環氧樹脂(EP)/碳纖維(CF)復合材料是CF增強復合材料的一個重要分支。近年來，隨著人們對EP/CF復合材料認識的不斷深入，其優異的性能不斷凸現，促使其用量不斷上升。20世紀70年代以前，EP/CF復合材料被視為昂貴的材料，價格約為玻璃纖維(GF)增強復合材料的10倍，只用于軍工、宇航等尖端技術行業。20世紀80年代以后，CF工業和EP工業迅速發展，EP/CF復合技術不斷進步，加入到EP中的CF比例不斷上升，目前CF的體積分數已可達60%以上，使EP/CF復合材料的質量提高而價格下降，拓寬了其應用領域，進一步促進了EP/CF復合材料的發展。
1 CF及其EP復合材料的基本特點
1.1 CF的特點和基本成分
CF主要是由碳元素組成，其含碳量一般在90%以上。CP具有耐高溫、耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性，與一般碳素材料不同的是，其各向異性顯著，柔軟，可加工成各種織物，沿纖維軸向表現出很高的強度。制備CF的主要原材料有人造絲(粘膠纖維)、聚丙烯腈(PAN)纖維和瀝青等。通常制備高強度、高模量CF多選用PAN為原料。制備CF需經過拉絲、牽伸、穩定、炭化、石墨化5個階段。 copyright 123456
1.2 EP基體的作用
EP具有優良的加工性能和力學性能，其固化收縮率低，粘結性能優異。復合材料中EP的主要作用是把CF粘在一起，分配CF間的載荷，保護CF不受環境影響。
1.3 EP/CF復合材料的特性
EP/CF復合材料的特性主要取決于CF、EP及EP與CF之間的粘結特性。EP/CF復合材料具有優異的性能，與鋼相比，EP/CF復合材料的比強度為鋼的4.8-7.2倍，比模量為鋼的3.1-4.2倍，疲勞強度約為鋼的2.5倍、鋁的3.3倍，而且高溫性能好，工作溫度達400℃時其強度與模量基本保持不變。此外還具有密度和線膨脹系數小、耐腐蝕、抗蠕變、整體性好、抗分層、抗沖擊等，在現有結構材料中，其比強度、比模量綜合指標最高。在加工成型過程中EP/CF復合材料具有易大面積整體成型、成型穩定等獨特的優點。
2 EP/CF復合材料的成型工藝
2.1 手糊成型
手糊成型是依次在模具型腔表面涂布或鋪迭脫模劑、膠衣、粘度適中的EP(膠衣凝膠后涂覆)和CF，手持輥子或刷子使EP浸漬CP，并驅除氣泡，壓實基層。鋪層操作反復多次，直到達到制品的設計厚度。該工藝的主要優點是可室溫成型，設備投資少，模具折舊費低；可制造大型制品。主要缺點是屬于勞動密集型生產，制品質量由工人技術熟練程度決定；手糊用樹脂分子量低，通?？赡茌^分子量高的樹脂有害于人的健康和安全。

2.2 樹脂傳遞成型
將CF置于上下模之間，合模并將模具夾緊，在壓力條件下注射EP，EP固化后打開模具，取下制品。必須保證EP在凝膠前充滿型腔，壓力促使EP快速傳遞到模具內并浸漬CF。該工藝為低壓成型工藝，EP注塑壓力為0.4-0.5MPa，當制造高CF含量(體積分數超過50%)的制品時壓力甚至可達0.7MPa。有時可預先將CF在一個模具內預成型(帶粘結劑)，再在第二個模具內注射成型。為了提高EP浸漬CP的能力，可選擇真空輔助注射。當EP一旦將CF浸透，要將EP注入口封閉，以使樹脂固化。注射與固化可在室溫或加熱條件下進行。模具可以用復合材料與鋼材料制作。若采用加熱工藝，宜用鋼模。該法的主要優點是復合材料中CF含量可較高，未被EP浸潤的CF非常少；閉模成型，成型周期較短，生產環境好，生產成本較低；制品可大型化，強度可設計。主要缺點是不易制作較小制品，因要承壓，故模具較手糊與噴射工藝用模具要笨重和復雜。 copyright 123456
2.3 真空袋法成型
此法是手糊法與噴射法的延伸。將手糊或噴射好的積層在EP的A階段與模具在一起，在積層上覆以真空袋，周邊密封，然后用真空泵抽真空；使積層受到不大于101kPa的壓力而被壓實、成型。該法的主要優點是采用普通濕法鋪層技術，通?？色@得高CF含量的復合材料；EP可較好地浸漬CF。主要缺點是額外的工藝過程增加了勞動力和成本，并且要求操作人員有較高的技術水平；生產效率不高。
2.4 樹脂膜熔浸成型
將CF與EP片交替鋪放在模具內。用真空袋包覆鋪層，使用真空泵抽真空，將空氣抽出。然后加熱使EP熔化并浸漬CF，然后經過適當的時間使EP固化。該法的主要優點是復合材料的空隙率低，可精確獲得高的CF含量；鋪層清潔，有利于健康和安全，并且生產成本低。主要缺點是目前僅用于宇航工業，還未獲得大規模的推廣；模具要求能經受EP膜片的工藝溫度。

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2.5 預浸料成型
預先在加熱、加壓或使用溶劑的條件下，用EP預浸漬CF。預浸料在環境溫度下貯存一段時間后仍能保質使用，當要延長保質期時須在冷凍條件下貯存材料。樹脂通常在環境溫度下呈臨界固態，故觸摸預浸料時有輕微的粘附感。預浸料用手工或機械鋪于模具表面，通過真空袋抽真空，放入熱壓罐中成型。通常加熱使樹脂重新流動，最終固化。該法的主要優點是可精確地調整EP/固化劑配比和EP在CF中的含量，得到高含量CF；由于制造過程采用可滲透的高粘度樹脂，樹脂化學性能、力學性能和熱性能是最適宜的。主要缺點是熱壓罐固化復合材料制品的耗費大、作業慢、制品尺寸受限制；模具需能承受作業溫度并且生產成本較高。
2.6 低溫固化預浸抖成型
該工藝完全按預浸料方法制備，EP的化學性質使其得以在肋-100℃固化。在60℃時，材料可操作保質期可小于1個星期也可延長到幾個月。樹脂體系的流動截面適于采用真空袋壓力，避免采用熱壓罐。該法除具有傳統預浸料成型的優點外，因為僅需真空袋壓力，固化溫度低，模具材料較便宜且能耗低，采用簡單的熱空氣循環加熱室便可容易地制造大型結構。主要缺點是復合材料成本仍高于預浸織物；模具需能經受高于環境溫度的溫度；因需高于環境溫度固化故仍有能耗。

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2.7 拉擠成型
該工藝是指將浸漬了EP的連續CF經加熱模拉出形成預定截面型材的過程。程序是：①使CF增強材料浸漬樹脂；②CF預成型后進入加熱模具內，進一步浸漬、基體樹脂固化、復合材料定型；③將型材按要求長度切斷。該工藝中，EP浸漬CF有兩種方式：其一為膠槽浸漬法。即將增強材料通過樹脂槽浸膠，然后進入模具，通常采用此法；其二為注入浸漬法。GF增強材料進入模具后，被注入模具內的樹脂所浸漬。該法的主要優點是制造速度快，拉擠成型材料的利用率為95%(手糊成型材料的利用率僅為75%)；樹脂含量可精確控制；由于纖維呈縱向，且體積分數可較高(40%-80%)，因而型材軸向結構特性可非常好。主要缺點是模具費用較高；一般限于生產恒定橫截面的制品。
3 EP/CF復合材料的應用
3.1 飛行器的輕型化
美國從F-14、F-15戰斗機就開始采用EP/CF復合材料，以降低結構質量，提高推力，復合材料占總結構質量的2%-3%。F-18戰斗機中先進復合材料已占總結構質量的10.3%，包括水平尾翼、方向舵、垂直穩定板、減速板等，由F-14和F-15的次承力結構材料逐步向主承力結構材料過渡。F-22戰斗機中復合材料的用量已達到24%，新一代直升飛機的復合材料用量高達65%-80%。用樹脂基復合材料來代替金屬材料制造飛機零部件，可使零部件質量減輕25%-50%，先進復合材料在飛機上的用量及其性能水平已成為飛機先進性的重要考核指標之一。以復合材料在飛機發動機中的應用為代表，美國通用電器-飛機發動機事業集團公司(GE-AEBG)和普惠公司等噴氣發動機制造公司，以及其它一些二次承包公司都在用高性能復合材料取代金屬制造飛機發動機零部件。如發動機艙系統的緊推力反向器、風扇罩、風扇出風道導流片等都用復合材料制造。如發動機進口氣罩的外殼是用美國聚合物公司的EP/CF預浸料(E707A)疊鋪而成，它具有耐177℃高溫的熱氧化穩定性，且表面光滑如鏡面，有利于形成層流。又如FW4000型發動機有80個耐149℃高溫的空氣噴口導流片也是用EP/CF預浸料制造的。

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3.2 輕型機槍槍架
在輕型自動武器的研制過程中，需要實現的極其重要的戰術技術指標是大幅度減輕武器系統的質量，提高武器的機動性，同時保證輕武器的射彈散布精度，尤其是連發射擊精度，以滿足現代戰爭對輕武器的戰技指標要求。目前，我國在這方面做了大量的工作，已初見成效。如7.62mm重機槍已由53式的40.4kg減輕到67式的15.5kg；12.7mm大口徑高射機槍已由原來的180kg減至W85式的40kg，從而大大緩解了武器威力與機動性之間的矛盾，改善了武器系統的戰術使用性能。
目前使用的12.7mm大口徑機槍仍較笨重，特別是槍架較重，而要實現大口徑機槍輕量化，提高其機動性，主要靠采用新材料取代傳統材料以及改進槍架結構等措施來實現。利用EP/CF復合材料的高比強度、高彈性模量、高阻尼，以及吸振性好、材料性能的可設計自由度大等特點，可以設計出新型大口徑機槍槍架，既能保持原有機槍的結構動力學特性，又可大幅度減輕質量，獲得了良好的使用效果，從而開辟了樹脂基復合材料在大口徑機槍槍架上應用的新途徑。 123,123
3.3 新型連續抽油桿
有桿泵抽油是當前國內外應用最廣泛的機械采油技術，抽油桿是有桿泵系統中的關鍵部件，也是其中最薄弱的環節。因為抽油桿在工作過程中要承受交變載荷、振動載荷、沖擊載荷以及與油管之間的摩擦等多種載荷作用，而且還要經受工作介質中的酸、堿、鹽及沙礫的腐蝕與磨礪，工況十分惡劣。抽油桿失效常會引起油井事故。目前廣泛使用的常規鋼制抽油桿需要大量接箍連接起來才能使用，這些接箍在使用過程中與油管磨損嚴重，常常發生脫扣甚至斷裂，同時接箍會引起活塞效應，加大了運行阻力。此外，鋼制抽油桿密度大，對抽油機提升載荷要求高，而且能耗高。常規抽油桿尤其不能滿足深井采油的需要。CF具有高強度、高模量、質輕和耐腐蝕的特點，且價格穩步下降，是制備新型連續抽油桿的理想材料。以CF增強EP為主要原材料，采用拉擠成型工藝制備的新型連續抽油桿具有連續無接箍、橫截面小和質輕等優點，完全克服了常規鋼制抽油桿的缺點。

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3.4 高精度天線
隨著我國通訊業的發展，通信衛星日益顯示出其重要地位。通信衛星上的通訊天線系統是其關鍵設備，為了提高通信衛星信號的收發效率，減少信號損失，對衛星天線的制造精度要求很高。衛星天線暴露在環境中，天線材料和天線結構必須經受住空間環境的考驗。CF復合材料因其極小的線脹系數，彈性模量與密度、線脹系數之積的比值遠高于金屬材料，而被天線專家們譽為理想的天線結構材料。復合材料天線反射體的結構形式有夾層結構、薄板(殼)結構兩種。夾層結鉤天線是以一定厚度的內外蒙皮與輕質的蜂窩或泡沫材料為夾芯而形成截面較厚的均質結構，其特點是質輕、剛性好，有較好的抵御應力變形的能力，是保障天線型面精度的較佳結構形式，故多為天線設計者所采用。由于CF復合材料的比強度和比模量都很高，用其制備薄板式天線，強度、剛性遠比鋁質天線高，且薄板式結構的天線面板薄、導熱快，陽光不均勻照射所造成的面、背和側的溫度梯度小，熱應力變形小，更有利于惡劣環境下型面精度的保持。因此，薄板式結構也不失為拋物面天線的一種良好的結構形式。

目前星載天線的結構材料已被CF復合材料一統天下。地面各種口徑的毫米波、亞毫米波的高精度、高穩定性CF復合材料拋物面天線已在世界工業發達國家成功應用。CF復合材料及其應用技術的研究已引起高精度拋物CF復合材料天線結構設計及成型工藝的一場變革。電子工業部第三十九研究所研制了低膨脹、高居里溫度的精密合金模具材料和中溫固化EP體系，并采用鋪層設計和轉移法金屬化技術，最終研制出口徑為1000mm，型面精度達到0.131mm的高精度、薄板式EP/CF復合材料拋物面天線。西北電子設備研究所選擇了具有高比剛性、高比強度、低線脹系數的EP/CF復合材料，用手工鋪層、熱壓罐成型的工藝方法制得了EP/CF復合材料衛星天線肋條。經檢測表明，肋條達到設計要求，并將應用于某星載通信天線系統。
3.5 接骨板
骨折愈合是一個極其復雜的生物學過程，在影響骨折愈合的多種因素中，以骨折局部力學環境和血液供應最為重要。接骨板內固定是治療四肢長骨骨折的重要手段之一，但接骨板的植入勢必會引起骨折環境中的生物學反應，擾亂骨折愈合所必需的生物學環境。因此，接骨板對骨折局部血供和力學環境的影響成為衡量接骨板質量及設計是否合理等的重要參數。如何既保證骨折段穩定，又能使骨折端承受一定的應力刺激，同時盡可能減少接骨板植入對骨折局部血供的損害，一直是人們針對接骨板內固定研究和探索的熱點。多年來，學者們圍繞上述兩方面對接骨板的材料、生物相容性、剛度、設計等進行了許多新的探索和嘗試，并將一些成功的結果應用于臨床，收到了滿意的效果。 內容來自123456
接骨板固定后，在固定骨段發生骨量喪失和骨結構紊亂及骨力學性能下降的原因，目前看法尚不統一，可以歸納為3種：一是應力遮擋，即由于鋼板彈性模量明顯高于骨質，使內固定段骨長期得不到生理應力刺激而發生骨結構改變；二是血運破壞，包括鋼板壓迫手術致軟組織骨膜損傷；三是預應力，即在鋼板螺釘固定后，骨內產生與骨干長軸方向不同的應力。但不論哪種理論，均與鋼板的剛性，鋼板與骨干表面的接觸面積和固定時間有關。采用EP/CF接骨板具有與骨彈性模量相似的特點，骨折固定后可以在骨折端產生微量活動，以刺激周圍骨痂形成使骨折得到堅強的Ⅱ期愈合。
3.6 風電葉片
潔凈能源是全世界關心的問題，風力發電則是重要的潔凈能源之一。據估計2020年世界發電總量中，風力發電要占12%。世界風力發電進展迅速，這也為用于風力發電裝置的復合材料提供了廣闊市場。 123456
風力發電裝置關鍵、核心的部分是轉子葉片，葉片的設計及其采用的材料決定著風力發電裝置的性能和功率，也決定著其電力成本及價格。復合材料在風力發電上的應用，實際上主要是在風力發電轉子葉片上的應用。風力發電轉子葉片占風力發電整個裝置成本的15%-20%，制造葉片的材料、工藝對其成本有決定性影響。因此，材料的選擇、制備工藝的優化對風力發電轉子葉片十分重要。風力發電轉子葉片材料根據葉片長度不同而選用不同的復合材料，目前最普遍采用的是聚酯樹脂/GF、EP/GF和EP/CF。隨葉片長度的增加，要求提高材料的性能，以減輕葉片的質量。同樣是34m長的葉片，采用EP/CF比用聚酯樹脂/GF質量降低34%。因此，葉片材料發展的趨勢是采用EP/纖維復合材料，特別是隨功率的增大、葉片長度的增加，更要求采用EP/CF復合材料。由于風力發電單位成本隨風力發電的單機功率的增大而降低，目前世界風力發電進一步向大功率、長葉片方向發展，除了要求提高材料的性能，對轉子葉片也不斷提出更新設計要求，進而又對材料提出新要求。因此，EP/CF復合材料在風力發電上的應用必將不斷擴大。
3.7 導電復合材料
導電材料由電絕緣性能較好的合成樹脂和具有優良導電性能的填料及其它添加劑通過混煉造粒，并采用注射成型、擠壓成型等方法制得。其具有防止帶電、除去靜電等用途，廣泛用于半導體材料、抗靜電材料、導電性材料等領域。其分為結構型和填充型兩種導電材料。填充型導電材料因加工簡單、成本低而得以迅速發展。
CF與其它導電填料相比，具有密度小、力學性能好、導電性能持久等優點。CF的電磁屏蔽性能主要源于自身良好的導電性，其電導率隨熱處理溫度的升高而增大，因此高溫處理下得到的CF的導電率已逐步接近導體，具有較高的電磁屏蔽性能，如經高溫處理后的PAN/EP/CF復合材料在頻率500MHz時其屏蔽效果可達37dB。
4 結語
性能優異的EP/CF復合材料已經獲得了廣泛的應用。隨著CF制備技術、CF表面處理技術的進一步發展以及EP制備工藝和固化技術的迅速發展，EP/CF復合材料的綜合性能還將會得到提高。隨著EP/CF成型新工藝的不斷研究和開發，采用環保、簡便、快捷且價廉的成型工藝，生產性價比更高的EP/CF制品，將會極大地推動EP?CF復合材料的發展，并有效地拓寬EP/CF復合材料的應用領域。