【正文】 specimens, and their physical and mechanical properties were measured, research Carbon fiber on the properties of posite materials and Carbon fiber in the posite role. Through the carbon fiber / UHMWPE specimens tensile and flexural properties of the test found that: adding Carbon fiber in UHMWPE can significantly improve the posite materials mechanical properties, such as tensile and bending properties have been enhanced to varying degrees. With the Carbon fiber content in the posite material in the share increases, and the pressure to pull off the force required to break the posite materials is growing, that the posite tensile and pressive breaking. Breaking capacity is gradually increased. When the UHMWPE content accounted for 60% of the posite material, as the Carbon fiber content in the posite material increases in materials, tensile and pressive force required to break posite materials are also growing. But none UHMWPE content accounting for 50% of the posite force required. According to the experimental results, when the UHMWPE content accounted for 50% of the posite material, the Carbon fiber content of the posite material for 2%,the pulldown and breaks the posite material reaches the maximum force required, the posite tensile and pressive breaking performance. Breaking performance is optimal. Keywords: Carbon fiber。復合材料是材料領域的后起之秀，它的出現(xiàn)帶來了材料領域的重大變革，從而形成了金屬材料、無機材料、高分子材料和復合材料多角共存的格局。其中纖維增強樹脂基復 合材料因有比強度高、比模量大、比重小等特點，而得到廣泛應用。熱固性樹脂由反應性低分子量預聚體或帶有活性基團高分子量聚合物組成，成型過程中，在固化劑或熱作用下進行交聯(lián)、縮聚，形成不熔不溶的交聯(lián)體型結構。 研究背景、目的及其意義 碳纖維增強樹脂復合材料是較常見的碳纖維復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現(xiàn)有結構材料中是最高的?？刂平缑娼Y合強度的最關鍵因素是對碳纖維進行表面處理，增加碳纖維表面有效官能 團。 碳纖維國內外發(fā)展概況 碳纖維發(fā)展最早可追溯到 1860年 ,絲開始 ,1880年 碳絲燈泡 ,而真正有碳纖維工業(yè)化是從 1959年美國聯(lián)合碳化物公司 (UCC)粘膠基碳纖維 (CF)工業(yè)化。早在 20世紀 60一70年代 ,在國家有關部門支持下 ,十幾家科研單位就已開始碳纖維研究工作。 碳纖維由石墨層片為基本結構單元組成亂層石墨結構 ,數(shù)十張層片組成石墨微晶 ,再由石墨微晶組成原纖 ,進而形成沿纖維軸擇優(yōu)取向的同質多晶結構。碳纖維廣泛應用于航空、交通運輸、建材等領域外 ,在體育休閑和一般產(chǎn)業(yè)領域得到了廣泛 .的發(fā)展 ,80年代中期 , 碳纖維在體育用途方面的消耗量超過宇航用途 ,同時在開發(fā)低電壓 或電磁界面隔板塑料結構件及智能材料方面有著巨大潛力。接枝的碳納米管有效地增加了纖維和 樹脂的接觸面積，使載荷更有效地在纖維樹脂界面?zhèn)鬟f，表面接枝后的纖維拉伸強度 單 絲 拔 出 試 驗 較 原 纖維 下降不 到 10%，但是 其 復 合材料 的界面 剪切 強 度 卻 提 高 了 94%。經(jīng) 苯酚 處理 后 ，復 合材料 的 彎曲和層 間 剪切 強 度 分 別 提 高 了 100%和 112%。 材料 的 I型 和 II型 層 間斷 裂韌 性 分 別 提 高 了 13%和 28%。 材料 的 彎曲 強 度 和 模 量 較 原 PMMA提 高 了 166%和 171%。 4 Zhiwei Xu等分別利用氧化還原法和γ射線預輻照法用丙烯酸對碳纖維 進 行表 面 處理， 用 處理 后 的 碳 纖維 與 環(huán) 氧 樹脂 制備 成復 合材料 。力學性能測試表明，經(jīng)濃硝酸 90min處理后復合材料達到了較好的力學性能， 彎曲 強 度 和 模 量 由 處理 前 的 927MPa和 59GPa提 高 到 1198MPa和 65GPa， 層 間 剪切 強 度也 由 處理 前 的 34MPa提 高 到 58MPa。 為了提高和改善飛機性能，早在 20世紀 50年代，美國空軍材料實驗室（ AFML）就開始尋求一種新型的結構材料，碳纖維復合材料正是在這種背景下被列入發(fā)展計劃。在碳纖維之前，曾經(jīng)開發(fā)過硼纖維， 1960年鎢絲芯硼纖維開始了小批量的生產(chǎn)，硼纖維直徑約 100μ m，其彈性模量達 400GPa，拉抗強度達 3800MPa；環(huán)氧增強的硼纖維（ VF≈ 60%）彈性模量達 200GPa（相對密度≈ ），是玻璃纖維復合材料的彈性模量 40GPa（相對密度≈ ）的 5倍，約是鋁合金的彈性模量 70GPa（相對密度≈ ）的 3倍。碳纖維復合材料具有優(yōu)異的綜合性能， 被看成是一種理想的航空航天結構材料，近 40年來，在航空航天領域應用得到長足的發(fā)展。 碳纖維增強樹脂基復合材料也被用于航天飛機艙門、機械臂和壓力容器等。據(jù)預測，未來 10年內，全球風能市場將保持每年 20%的增長速度，每年新增風電裝機容量將由 20xx年的 2萬 MW增加到 2017年的 MW；全球風電裝機總容量也將從 20xx年的 MW增至 2017年的 MW。 對于未來的汽車工業(yè)，碳纖維復合材料將成為汽車制造的主流材料。這種輕質化材料的汽車將改進其燃料效率，輕質化材料部件的剛性比鋼制部件高，在高風阻力下具有良好穩(wěn)定性，這一點對賽車和運動型車而言更為重要。包括車身和底盤基座等在內的大多復合材料部件采用低成本的整體成型技術，既提高了性能，又降低了成本。芳綸是一種高強度纖維，可以用 1層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 6層尼龍簾子布，不僅減輕了重量，而且摩擦阻力小、操控穩(wěn)定性好，適合高速行駛。 主要研究內容 由于超高 分子量聚乙烯熔體粘度極高 ,加工比較困難 ,限制了其的應用，超高分子量聚乙烯通過改性 ,可以改變其缺陷 ,提高了其加工流動性 ,可以達到增韌、增強、提高耐熱以及抗磨損的性能。按力學性能，可將碳纖維分成高強型（ high intensity， HT）、高模型（ high modulus， HM）和通用型（ generalpurpose， GP）等；按原料劃分，主要有纖維素基（以粘膠纖維為主）、聚丙烯腈基、瀝青基及酚醛樹脂基等幾種；按功能分類，有受力結構用碳纖維、活性碳纖維、導電碳纖維、耐燃碳纖維及耐磨碳纖 維等。1959年，美國聯(lián)合碳化物公司（ Union Carbon Corp）研究出了人造絲為原料，通過控制熱解制造碳纖維，用與上述類似的工藝制造碳纖維。 碳纖維的性能優(yōu)異，其抗拉強度和模量分別可達 24GPa 和 400700GPa，還具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、抗化學腐蝕、低電阻、低膨脹、高熱導和耐化學輻射等優(yōu)點。因此在碳纖維增強樹脂基復合材料的制備中，尤其需要注意基體與纖維的結合性能。當前主要的問題也集中對超高分子量聚乙烯進行改性 ,最迫切的改性是有關于加工流動性的研究。其沖擊強度起先隨分子量的增大而提高 ,在分子量為 150萬左右達到最大值 ,其后隨分子量的升高而逐漸下降。 （ 4）拉伸強度 由于超高分子量聚乙烯具有超拉伸取向必備的結構特征 ,所以有無可匹敵的超高拉伸強度 ,因此可通過凝膠紡絲法制得超高彈性模量和強度的纖維 , 其拉伸強度高達 3315 GPa, 拉伸彈性模量高達 100125 GPa。除了氧化性酸溶液外 ,在一定溫度和濃度范圍內能耐多種酸、堿、鹽類溶液的腐蝕。 超高分子量聚乙烯的改性 超高分子量聚乙烯通過改性 ,可以改變其缺陷 ,提高了其加工流動性 ,可以達到增韌、增強、提高耐熱以及抗磨損的性能。 改性方法 （ 1）與低、中分子量 PE共混 超高分子量聚乙烯與分子量低的 LDPE(分子量 1000～ 20xx0，以 5000～120xx為最佳 )共混可使其成型加工性獲得顯著改善，但 同時會使拉伸強度、撓曲彈性等力學性能有所下降。 （ 2）流動改進劑改性 流動改進劑促進了長鏈分子的解纏，并在大分子之間起潤滑作用，改變了大分子鏈間的 能量 傳遞，從而使得鏈段位移變得容易，改善了聚合物的流動性。 （ 4）超高分子量聚乙烯的自增強 在超高分子量聚乙烯基體中加 入超高分子量聚乙烯纖維，由于基體和纖維具有相同的化學特征，因此化學相容性好，兩組份的界面結合力強，從而可獲得機械性能優(yōu)良的復合材料。就有必要對它進行改性。 實驗方法簡述 選用高強度碳纖維作為增強材料，超高分子量聚乙烯為基體，制備 占試樣總含量 1%和 2%的碳纖維試樣，并對其 抗彎性能和拉伸性能 進行測定 和比較分析 ，研究碳纖維含量對復合材料性能的影響及碳纖維在復合材料中所起的作用 ，從而得出結論。 抗彎性能的測定 深圳新三思萬能力學試驗機。而且應力與應變成比列關系，其斜率可以表示為 E=σ /ε，稱為彈性模量。當超高分子量聚乙烯含量占復合材料的比例為 50%時，復合材料的拉伸彈性模量達到最大。 4. 添加 1%碳纖維時對超高分子量聚乙烯材料性能的影響 試驗準備 試驗材料 試驗材料有超高分子量聚乙烯，木粉，偶聯(lián)劑， 5mm 碳纖維 試驗設備 同 試驗過程 超高分子量材料的制備 本次試驗共配置四種添加 1%5mm碳纖維超高分子量聚乙烯 /木粉材料： 表 木粉和 UHMWPE配方及含量： 配方 UHMWPE 木粉 偶聯(lián)劑 5mm碳纖維 1 30% 66% 3% 1% 2 40% 56% 3% 1% 3 50% 46% 3% 1% 4 60% 36% 3% 1% 拉伸性能的測定 同 抗彎性能的測定 16 同 試驗結果與分析 試驗結果 （ 1）拉伸性能 圖 添 加 1%碳纖維時各種含量 UHMWPE復合材料拉伸彈性模量 （ 2）抗彎性能 圖 添 加 1%碳纖維時各種含量 UHMWPE復合材料抗彎彈性模量 結果分析 （ 1）觀察圖 ，我們可以得知：復合材料里添加 1%碳纖維時，當超高分子量聚乙烯含量占復合材料的比例不超過 50%時，隨著超高分子量聚乙烯含量占復合材料的比例逐漸增加，復合材料的拉伸彈性模量逐漸增大。但 當超高分子量聚乙烯含量占復合材料的比例超過 50%時，隨著超高分子量聚乙烯含量占復合材料的比例逐漸增加，復合材料的抗彎彈性模量逐漸減小。當超高分子量聚乙烯含量占復合材料的比例為 50%時，復合材料的拉伸彈性模量達到最大。 6. 試驗小結 （ 1）綜合分析圖 ，圖 ，我們發(fā)現(xiàn)： 當超高分子量聚乙烯含量占復合材料的 30%時：不加碳纖維時的復合材料拉伸彈性模量為 ,添加 1%的碳纖維后復合材料的拉伸彈性模量為，添加 2%的碳纖維后復合材料的拉伸彈 性模量為 ，隨著碳纖維含量的增加，復合材料的拉伸彈性模量逐漸增大。 綜合分析圖 ，圖 ，我們發(fā)現(xiàn)： 當超高分子量聚乙烯含量占復合材 料的 30%時：不加碳纖維時的復合材料彎彈性模量為 ,添加 1%的碳纖維后復合材料的抗彎彈性模量為，添加 2%的碳纖維后復合材料的抗彎彈性模量 ，隨著碳纖維含量的增加，復合材料的抗彎彈性模量逐漸增大。 7. 試驗數(shù)據(jù)分析 拉伸數(shù)據(jù)圖 圖 30%UHMWPE 不同含量碳纖維材料拉伸力學性能 21