第十二屆新型碳材料學術研討會
本文關鍵詞：新型炭材料，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
篇一：新型碳材料的發(fā)展及應用
新型碳材料的發(fā)展及簡介
The development trend of Several Kinds of New Carbon
Materials and Introduction
摘要 碳是世界上含量及廣的一種元素。碳材料在人類發(fā)展史上起著主導的行的作用，應用最為出眾的一次就是第二次工業(yè)革命�，F(xiàn)代對碳材料了的開發(fā)及幾種新型的碳材料--碳納米管、碳纖維、C60、碳素系功能材料。
關鍵詞 碳材料 碳納米管 碳纖維
Abstract Carbon is an element content and worldwide.Carbon materials plays a dominant role in the history of human
development,application of the most outstanding one is the second industrial revolution.Modern on carbon materials development and several kinds of new carbon materials such as C120 and carbon nanotubes,carbon fiber and carbon-related functional materials. Key words carbon materials,carbon nanotubes,carbon fiber 1 前言
碳是世界上含量及廣的一種元素。它具有多樣的電子軌道特性（SP、SP2、SP3雜化），再加之SP2的異向性而導致晶體的各向異性和其排列的各向異性，因此以碳元素為唯一構成元素的的碳材料。具有各式各樣的性質(zhì)。在歷史的發(fā)展中傳統(tǒng)的碳材料包括：木炭、竹炭、活性炭、炭黑、焦炭、天然石墨、石墨電極、炭刷、炭棒、鉛筆等。而隨著社會的發(fā)展人們不斷地對碳元素的研究又發(fā)明了許多新型炭
材料：金剛石、碳纖維、石墨層間化合物、柔性石墨、核石墨、儲能型碳材料、玻璃碳，等。其中新型納米碳材料：富勒烯、碳納米管、納米金剛石、石墨烯，等。
沒有任何元素能像碳這樣作為單一元素可形成如此多類結構和性質(zhì)不同的物質(zhì)，可以說碳材料幾乎包括了地球上所有物質(zhì)所具有的性質(zhì)，如最硬--最軟、絕緣體--半導體--超導體、絕熱-良導熱、吸光--全透光，等[1]。隨著時代的變遷和科學的進步，人們不斷地發(fā)現(xiàn)和利用碳，可以這么說人們對碳元素的開發(fā)具有無限的可能性[2]。
自1989年著名的科學雜志《Science》設置每年的“明星分子”以來，碳的兩種同素異構體“金剛石”和“C60”相繼于1990年和1991
年連續(xù)兩年獲此殊榮，1996年諾貝爾化學獎又授予發(fā)現(xiàn)C60的三位科
學家，這些事充分反映了碳元素科學的飛速發(fā)展。但是由于碳元素和碳材料具有形式和性質(zhì)的多樣性，從而決定了碳元素和碳材料人有許多不為人們知曉的未開發(fā)部分[2]。
2 國際上新型炭材料的發(fā)展趨勢
新材料的研究開發(fā)包括四方面內(nèi)容：①新材料的創(chuàng)制；②移植材料的新功能及新性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)；③已知材料的改性；④新材料創(chuàng)制和評價技術的開發(fā)[3]。近幾年人們在新材料的創(chuàng)制方面先后劃時代地發(fā)明了低溫氣相生長金剛石、C60和納米碳管；在材料新發(fā)現(xiàn)方面發(fā)現(xiàn)了石
墨的插層性質(zhì)，使鋰離子充電電池得以實用化和飛速發(fā)展；在材料改性方面提高和改進了石墨電極的性能，使之在超高電流下工作，使電爐煉鋼技術出現(xiàn)新的突破；在新材料評價技術方面也有許多進展，如
超高溫超高壓技術用于碳素新相的探索等。
日、美等發(fā)達國家一直對于碳材料的研究十分重視。由于碳材料突出的特性，美國將碳材料定為戰(zhàn)略材料之一，充分利用其巨大的國防費用和航天費用，積極進行研究與開發(fā)[4~5]。日本最近幾十年來在國際上率先在低溫氣相生長金剛石和納米碳管[6~8]等方面取得了突破性進展。為了進一步加強這方面的研究與開發(fā)，最近幾年日本政府先后實施了三個大型研究項目，即“高功能碳素系材料的研究”項目，重點研究金剛石薄膜等作為電子材料和零磨損、無油潤滑材料等；“碳材料中功能性微米和納米空間的創(chuàng)制”項目；“碳合金的創(chuàng)制”研究項目[9~11]。
3 國內(nèi)新型炭材料的發(fā)展趨勢
我國碳材料研究與生產(chǎn)起步于解放初期。在前蘇聯(lián)的援助下，首先建設了以生產(chǎn)煉鋼用石墨電極為住的吉林碳素廠和以生產(chǎn)電工用碳制品為主的哈爾濱電碳廠。六十年來我國碳素工業(yè)從無到有，有了長足的發(fā)展。我國碳材料的研究水平從整體上來說落后于美國、前蘇聯(lián)、日本和歐盟等工業(yè)國家，但遠超于韓國、印度、等國。在某些重要領域我國緊隨美，日等發(fā)達國家之后，差距并不明顯，如C/C復合材料、活性炭纖維、柔性石墨等。
我國從事碳材料研究的科研機構主要有中科院金屬所、中科院山西煤化所、中科院物理所、湖南大學、清華大學、北京大學、武漢大學、中科大、西工大、武漢鋼鐵學院、北京化工大學、天津大學、哈工大、航天總公司西安非金屬材料工藝研究所、北京材料工藝研究所
等。我國有兩個與碳材料有關的全國性學術性組織—中國電工學會碳—石墨材料專業(yè)委員會和中國金屬學會碳素材料學會。
4 當前國際幾個有關碳素的熱點領域
目前，國際上有幾個熱點領域—碳納米管、碳素功能材料、碳纖維、柔性石墨、C/C復合材料和二維石墨烯等。
4.1 碳纖維的探索與研究
碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維。其中含碳量高于99%的稱石墨纖維。
碳纖維是纖維狀的碳材料，由有機纖維原絲在1000℃以上的高溫下碳化形成，且含碳量在90%以上的高性能纖維材料。碳纖維主要具備一下特性：密度小、質(zhì)量輕、碳纖維的密度維1.5-2g/cm3，相當鋼密度1/4、鋁合金密度的1/2；強度、彈性模量高，其強度比鋼大4-5倍，彈性回復為100%；熱膨脹系數(shù)小，導熱率隨溫度的升高而下降，耐驟冷、急熱、即使從幾千攝氏度的高溫突然降到常溫也不會炸裂；摩擦系數(shù)小，并具有一定的潤滑性；導電性好，25℃時高模量碳纖維的比電阻為775Ω·cm，高強度碳纖維則為1500Ω·cm；當碳纖維
＜10%時，，電阻隨碳纖維含量的增加急劇下降；當碳纖維＞10%時，體積電阻的變化趨于平緩，電阻值的下降與碳纖維含量的增加并不成正比[12]；耐高溫和低溫性好，在3000℃非氧化氣氛下不熔化、不軟化，在液氮溫度下依舊很柔軟，也不脆化；耐酸性好，對酸成惰性，能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕。除此之外，碳纖維還具有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和使中子減速等特性。
4.2 碳素系功能材料的研究
在周期表中有以碳元素為中心的元素如B、N、Si等元素組成的材料，我們可以稱之為碳素系材料�？茖W家們逐漸發(fā)現(xiàn)碳素系材料在硬度、光學特性、耐熱性、耐輻射特性、耐化學藥品特性、電絕緣性。導電性、表面與界面特性等方面比其他材料優(yōu)異，具有廣泛的用途，如下表所示[9]：
此外碳素系材料還具有豐富的資源，廢棄后不污染環(huán)境等突出優(yōu)點，因而受到材料學界的極大重視。例如隨著金剛石、SiC等薄膜合
篇二：新型碳材料及其應用
談談新型碳材料
及其應用
談談新型碳材料及其應用
碳材料是一種古老而又年輕的材料，即有古老的產(chǎn)品也有現(xiàn)代科學技術進步所創(chuàng)新的產(chǎn)品，而新型碳材料就是由傳統(tǒng)的碳材料經(jīng)過一系列的加工工藝而制的一種新型材料。新型碳材料主要有活性炭、碳纖維、石墨烯、石墨、納米碳管、金剛石、富勒烯、其他新型碳材料。新型碳材料具有密度小、強度大、剛性好、耐高溫、抗化學腐蝕、抗輻射、抗疲勞、高導電、高導熱、耐燒蝕、熱膨脹小、生理相容性好登一系列優(yōu)異的特性，是軍民兩用的新材料，被稱為是第四類工業(yè)材料。應用于冶金、化工、機械、汽車、醫(yī)療、環(huán)保、建筑日常生活等領域。特別是航天和核工業(yè)部門不可缺少的工程結構材料。新型碳材料的發(fā)展和應用對提高軍事實力和工業(yè)產(chǎn)品是競爭力都是至關重要的，已經(jīng)成為衡量一個國家科技水平、軍事和經(jīng)濟實力是標志之一。
活性炭是被其廣泛使用的一種新型碳材料，其又稱活性炭黑，是黑色粉末狀或顆粒狀的無定形碳，活性炭主成分除了碳以外還有氧、氫等元素，活性炭在結構上由于微晶碳是不規(guī)則排列，在交叉連接之間有細孔，在活化時會產(chǎn)生碳組織缺陷，因此它是一種多孔碳，堆積密度低，比表面積大。在石化行業(yè)，活性炭在無堿脫臭乙烯脫鹽水工藝中起到了關鍵的作用；在電力行業(yè)，活性炭被用于電廠水質(zhì)處理及保護；在化工行業(yè)活性炭用于化工催化劑及載體、氣體凈化、溶劑回收、及油脂等的脫色、精制過程中；在食品行業(yè)，它被用于飲料、酒類、味精母液及食品的精制、脫色、提純、除臭，在黃金行業(yè)，在黃金提取和尾液回收起到至關重要的作用；環(huán)保行業(yè)，被用于污水處理、
廢氣及有害氣體的治理、氣體凈化，總之活性炭被其廣泛的用于各行各業(yè)中。
碳纖維是新型碳材料家族中的又一個典型代表，它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。不僅楊氏模量大，而且在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性也出類拔萃。碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。碳纖維作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，可以構成復合材料。碳纖維增強的復合材料可用作飛機結構材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業(yè)機器人、汽車板簧和驅動軸等�？傊祭w維是被廣泛用于民用，軍用，建筑，化工，工業(yè)，航天以及超級跑車領域的。
石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。在納電子器件方面，利用石墨烯加入電池電極材料中可以大大提高充電效率，并且提高電池容量；也可以應用于許多其他潛在的能源存儲領域如超級電容器、電磁炮等。石墨烯可以代替硅生產(chǎn)超級計算機；在光子傳感器、基因電子測序和隧穿勢壘材料也有重要的用途。
納米碳管，管狀的納米級石墨晶體，是單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米級管，每層的C是sp2雜化，形成六邊形平面的圓柱面。各國都加緊了碳納米管的應用研究，研制出具備良好儲氫性能的碳納米管和具備初步顯示功能的碳納米管顯
示器，并在利用其電子發(fā)射性能研制發(fā)光器件。但是由于納米碳管提純困難，使其沒有得到普及，但是在將來其可以作為超級纖維材料、高性能場發(fā)射材料、超級電容器電極材料、儲氫材料、催化劑材料被廣泛應用。
富勒烯是由任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀，或管狀結構存在的物質(zhì)。富勒烯與石墨結構類似，但石墨的結構中只有六元環(huán)，而富勒烯中可能存在五元環(huán)。富勒烯是一種新發(fā)現(xiàn)的工業(yè)材質(zhì)，在將來可以制成無金屬電線、富勒烯(非金屬)鋼筋的建筑物、富勒烯防彈背心、富勒烯汽車殼等，它也是制成非線性光學器件、光導體、超導材料的重要材料，也可以制成抗癌藥物的載體、高效催化劑和富勒烯氫化物電池等。
新型碳材料的應用是相當廣泛的，我們相信新型碳材料在未來一定會被作為相當重要的材料應用于各行各業(yè)中，新型碳材料的發(fā)展前景也將是不可估量的，在未來，我們的生活應該是離不開新型碳材料。
篇三：新型炭材料
碳纖維增強炭基復合材料——新型碳材料
摘 要：碳纖維增強炭基復合材料是采用特殊工藝整體制成的隔熱材料，具有密度低、導熱系數(shù)小、碳含量高、節(jié)約能源、熱室環(huán)境潔凈等特點，主要適用于多晶硅、單晶硅鑄錠爐、真空高壓氣淬爐、板狀加熱體及加工各種高溫架構件的原材料。
關鍵詞：碳纖維 炭基復合材料發(fā)展前景
一、 碳纖維增強炭基復合材料
第九屆全國新型炭材料學術研討會 ，會議匯集論文 1 2 8 篇 ， 分三個分會場進行交流， 內(nèi)容涵蓋了當今新型炭材料研發(fā)的各個方面， 代表了自上屆研討會( 2 0 0 7年) 以來我國炭材料研發(fā)的最新成果。論文分為七大專題， 其分布為： 炭纖維( 9 ％) 、 多孔炭表面吸附與催化( 1 0 ％) 、 儲能材料 ( 2 0 ％) 、 炭基復合材料( 2 5 ％) 、 納米炭( 1 6 ％) 、 炭材料工業(yè)應用( 8 ％) 、 其他( 1 2 ％) 。從論文比例上看， 炭基復合材料、儲能材料和納米炭等仍是當前炭材料學科研發(fā)的重點。由此，本文將對炭基復合材料新型碳材料進行研究。
1. 碳纖維增強炭基復合材料是采用特殊工藝整體制成的隔熱材料，具有密度低、導熱系數(shù)小、碳含量高、節(jié)約能源、熱室環(huán)境潔凈等特點，主要適用于多晶硅、單晶硅鑄錠爐、真空高壓氣淬爐、板狀加熱體及加工各種高溫架構件的原材料。本項目建設年產(chǎn)200噸碳纖維增強炭基復合材料——硬質(zhì)碳氈項目，總占地面積64375平方米。
（1）創(chuàng)新點
本項目所使用的高溫純化爐是目前國內(nèi)最大單體高溫純化設備，其采用臥式單室雙開門路型，并配以氣動鎖圈自動鎖緊裝置，操作方便，工作可靠。根據(jù)使用要求，對致密化的碳纖維增強炭基復合材料進行高溫熱處理。
（2）預期目標
產(chǎn)品可廣泛應用于航天航空工業(yè)、軍事工業(yè)以及工模具行業(yè)、硬質(zhì)合金行業(yè)、粉末冶金行業(yè)、特殊及有色金屬合金的熔煉和鑄造行業(yè)，產(chǎn)品使用溫度1500—2600℃。
（3）市場分析
目前，國內(nèi)對碳/炭復合材料板材主要依靠日本、德國進口，需求逐年上升，本項目產(chǎn)品填補國內(nèi)空白，是太陽能電池、集成電路板所需高純硅生產(chǎn)過程中所必須使用的保溫材料，具有不可替代的作用，市場前景十分廣闊。
2.碳纖維是纖維狀的碳材料，其化學組成中碳元素占總質(zhì)量的90%以上。碳纖維具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能。作為高性能纖維的一種，碳纖維具有碳材料的固有特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代軍民兩用新材料，已廣泛用于航空航天、交通、體育與休閑用品、醫(yī)療、機械、紡織等鄰域。
分類：
? 按原料進行分，有粘膠基、聚丙烯腈（PAN）基、瀝青基碳纖維
? 按制造條件和方法分，有普通碳纖維、石墨碳纖維、預氧化纖維、
活性碳纖維和氣相生長碳纖維
? 按單絲數(shù)分類，有小絲束（指1~24開，1開為1000根單絲數(shù)）
和大絲束（48~540開）碳纖維
? 按力學性能分，有通用級和高性能級碳纖維
? 高性能級碳纖維
又分為中強型、高強型、超高強型碳纖維
中模型、高模型、超高模型碳纖維
不同原料的碳纖維前驅體都經(jīng)歷預氧化、
中溫碳化和高溫碳化后制得碳纖維。
PAN碳纖維制備工藝：
PAN空氣中氧化碳化 石墨化
200~300℃700~1500℃2000℃
1~2h 2~10min、Ar1~2min、Ar 表面處理 高阻抗纖維或高模量纖維
二、 炭纖維增強炭基復合材料的界面
炭纖維增強炭基（炭/炭）復合材料中的界面直接影響材料的力學、物理、抗氧化等性能。深入對炭/炭界面的研究。對于改進材料結構、提高材料性能意義重大。本文對炭/炭復合材料界面研究的意義、方法、現(xiàn)狀作了介紹，并展望了研究的趨向。
炭纖維增強炭基（炭/炭）復合材料是一類特殊組成的材料，它以炭質(zhì)材料為基體，用炭（石墨）纖維作增強體，基本化學組成為單一的碳元素。炭材料所特有的輕質(zhì)、低膨脹系數(shù)、耐燒蝕、抗熱震等優(yōu)良特性使得炭/炭復合材料在高溫、強腐蝕等苛刻工作條件下的使用成為可能。同時，經(jīng)炭纖維增強后，單純炭基體脆性易斷的缺陷得到了改善，使炭/炭材料具有較好的力學性能。目前，炭/炭材料已被廣泛應用于火箭噴管、 航天飛機機體結構、發(fā)動機高溫構件、飛機剎車盤以及醫(yī)學、文體用品等領域中。
炭/炭復合材料中炭纖維/基體炭間的界面作為連接纖維、基體兩個基本組分的橋梁，直接影響炭/炭材料的力學、熱物理及抗氧化等性能，在整個材料結構中具有特殊的地位和作用。而炭/炭復合材料制備工藝多樣，作為原材料的基體炭源和炭纖維種類繁多，這就使得不同制備工藝、不同類型炭/炭材料的微觀組成、界面結構等差異很大。正是由于炭/炭界面結構復雜多樣，人們對炭/炭界面的認識仍不很充分。本文將對炭/炭界面的研究狀況做一綜合評述。
炭/炭復合材料中的界面
1、界面的定義
從晶體幾何學的觀點看，界面是三維晶格周期性排列從一種規(guī)律轉變?yōu)榱硪环N規(guī)律的幾何分界面。而在物理學中，則將界面定義為兩個塊體相之間的過渡區(qū)。這個過渡區(qū)可以是一個或多個原子層，其厚度隨材料種類不同而異。
復合材料的界面是增強相和基體連接的橋梁，是應力和其他信息的傳遞者。因此，復合材料的界面在很大程度上影響著材料的性能。
2、炭/炭復合材料中的界面
炭/炭復合材料的原料種類繁多，制備工藝復雜多樣，這使得炭/炭復合材料的結
構及其中的界面與其他材料相比更具復雜性。根據(jù)炭/炭復合材料特定的結構組成，其中的界面可分為以下幾種類型。
（1）同一纖維束中的纖維/基體界面
（2）不同取向纖維束在交叉部分的界面
（3）取向相同 （互有接觸 ）纖維束間的界面
（4）不同編織層間的界面
（5）纖維束與基體間的界面
（6）基體中不同前驅體層或浸滲/炭化層間界面。
嚴格說來，以上各界面中只有纖維/基體和基體/基體兩種物理界面。然而以上劃分的各種界面由于在材料結構中所處的地位不同，傳遞的力學信息不同，對材料性能也有著不同的影響。
例如，當材料被彎曲破壞時，層間界面是整個結構中的薄弱環(huán)節(jié)，斷裂往往在該處發(fā)生界面結合狀況直接影響材料的強度。材料破壞發(fā)生在不同類型的界面時，材料的破壞方式也可能被改變。有研究表明，一種二維編織的炭/炭材料被彎曲破壞時，由于層間界面發(fā)生剝離而造成災難性的脆性斷裂。但當這種材料在一定程度上被氧化后，其斷裂方式由脆性變成了假塑性。造成這一改變的原因是：材料發(fā)生氧化時，纖維束內(nèi)的纖維 /基體界面優(yōu)先被侵襲、削弱，使得斷裂裂紋穿過纖維束擴散要比沿層間界面擴散更容易些，從而避免了災難性的層間斷裂。 炭/炭復合材料界面研究的意義
炭/炭復合材料的性能是由炭纖維、基體和纖維/基體界面所決定的。界面的作用是將施于炭/炭材料的外加應力從基體傳遞到作為增強體的炭纖維。炭/炭復合材料中用作增強體的炭纖維具有優(yōu)異的機械性能，但人們還遠未能使其在炭/炭復合材料中的作用得到充分的發(fā)揮。炭/炭復合材料設計主要考慮的機械性能包括拉伸、壓縮、剪切、橫向拉伸強度等。因為要顧及彎曲強度、斷裂韌性、層間剪切強度等，實際應用中炭纖維的拉伸強度只發(fā)揮出20%---60%。也就是說在拉伸與彎曲性能上存在著難以兼顧的矛盾，反映在材料結構上就是界面的結合不能太強也不能過弱。如果纖維與基體形成牢固結合，那么在高溫處理過程中，因纖維與基體在熱力學性能上存在差異，會在界面附近形成殘余應力，并產(chǎn)生裂紋，使材料易于發(fā)生脆性斷裂 ；纖維與基體呈較弱結合時，將發(fā)生纖維拔出的假塑性斷裂的。
可見，對炭/炭界面作深入研究，實現(xiàn)炭/炭材料界面的優(yōu)化設計，對于提高材料的綜合性能將有重要意義。
炭/炭界面的常用表征與研究方法
1、界面的表征
界面是由兩相的表面層及兩相間相互作用深入到兩相內(nèi)部一定范圍的區(qū)域組成。復合材料界面的常用表征方法有：
（1）界面層的密度、厚度與形貌 ；
（2）界面層的化學表征 （化學組成、形態(tài)、分布等）；
（3）增強相的表面狀態(tài) ；
（4）界面層的殘余應力 ；
（5）界面的力學性質(zhì) （粘結性能、摩擦系數(shù)）。
由于炭/炭復合材料的組成、結構具有特殊性，炭/炭界面特性的測定比較困難。目前，炭/炭界面的微觀研究多集中在界面組成的分析及形貌觀察上，如曾漢民、彭維周等利用透射電鏡 （TEM）、掃描電鏡 （SEM）等研究手段對 v?炭/炭復合
材料的界面結構作了較為細致的研究，提出了在炭纖維與熱解炭、瀝青炭間的界面上存在“釘扎結構”，“誘導結構”等觀點，J·Jo/tne/等則從不同角度，如界面的構成、基體與纖維結合的取向等，對炭/炭界面進行了分類。
2、常用研究手段
界面微觀研究常用的設備、方法有：光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、高分辨電鏡（H/TEM）、掃描透射電子顯微鏡（STEM）、X射線能譜分析 （EDS）、電子能量損失譜（EELS）、X射線光電子能譜（XPS）、選區(qū)電子衍射分析（SAD）等。
纖維/基體界面結合狀況及其對炭/炭材料力學性能的影響
炭/炭復合材料中炭纖維與基體炭的結合主要有化學鍵合、機械嚙合及摩擦等幾種作用方式。界面的結合情況則因纖維、基體的理化性質(zhì)及材料制成工藝等的不同而異，并由此對材料的力學性能產(chǎn)生不同的影響。根據(jù)炭纖維與基體炭結合力的大小可將纖維/基體界面分為強結合、弱結合及中強結合幾種情況。
1、纖維/基體強結合
纖維與基體間結合力很強，材料承受外力時，在界面上不發(fā)生滑移或解離。材料的韌性較差，易發(fā)生脆性斷裂。這是因為在炭化處理過程中，由于纖維與基體間存在著熱失配，在結合緊
密的界面處容易產(chǎn)生殘余應力、熱解裂紋，并使纖維受到破壞，從而降低材料的強度。一般說來，經(jīng)表面增活處理（硝酸浸煮、氧等離子噴涂等）的纖維易于與基體形成強結合
2、纖維/基體弱結合
炭纖維表面活性較差，與基體的結合很弱，外加應力基本無法通過界面?zhèn)鬟f到纖維。材料破壞時發(fā)生整個纖維束的拔出，炭纖維增強相的作用未能得到發(fā)揮。炭纖維在惰性氣氛中處理后，易與基體形成弱結合。
3、纖維/基體中強結合
結合程度介于前兩種情況之間，其破壞方式為部分纖維拔出的假塑性斷裂。材料具有較好的斷裂韌性和較高的強度。這是因為，一方面界面結合力較強，應力可以由基體傳遞到纖維，使炭纖維的優(yōu)異力學性能得到發(fā)揮；另一方面，界面結合力不是特別強，熱解裂紋延伸到界面時，可以產(chǎn)生裂紋分支，繞過炭纖維，使纖維不致受損。
改變纖維/基體界面結合強度的方法
1、控制熱處理溫度
測定熱處理溫度不同的某種樹脂基單向炭/炭復合材料的力學性能，得到曲線如圖 1，當熱處理溫度逐漸上升到1100℃時，材料強度下降到一個極小值。1100℃實際上可以認為是炭化結束溫度，在這一溫度下基體由高應變 )斷裂的聚合物轉化為低應變 )斷裂的脆性物質(zhì)（即炭）�；w與纖維結合緊密，材料受力破壞時，基體中產(chǎn)生的裂紋會切斷纖維繼續(xù)擴展，而使材料強度大幅下降，材料的破壞稱為基體控制斷裂。
隨熱處理溫度繼續(xù)提高，材料的強度也逐漸增大，并在2100℃左右獲得一個極大值。在這一階段纖維 /基體的結合變?nèi)�，使裂紋在界面處沿纖維擴展成為可能。這時材料的破壞成為（纖維、基體）混合式破壞。隨溫度繼續(xù)升高材料的強度下降，這時纖維 /基體的結合變得很弱，容易發(fā)生纖維與基體的分離而使纖維的增強作用被大大削弱。這一階段稱為纖維控制破壞。
可見，改變熱處理溫度，材料的強度值及破壞方式都會發(fā)生較大變化。
2、對炭纖維進行表面處理
對炭纖維作表面處理，即通過改變炭纖維表面活性來改變纖維 /基體的結合程度，會對材料的斷裂行為及強度產(chǎn)生影響，一般可分為兩種情況。
2.1增加炭纖維的表面活性
對炭纖維做硝酸浸煮、氧等離子噴涂等表面處理可以增加炭纖維的表面活性。在熱處理過程中，經(jīng)表面激活的炭纖維表面將引入一些活性基團，它們易于與基體炭形成化學鍵合，從而使纖維/基體的結合力增強。但在一定程度上，這會使材料的脆性增大，容易發(fā)生災難性斷裂。
2.2降低炭纖維的表面活性
有研究表明，在炭纖維表面涂覆上一層炭層會使纖維的表面活性降低，纖維/基體的結合減弱。產(chǎn)生于基體內(nèi)的裂紋容易在纖維 /基體界面處形成裂紋分支，從而增加材料的斷裂韌性。而且通過改變涂層的成分、厚薄等條件可以使材料的性能在一定范圍內(nèi)得到調(diào)節(jié)。
優(yōu)化炭/炭界面的幾種思路
炭/炭復合材料中炭纖維與基體結合失配在很大程度上局限了炭 /炭材料性能的進一步提高。而炭/炭材料中界面結構組成的復雜多樣又使得對炭 /炭界面的研究仍難盡人意。關于如何優(yōu)化炭 /炭界面，人們提出了幾種設想：
（1）纖維與基體的適度粘結。即適當選擇基體前驅體、炭纖維及熱處理溫度，使炭纖維與基體形成中等強度的粘結，從而獲得比較理想的結構性能。
（2）纖維與基體不是通過粘結力結合在一起，而是由基體對纖維施加一個很大的壓應力。
這會減少纖維拔出，并使載荷通過界面?zhèn)鬟f給炭纖維的狀況得到改善。同時又避免了因纖維、基體熱失配而在熱處理過程中形成缺陷。
（3）對纖維作適當?shù)慕g處理，改變其表面形貌，增大纖維表面的摩擦系數(shù)，使纖維與基體形成某種程度的機械嚙合。
（4）研究相關動植物機體中纖維 /基體的結合狀況用于炭 /炭材料的仿生設計。比如自然界中存在著螺旋狀、環(huán)形非直線型纖維，如采用這種形狀的纖維作增強體，可使纖維 /基體的接觸面積增大，結合程度得到改善。
小結
作為炭 /炭復合材料中的一個重要組分，炭/炭界面的結構組成、結合強度直接影響材料的力學、熱處理、抗氧化等各種性能。炭/炭復合材料結構的復雜性和特殊性使得人們對炭 /炭界面的認識與表征受到局限。目前炭 /炭界面的研究，多集中在纖維 /基體的結合情況以及界面附近的斷裂破壞等方面，總的說來仍不很充分。有學者提出了一些進一步優(yōu)化炭 /炭界面的新思路，如 }纖維/基體適度粘結、纖維/基體通過壓應力結合、纖維/基體機械嚙合及炭 /炭界面結構的仿生設計等，其可行性尚需驗證。
三、 碳纖維發(fā)展前景無限
碳纖維的應用十分廣泛。目前，碳纖維除了應用于傳統(tǒng)的航空航天和軍工等領域外，在新型紡織機械、碳纖維復合芯電纜、油田鉆探、風力發(fā)電葉片、核電、醫(yī)療器械、汽車構件、建筑補強材料、文體用品等領域也都有應用。
據(jù)中投顧問產(chǎn)業(yè)研究中心相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)在世界碳纖維的需求量每年的增長速度約為13％，預計到2018年，世界聚丙烯腈基碳纖維的需求量將可能
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