1.1.1  復合材料定義
 

       復合材料，是指把兩種以上宏觀上不同的材料，合理地進行復合而制得的一種材料，目的是通過復合材料來提高單一材料所不能發(fā)揮的各種特性。 
 

1.1.2  EP/CF復合材料的應(yīng)用
 

       環(huán)氧樹脂（EP）/碳纖維（CF）復合材料具有比強度、比模量高，密度小，結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定，耐熱、耐低溫及材料性能可設(shè)計等優(yōu)點，其既可以作為結(jié)構(gòu)材料承載又可以作為功能材料發(fā)揮作用，已成為航空航天領(lǐng)域的首選材料。
 

1.2  雙酚A型環(huán)氧樹脂
 

1.2.1  雙酚A型環(huán)氧樹脂的定義
 

      雙酚A型環(huán)氧樹脂是由環(huán)氧氯丙烷與雙酚A（二酚基丙烷）在堿性催化劑作用下反應(yīng)而生成的產(chǎn)物， 
 

1.2.2  雙酚A型環(huán)氧樹脂的固化原理
 

       在環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)中有羥基（〉CH—OH）、醚基（—O—）和極為活潑的環(huán)氧基存在，羥基和醚基有高度的極性，使環(huán)氧分子與相鄰界面產(chǎn)生了較強的分子間作用力，而環(huán)氧基團則與介質(zhì)表面（特別是金屬表面）的游離鍵起反應(yīng)，形成化學鍵。因而，環(huán)氧樹脂具有很高的黏合力，用途很廣，商業(yè)上被稱作“萬能膠“。此外，環(huán)氧樹脂還可做涂料、澆鑄、浸漬及模具等用途。但是，環(huán)氧樹脂在未固化前是呈熱塑性的線型結(jié)構(gòu)，使用時必須加入固化劑，固化劑與環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基等反應(yīng)，變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子 ，成為不溶且不熔的熱固性成品。環(huán)氧樹脂在固化前相對分子質(zhì)量都不高，只有通過固化才能形成體形高分子。環(huán)氧樹脂的固化要借助固化劑，固化劑的種類很多，主要有多元胺和多元酸，他們的分子中都含有活波氫原子，其中用得最多的是液態(tài)多元胺類，如二亞乙基三胺和三乙胺等。環(huán)氧樹脂在室溫下固化時，還常常需要加些促進劑（如多元硫醇），已達到快速固化的效果。 固化劑的選擇與環(huán)氧樹脂的固化溫度有關(guān)，在通常溫度下固化一般用多元胺和多元硫胺等，而在較高溫度下固化一般選用酸酐和多元酸為固化劑。不同的固化劑，其交聯(lián)反應(yīng)也不同。
 

1.2.3  雙酚A型環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)
 

雙酚A型環(huán)氧樹脂的大分子結(jié)構(gòu)具有的特征有：

     1)大分子的兩端是反應(yīng)能力很強的環(huán)氧基 ；

     2)分子主鏈上有許多醚鍵，是一種線型聚醚結(jié)構(gòu) ；

     3)n值較大的樹脂分子鏈上有規(guī)律地、相距較遠地出現(xiàn)許多仲羥基，可以看成是一種長鏈多元醇 ；

     4)主鏈上還有大量苯環(huán)、次甲基和異丙基。

     1)環(huán)氧基和羥基賦予樹脂反應(yīng)性，使樹脂固化物具有很強的內(nèi)聚力和粘接力； 

     2)醚鍵和羥基是極性基團，有助于提高浸潤性和粘附力； 

     3)醚鍵和C-C鍵使大分子具有柔順性； 

     4)苯環(huán)賦予聚合物以耐熱性和剛性； 

     5)異丙基也賦與大分子一定的剛性； 

     6)-C-O-鍵的鍵能高，從而提高了耐堿性。
 

1.3  環(huán)氧樹脂固化劑
 

1.3.1  環(huán)氧樹脂固化劑的定義
 

       環(huán)氧樹脂固化劑是與環(huán)氧樹脂發(fā)生化學反應(yīng)，形成網(wǎng)狀立體聚合物，把復合材料骨材包絡(luò)在網(wǎng)狀體之中。使線型樹脂變成堅韌的體型固體的添加劑。包括多種類型。
 

1.3.4  低分子聚酰胺樹脂（型號650）
 

1.3.4.1  低分子聚酰胺樹脂的性狀
 

1.4  碳纖維
 

1.4.1  碳纖維概述
 

       碳纖維(Carbon Fibre，CF)是一種耐高溫、抗拉強度高、彈性模量大、質(zhì)輕的纖維狀材料。它是由有機纖維通過一系列階段性的熱處理碳化而制成的。
 

       碳纖維是將原料纖維在一定的張力、溫度下,經(jīng)過一定時間的預(yù)氧化、炭化和石墨化處理等過程制成的。炭化和石墨化都是在氮氣中進行的，炭化反應(yīng)是使非碳元素借分子間交鏈反應(yīng)揮發(fā)出來。在熱處理過程中，大量氣體揮發(fā)后形成更多的石墨層狀結(jié)構(gòu)，強度增大，模量增加，導電性也提高。纖維先由白色變?yōu)辄S色，繼而呈棕黃色，最后變?yōu)楹谏?br />  

       碳纖維屬于過渡形式碳，其微結(jié)構(gòu)基本類似石墨，但層面的排列并不規(guī)整，屬于亂層結(jié)構(gòu)。隨著熱處理溫度的升高，碳纖維的結(jié)構(gòu)逐步向多晶石墨轉(zhuǎn)化。微晶是碳纖維微結(jié)構(gòu)的基本單位。構(gòu)成多晶結(jié)構(gòu)的基元是六角形芳環(huán)的層晶格，石墨片層就是由層晶格組成的層平面。原纖以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在，它是由帶狀的石墨層片組成的微原纖構(gòu)成的。原纖之間的界面方向錯亂復雜，并且有長而窄的間隙存在。隨著溫度的升高，原纖沿纖維軸取向排列。溫度越高，張力越大，擇優(yōu)取向角越小，模量越高。層間距也隨溫度的升高而減小，趨近石墨的層間距(d002=0.3354nm)。纖維由二維亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維有序的石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。
 

       目前各國工業(yè)用的碳纖維原料有聚丙烯腈纖維、粘膠絲和瀝青纖維三種。聚丙烯腈基碳纖維性能好，炭化得率較高(50～60％)，因此以聚丙烯腈制造的碳纖維約占總碳纖維產(chǎn)量的95％。以粘膠絲為原料制碳纖維炭化得率只有20～30％，這種碳纖維堿金屬含量低，特別適宜作燒蝕材料。以瀝青纖維為原料時，炭化得率高達80～90％，成本最低，是正在發(fā)展的品種。
 

1.4.2  碳纖維的性能
 

       碳纖維具有和碳類似的化學性質(zhì)，在空中當達到400℃左右時會發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO2或者CO，但是當隔絕氧氣后，使用溫度可達到2000℃左右，并且溫度越高，纖維強度越大。這些特點使得碳纖維具有以下優(yōu)良的特性：
 

      ①比重輕、密度?。怀邚娏εc模量；纖維細而柔軟；耐磨、耐疲勞、減振吸能等物理機械性能優(yōu)異；

      ②耐酸堿和鹽腐蝕，可形成多孔、表面活性、吸附性強的活性碳纖維；

      ③熱膨脹系數(shù)小，導熱率高，不出現(xiàn)蓄能和過熱；高溫下尺寸穩(wěn)定性好，不燃；導電性、X射線透過性及電磁波遮蔽性良好；

      ④具有潤滑性，在熔融金屬中不沾熔，可使其復合材料磨損率降低；  

      ⑤生物相容性好，生理適應(yīng)性強。

     根據(jù)其性質(zhì)的不同又可將碳纖維分為碳纖維有高強型(HT)、通用型(GP)、高模型(HM)、高強高模型(HP)等多種規(guī)格
 

1.5  環(huán)氧樹脂/碳纖維的增強機理
 

       常規(guī)的碳纖維表面光滑，活性官能團少，表面能低，呈現(xiàn)表面化學惰性，與環(huán)氧樹脂基體浸潤性較差，復合材料界面粘合離較弱。因此，需要對碳纖維表面改性處理，提高其與基體樹脂的粘結(jié)性，進而提高復合材料的性能。經(jīng)過處理的纖維其表面石墨層面邊緣較大面積氧化，邊緣活性點數(shù)量增加，致使凹凸不平的表面更有利于與環(huán)氧樹脂基體的鍵合，使復合材料的剪切性能提高。同時，其表面能增加，顯著改善了碳纖維與基體間的浸潤性，接觸角減小，表面呈現(xiàn)親液性。另外，碳纖維經(jīng)過處理后，其表面出現(xiàn)了大量的羥基、羧基、醌類等官能團，提高了碳纖維表面的極性、增強體與環(huán)氧樹脂基體之間的潤濕性和它們的粘接程度。
 

1.6  選題的目的與研究意義
 

        選題的目的：復合材料是基體材料和增強材料復合而成的多相體系固體材料，能夠充分發(fā)揮各組分的特點和潛能；通過合理匹配及協(xié)同作用，可呈現(xiàn)出單一材料所不具備的優(yōu)異性能。本文以環(huán)氧樹脂為基體材料，碳纖維為增強材料，制得復合材料，在常溫下對其力學性能進行研究。
 

       研究意義：碳纖維作為增強材料經(jīng)過表面處理能提高復合材料的力學性能。在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通、軍事及社會生活等領(lǐng)域中得到廣泛使用，尤其在航空、航天等一系列高端技術(shù)領(lǐng)域具有不可或缺的地位。