本主要部分是铺贴和装配。2.1 材料最初追求低成本的主要途径之一是降低材料成本和提

14、高材料性能。降低材料成本的途径是采用大丝束纤维和使用T700S这样的低成本纤维，虽然取得了一些成绩，但效果并不明显。改进后的T700G得到了一些应用，但由于其性能的局限性，没有得到大范围应用。T800的研制是为机翼结构的应用提出的，初衷是希望通过采用T800与韧性树脂的复合材料，克服复合材料抗冲击性能差的弱点将压缩设计许用应变值（）由4 000提高到6 000，得到更好的减重效果，但最终没有实现。2.2 制造技术RTM、RFI、VARTM等非热压罐固化新工艺最初都被认为是低成本工艺，其中有些已在飞机结构成型工程中得到应用，有的如以VARTM为代表的液体成形工艺已被证明确实可以降低成本，有的则尚

15、未得到证明，或是取决于批量。以ATL和AFP为代表的自动化铺贴工艺对减少铺贴成本、提高品质和减少废品率起到了决定性作用，也对降低成本起到了重要作用。2.3 整体化设计与制造技术利用复合材料的特点和优势，实现复杂零件的共固化和共胶接成型，进行整体化结构的设计和制造，大大降低零件数和紧固件数，为减重和降低装配成本起到了重要的作用。这是复合材料低成本技术的核心。2.4 充分利用复合材料优异的抗疲劳和耐腐蚀性能复合材料优异的抗疲劳和耐腐蚀特性除了为民机结构的舒适性做出贡献外，在提高出勤率和降低维护成本，从而大大降低全寿命成本方面做出了重大的贡献。3 国产碳纤维用于高性能结构之路目前国内很多企业对碳纤维

16、研制投入了巨资，有些已形成了批生产的规模，目前最严峻的形势是如何消化这些产能，使之在国民经济发展中产生效益。当然技术含量较低的结构应用可以消化一部分产能，但作为国产高性能纤维，应在国产飞机结构中得到应用，并在此基础上进一步应用于其他高性能结构。国产碳纤维用于高性能结构之路，除了材料研制和复合材料制造工艺研究外还应关注下列几方面的工作。3.1 碳纤维的研制与鉴定传统的观念是碳纤维的抗拉伸强度和抗拉伸模量越高越好，在进行材料比较时经常用的指标是比强度（强度与密度之比）和比刚度（模量与密度之比），因此长期以来，碳纤维研究追求的指标是提高抗拉伸强度和抗拉伸模量。碳纤维只是复合材料中起增强体作用的一种组

17、分，其最终目标是用于复合材料结构，对应用目标为国产飞机结构用碳纤维的研制和鉴定，应以能否满足飞机复合材料结构完整性为评定准则，因此在对碳纤维进行研制和鉴定的同时，必须进行适量的预浸料和复合材料的制造及性能测试。飞机结构完整性的定义是：“影响飞机安全使用和成本费用的机体结构件的结构强度、刚度、损伤容限、装袋与固化（13%）模具（12%）修边（6%）NDI（15%）铺贴（46%）铺层切割（8%）降低成本的途径材料与制造（50%）紧固件和装配（50%）制造成本总成本图3 复合材料制件的成本构成沈真:碳纤维复合材料在飞机结构中的应用第4期-3-耐久性和功能的总称。”当然，碳纤维的性能指标是其复合材料性

18、能指标的基础。为满足飞机结构完整性要求，飞机主结构用复合材料的选材要求，其中力学性能要求为：具有良好的抗冲击性能（包括损伤阻抗和含缺陷/损伤后的剩余强度），开孔与充填孔的抗拉伸与抗压缩强度以及抗连接挤压强度（包括不同的环境条件），表1给出了建议的选材试验矩阵。美国民用飞机复合材料结构适航取证的咨询通报AC 20-107B（2009年9月8日颁布）中明确指出：“现有阐明复合材料鉴定与等同性和积木式方法的参考文献如复合材料手册（CMH-17）第1卷和第3卷，FAA技术报告DOT/FAA/AR-03/19，给出了直至层压板级更详细的指南，涉及批次与试验数量，以及适用的统计分析。”HB7618-201

19、0聚合物基复合材料力学性能数据表达准则（报批稿）则是参照上述文献制订的我国航空工业标准。碳纤维是否能用于国产飞机结构的另一关键是要保证所采购材料的性能稳定可靠，因此所有的原材料，从纤维（包括织物）、树脂到预浸料全部都必须满足飞机制造业的材料标准和相应的工艺规范，并按标准阐述的程序进行试验和鉴定。再由于复合材料的特点是材料与结构同时形成，工艺对材料力学性能的影响非常重要，根据这一特点，除了品质保证体系和管理经验外，国内和国外的材料体系在用于国产飞机结构时，处于同一起跑线。为此建立和推广与国际接轨的复合材料性能表征技术及相关标准体系，是正确评价和指导国产碳纤维研制和鉴定的首要任务。3.2 碳纤维用

20、的上浆剂T300所用上浆剂品种是东丽公司的核心机密，无法从市场上获得。上浆剂是在制造纤维过程中为改善工艺性能而涂于纤维表面的物质，但其耐温性对复合材料的湿热性能会产生重大的影响。AC 20-107B的附录中指出：“基本组分即树脂或纤维（包括仅上浆剂或表面处理）中的一种或二者同时变化，会给出一种替代材料。”即认为即使仅上浆剂的变化也是一种与树脂或纤维同等重要的材料变化。因此在将国产碳纤维用于飞机结构的同时，必须关注适用的上浆剂研制和使用。3.3 复合材料结构设计由于碳纤维复合材料的性能特点与金属有巨大差别，其破坏机理也有天壤之别，故复合材料结构设计不能照搬金属结构的设计方法。若对此没有正确认识，

21、用复合材料设计的结构可能不如金属结构，或是性能差，或是制造与使用成本远高于金属结构，而被用户抛弃。因此碳纤维能否用于飞机结构乃至其他高性能结构的关键，取决于是否有足够能够发挥复合材料优势，设计出性能和成本（全寿命成本）优于金属结构的设计技术，以及是否有掌握这种技术的设计团队。波音787的成功试飞，标志着复合材料的低成本技术已经进入工程实用的新纪元，但遗憾的是目前国内掌握这种尖端技术的设计人才只是凤毛麟角，即使在航空航天界，这样的人才也极其稀缺。致使工业界在决策将碳纤维复合材料用于高性能结构时，经常因设计人才的缺失而下不了决心。表1 结构用复合材料选材试验矩阵（建议）高科技纤维与应用-4-第35

22、卷（下转第24页）材料类别试验内容试验件数量评价重点低温干态室温干态高温湿态单层0拉伸66纤维性能0压缩66纤维/基体相互作用45拉伸66纤维/基体相互作用层压板45/0/-45/90ns开孔压缩66应力集中开孔拉伸66应力集中螺栓-挤压66挤压冲击后压缩6损伤容限件图29 热台偏光显微镜观察中间相沥青形成过程中形态的变化(a)中间相出生球晶(b)球晶长大(c)单球融并成复球(d)复球解体(e)中间相沥青大融并体因此总结并推广复合材料的设计技术，培养复合材料结构设计人才是当前将碳纤维复合材料用于高性能结构的关键。4 飞机结构用第二代碳纤维的性能指标4.1 关于T800的力学性能指标T800为飞

23、机结构用第二代碳纤维的代表。T800的研制要求是在1980年代初由波音公司提出的，其中对纤维力学性能要求强度提高1.5 倍，模量提高1.3 倍，并要求与高韧性树脂复合后，压缩设计许用应变（）由3 0004 000提高到6 0008 000。目前得到的信息表明，前面两项指标实现了，但最为关键的第3项指标，即损伤容限要求并没有实现。因此T800的力学性能指标是否最佳组合，作者通过大量研究提出了质疑。4.2 碳纤维复合材料的抗冲击性能要求对飞机结构使用而言，冲击损伤始终是最为关心的问题。过去通常都用CAI6.7 J/mm作为对碳纤维复合材料抗冲击性能的评价指标，作者研究认为，对抗冲击性能的评价应包括

24、两方面的内容，即针对中厚蒙皮使用的损伤容限性能，和对薄蒙皮与薄面板夹层结构使用的损伤阻抗性能。作者对损伤容限提出采用CAIBVID作为评定指标，对损伤阻抗则用最大准静态压痕力Fmax作为评定指标，二者对碳纤维提出了不同的要求，因此对结构不同部位应使用不同的碳纤维复合材料，从而要求使用不同的碳纤维。若要同时满足这两种不同的要求，则需对它们进行综合评定后确定相对应碳纤维的性能指标。参考文献：1 沈真(译).FAA咨询通报AC 20-107B.复合材料结构 M.2009.2 沈真,杨胜春,陈普会.复合材料抗冲击性能和结构 压缩设计许用值J.航空学报,2007,28(3):561566.3 沈真,杨胜

25、春.飞机结构用复合材料的力学性能要求 J.材料工程,2007,(增刊1):248252.4 沈真,杨胜春,陈普会.复合材料层压板抗冲击行为 及表征方法的实验研究J.复合材料学报,2008,25(5):125133.5 沈真,章怡宁,柴亚南,等.机翼结构用复合材料的 力学性能要求J.航空制造技术,2010,(1):4448.（上接第4页）（未完待续）高科技纤维与应用-24-第35卷碳纤维复合材料在飞机结构中的应用碳纤维复合材料在飞机结构中的应用作者：沈真，SHEN Zhen作者单位：中国飞机强度研究所,西安,710065刊名：高科技纤维与应用英文刊名：HI-TECH FIBER&APPLICAT

26、ION年，卷(期)：2010，35(4)被引用次数：0次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.沈真;章怡宁;柴亚南 机翼结构用复合材料的力学性能要求期刊论文-航空制造技术 2010(01)2.沈真;杨胜春;陈普会 复合材料层压板抗冲击行为及表征方法的实验研究 2008(05)3.沈真;杨胜春 飞机结构用复合材料的力学性能要求期刊论文-材料工程 2007(增刊1)4.沈真;杨胜春;陈普会 复合材料抗冲击性能和结构压缩设计许用值期刊论文-航空学报 2007(03)5.沈真 FAA咨询通报AC 20-107B.复合材料结构 2009 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 凤仪.应美芳.王

27、成福.Feng Yi.Ying Meifang.Wang Chengfu 碳纤维不同分布的碳纤维-铜复合材料的电导率-复合材料学报1998,15(4)将碳纤维按不同方式分布与铜粉混合热压,制取复合材料,测定了碳纤维含量与分布方式对复合材料电导率的影响.给出了测定结果,为复合材料的结构设计提供了一定的依据.2.期刊论文 林志勇.林金清.叶葳.曾汉民 碳纤维表面酰氯化及其与尼龙6的接枝.碳纤维接枝复合材料CF/PA6的等温结晶和熔融行为-应用化学2004,21(9)用DSC研究了碳纤维(CF)表面阴离子接枝尼龙6(PA6)后复合材料CF/PA6的等温结晶及熔融行为.结果表明,未接枝的CF对PA6结

28、晶起异相成核作用,使PA6的结晶度增大.接枝改性CF增强了两相界面间的相互作用,促进成核,但使PA6大分子链的运动受到约束,使PA6的结晶度减小.接枝导致CF/PA6复合材料界面化学性质相似,因此,具有较高的诱发横穿晶能力.等温熔融结果表明,较低的结晶温度下,未接枝CF表面的诱导作用有利于基体PA6形成晶型,接枝改性CF使PA6主要形成亚稳定的*晶型.较高温度下,未改性CF使PA6主要形成晶型;接枝改性CF使基体倾向于形成热稳定性较低的*型结晶.3.学位论文 林志勇 碳纤维表面阴离子接枝尼龙6及其碳纤维/尼龙6复合材料界面效应 2002 复合材料的界面层及其优化设计,即复合材料界面工程,是复合

29、材料研究的一个重要领域.我们综合了Plueddemann的偶联剂“必须成为树脂的一部分”及其碳纤维表面处理方法,考虑到必须成为树脂的一部分,最好的方法可能就是树脂本身,在总结了前人大量工作的基础上,提出了在碳纤维表面引入化学键键合并具有长化学链的方法,即碳纤维表面阴离子接枝尼龙6及其对碳纤维/尼龙6复合材料界面效应的影响这一项目,研究了碳纤维表面阴离子接枝尼龙6方法,即设计了纤维表面既有化学键键合,又与树脂良好相溶的碳纤维导致的界面层对热塑性CF/PA6复合材料的结晶、熔融、界面横晶、力学性能与破坏形态的影响.讨论了碳纤维表面阴离子接枝尼龙6对CF/PA6复合材料结晶动力学、尼龙6晶型、界面化

30、学性质对横晶的影响及复合材料力学性能与破坏形态的影响.4.期刊论文 等离子处理碳纤维织物复合材料的摩擦学性能-材料研究学报2005,19(4)将碳纤维织物浸渍-涂层酚醛-缩醛粘结剂树脂,加压固化后制备出碳纤维织物复合材料.分析了摩擦磨损表面和经等离子体处理后碳纤维织物化学组成的变化,研究了摩擦磨损性能、拉伸性能和粘结性能.结果表明,碳纤维织物的磨损分为严重磨损和稳定磨损两个阶段,其中严重磨损阶段的磨损量占了总磨损量的87%.经过等离子体处理后,在碳纤维织物的表面产生了许多活性基团如羰基、羧基、酯基,表面活性元素的含量明显增多;碳纤维织物的浸润性增大,提高了其与粘结剂的结合强度和结合量,增强了织

31、物纤维束间的结合力;固化后与粘结剂构成很好的整体材料,增强了纤维束抗变形和抗断裂能力,使载荷和摩擦力可以平均的分配在纤维上,避免应力集中,从而提高了碳纤维织物复合材料的摩擦学性能和力学性能.5.会议论文 徐志伟.邓钊.吴晓青.黄玉东.李嘉禄 预辐照接枝对碳纤维表面及复合材料界面的影响 2008 碳纤维与树脂基体的弱界面粘接一直是制约树脂基碳纤维复合材料广泛应用的重要因素之一。本文通过y射线预辐照接枝的方法改善碳纤维表面惰性，提高复合材料的界面性能。在惰性气体的保护下将碳纤维置于密闭容器中，经射线辐照后与环氧氯丙烷混合，使环氧氯丙烷在碳纤维表面发生接枝反应，在碳纤维表面引入了极性官能团，进而提高

32、碳纤维与环氧树脂基体间的界面粘接强度。采用X射线光电子能谱XPS对碳纤维表面的化学状态进行表征，通过层间剪切强度ILSS对改性效果进行评价，借助SEM对复合材料的断口形貌进行分析。实验结果表明，在300kGy辐照剂量下碳纤维经预辐照接枝处理后表面含氧官能团的数量大幅度增加，碳纤维增强环氧树脂复合材料ILSS提高了18.2，碳纤维与环氧树脂基体之间的界面粘接被改善。射线预辐照接枝改性技术具有改性效果明显、成本低、绿色环保和易批量处理等优点，是一种非常有前途的碳纤维表面改性技术。6.会议论文 张招柱.苏峰华.王坤.姜葳 纳米SiO2改性碳纤维织物复合材料的摩擦学性能研究 2006 用高温玄武三号栓

33、-盘式摩擦磨损试验机研究了纯的及纳米SiO2改性的碳纤维织物复合材料的摩擦磨损性能,考察了纳米SiO2的添加量及试验温度对改性碳纤维织物复合材料的摩擦学性能的影响,并分别用JSM-5600 LV扫描电子显微镜和光学显微镜对其摩擦磨损表面进行了观察和分析.结果表明,纳米SiO2的加入提高了碳纤维织物与粘接树脂间的结合强度,同时有利于复合材料在对偶面形成均匀的转移膜,从而明显改善了碳纤维织物复合材料的摩擦磨损性能.当纳米SiO2的添加量为5时,纳米SiO2改性碳纤维织物复合材料的摩擦磨损性能最好.当温度低于180时,纳米SiO2改性碳纤维织物复合材料的摩擦因数和磨损率随温度的升高变化不大;但当温度

34、高于180时,纳米SiO2改性碳纤维织物复合材料的摩擦因数和磨损率随着温度的升高急剧增大。7.学位论文 李健 稀土溶液处理碳纤维填充热塑性聚酰亚胺复合材料摩擦学性能研究 2008 热塑性树脂基复合材料不仅具有耐腐蚀性、无毒性。还具有可重复加工使用的特点，有利于环保，因而倍受人们的重视。热塑性聚酰亚胺(PI)具有突出的热稳定性、良好的抗冲击、抗辐射和耐溶剂性能，是一类很有发展潜力应用于摩擦学领域的基体材料。碳纤维具有耐高温、高强度、高弹性模量、抗蠕变等特点，是制备高性能树脂基复合材料最常用的增强纤维。然而，碳纤维在未经表面处理前，其活性比表面积小，表面能低；在被用作复合材料的增强体时，往往因其与

35、树脂界面的粘合性差而影响其性能的发挥，因而界面结合的问题就显得更为重要。本文根据碳纤维表面性质和稀土元素独特的物理化学特性，采用稀土溶液(RES)表面改性方法对碳纤维进行表面改性处理，以改善碳纤维/聚酰亚胺(CF/PI)复合材料的界面结合性能，从而有效地提高CF/PI复合材料的力学性能和摩擦学性能。第一，采用RES改性方法和空气氧化法对碳纤维进行表面改性处理，制备出具有不同界面的CF/PI复合材料。对采用不同表面处理方法处理的CF/PI复合材料进行力学性能测试，研究不同表面改性处理方法与CF/PI复合材料力学性能之间的关系。结果表明：RES表面处理和空气氧化法均提高碳纤维与PI基体之间的界面结

36、合性能，其中RES改性处理方法最有效。第二，运用X射线光电子能谱(XPS)对改性处理前后碳纤维表面结构进行表征。结果表明：空气氧化处理和RES处理均提高碳纤维表面活性。但是，空气氧化方法在提高碳纤维表面活性的同时，使CF表面上形成了分子尺寸的刻蚀坑，损害了碳纤维的力学性能，最终导致其对CF/PI复合材料界面结合性能的改善作用不明显。采用RES对碳纤维进行处理时，稀土元素可以与碳纤维表面的碳原子、氧原子、氮原子发生配位化学反应，并与稀土溶液中的有机活性基团发生化学配位键合，提高了碳纤维表面活性基团的含量，增大了其表面活性；当碳纤维与PI复合时，稀土原子能够继续与聚酰亚胺分子链的含氧官能团发生配位

37、键合，当稀土原子的配位数发挥到最大，碳纤维与PI之间形成强韧性界面层结构，因此增强了碳纤维与PI之间的界面结合性能。第三，采用往复式摩擦磨损试验机考察不同碳纤维含量的CF/PI复合材料摩擦学性能。结果表明：在聚酰亚胺中填充碳纤维，可有效改善CF/PI复合材料摩擦学性能；在相同摩擦条件下，碳纤维体积含量为20vol时，CF/PI复合材料的摩擦系数和磨损量最小；随着载荷和往复滑动频率的增加，CF/PI复合材料的摩擦系数和磨损量均持续上升。第四，系统深入开展不同界面CF/PI复合材料摩擦磨损机理研究。研究了载荷、往复滑动频率、润滑条件等因素对复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：具有不同界面CF/P

38、I复合材料摩擦学性能受载荷和往复滑动频率影响不同，随着载荷和往复滑动频率的增大，界面结合性能对摩擦接触面物性影响显著，使得未处理CF/PI复合材料与空气氧化处理CF/PI复合材料的摩擦磨损性能受载荷和往复滑动频率影响大，RES处理CF/PI复合材料的摩擦磨损性能受载荷和往复滑动频率影响小；在相同的试验条件下，经过RES处理的CF/PI复合材料的摩擦磨损性能最优；油润滑条件下CF/PI复合材料的摩擦学性能优于干摩擦条件下的摩擦学性能，主要是因为机械油的润滑、冷却和动压承载作用。本论文采用RES改性方法对碳纤维进行表面改性处理，探讨RES改性方法对碳纤维表面改性作用的机理，研究表面改性处理方法与C

39、F/PI复合材料力学性能之间的关系，并深入研究了CF/PI复合材料的摩擦磨损规律。本论文进一步发展了RES改性方法在表面工程领域的应用，有效地把复合材料界面科学理论与复合材料摩擦学理论结合起来，丰富了摩擦学理论。8.期刊论文 胡培贤.温月芳.杨永岗.刘朗.HU Pei-xian.WEN Yue-fang.YANG Yong-gang.LIU Lang 氨气处理碳纤维第报碳纤维表面和复合材料的性能-合成纤维2008,37(7)常压下,使碳纤维通过以氨为气为气体介质的600热反应炉,反应停留时间为30s.采用三点短粱法和界面评价装置研究处理前后复合材料的层间剪切强度(ILSS)和界面剪切强度(IF

40、SS),经氨气处理后二者分别提高了13.2%和32.1%.接触角测试结果表明:处理后碳纤维与水和环氧树脂的浸润性得到很大改善.采用扫描电子显微镜(SEM)研究处理前后碳纤维表面和复合材料断裂面形貌的变化,发现氨气处理对碳纤维表面形貌没有影响.力学性能测试数据表明,氨气处理不影响碳纤维的强度.9.期刊论文 贾玲.周丽绘.薛志云.齐会民.胡福增 碳纤维表面等离子接枝及对碳纤维/PAA复合材料ILSS的影响-复合材料学报2004,21(4)将碳纤维预浸芳基乙炔后进行空气等离子处理,使芳基乙炔接枝在碳纤维上,并用扫描电镜、红外光谱、紫外光谱、X射线衍射、拉曼光谱等多种方法进行研究.结果表明经过等离子处理以后的碳纤维/芳基乙炔复合材料的层间剪切强度(ILSS)最大可提高12.4%,而碳布接枝了PAA单体以后,可使复合材料的层间剪切强度最大提高到51.27%.10.会议论文 朱洪平 碳纤维电沉积铜解决碳纤维铝复合材料界面问题 1994 碳纤维铝复合材料界面相容性差，界面反应生成。为此采用连续三步电沉积法对碳纤维电沉积铜获得碳铜复合丝，使界面结合强度得到改善。该文对碳纤维铝复合材料界面问题及连续三步电沉积工艺，作了初步分析讨论。本文链接：http:/