組成結(jié)構(gòu)

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。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維各層面間的間距約為3.39到3.42A，各平行層面間的各個碳原子，排列不如石墨那樣規(guī)整，層與層之間借范德華力連接在一起。

通常也把碳纖維的結(jié)構(gòu)看成由兩維有序的結(jié)晶和孔洞組成，其中孔洞的含量、大小和分布對碳纖維的性能影響較大。

當(dāng)孔隙率低于某個臨界值時，孔隙率對碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強度、彎曲強度和拉伸強度無明顯的影響。有些研究指出，引起材料力學(xué)性能下降的臨界孔隙率是1%-4%?？紫扼w積含量在0-4%范圍內(nèi)時，孔隙體積含量每增加1%，層間剪切強度大約降低7%。通過對碳纖維環(huán)氧樹脂和碳纖維雙馬來亞胺樹脂層壓板的研究看出，當(dāng)孔隙率超過0.9%時，層間剪切強度開始下降。由試驗得知，孔隙主要分布在纖維束之間和層間界面處。并且孔隙含量越高，孔隙的尺寸越大，并顯著降低了層合板中層間界面的面積。當(dāng)材料受力時，易沿層間破壞，這也是層間剪切強度對孔隙相對敏感的原因。另外孔隙處是應(yīng)力集中區(qū)，承載能力弱，當(dāng)受力時，孔隙擴大形成長裂紋，從而遭到破壞。

即使兩種具有相同孔隙率的層壓板（在同一養(yǎng)護周期運用不同的預(yù)浸方法和制造方式），它們也表現(xiàn)處完全不同的力學(xué)行為。力學(xué)性能隨孔隙率的增加而下降的具體數(shù)值不同，表現(xiàn)為孔隙率對力學(xué)性能的影響離散性大且重復(fù)性差。由于包含大量可變因素，孔隙對復(fù)合材料層壓板力學(xué)性能的影響是個很復(fù)雜的問題。這些因素包含：孔隙的形狀、尺寸、位置；纖維、基體和界面的力學(xué)性能；靜態(tài)或者動態(tài)的荷載。

相對于孔隙率和孔隙長寬比，孔隙尺寸、分布對力學(xué)性能的影響更大些。并發(fā)現(xiàn)大的孔隙（面積>0.03mm2）對力學(xué)性能有不利影響，這歸因于孔隙對層間富膠區(qū)的裂紋擴展的產(chǎn)生影響。

材料特性

物理性質(zhì)

碳纖維兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征，

是一種的力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。碳纖維拉伸強度約為2到7GPa，拉伸模量約為200到700GPa。密度約為1.5到2.0克每立方厘米，這除與原絲結(jié)構(gòu)有關(guān)外，主要決定于炭化處理的溫度。一般經(jīng)過高溫3000℃石墨化處理，密度可達2.0克每立方厘。再加上它的重量很輕，它的比重比鋁還要輕，不到鋼的1/4，比強度是鐵的20倍。碳纖維的熱膨脹系數(shù)與其它纖維不同，它有各向異性的特點。碳纖維的比熱容一般為7.12。熱導(dǎo)率隨溫度升高而下降平行于纖維方向是負值（0.72到0.90），而垂直于纖維方向是正值（32到22）。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關(guān)，在25℃時，高模量為775，高強度碳纖維為每厘米1500。這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強度和比模量。同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維在物理性能上具有強度大、模量高、密度低、線膨脹系數(shù)小等特點，可以稱為新材料之王。

碳纖維除了具有一般碳素材料的特性外，

其外形有顯著的各向異性柔軟，可加工成各種織物，又由于比重小， 沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強度，碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強度一般都在3500兆帕以上，是鋼的7到9倍，抗拉彈性模量為230到430G帕亦高于鋼；因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000兆帕以上，而A3鋼的比強度僅為59兆帕左右，其比模量也比鋼高。與傳統(tǒng)的玻璃纖維相比，楊氏模量（指表征在彈性限度內(nèi)物質(zhì)材料抗拉或抗壓的物理量）是玻璃纖維的3倍多；與凱芙拉纖維相比，不僅楊氏模量是其的2倍左右。碳纖維環(huán)氧樹脂層壓板的試驗表明，隨著孔隙率的增加，強度和模量均下降?？紫堵蕦娱g剪切強度、彎曲強度、彎曲模量的影響非常大；拉伸強度隨著孔隙率的增加下降的相對慢一些；拉伸模量受孔隙率影響較小。

碳纖維還具有極好的纖度（纖度的表示法之一是9000米長纖維的克數(shù)），一般僅約為19克，拉力高達300kg每微米。幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那么多一系列的優(yōu)異性能， 因此在旨度、剛度、重度、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域。在不接觸空氣和氧化劑時，碳纖維能夠耐受3000度以上的高溫，具有突出的耐熱性能，與其他材料相比，碳纖維要溫度高于1500℃時強度才開始下降，而且溫度越高，纖維強度越大。碳纖維的徑向強度不如軸向強度，因而碳纖維忌徑向強力（即不能打結(jié)）而其他材料的晶須性能也早已大大的下降。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。

化學(xué)性質(zhì)

碳纖維的化學(xué)性質(zhì)與碳相識，它除能被強氧化劑氧化外，對一般堿性是惰性的。在空氣中溫度高于400℃時則出現(xiàn)明顯的氧化，生成CO與CO2。碳纖維對一般的有機溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性，不溶不脹，耐蝕性出類拔萃，完全不存在生銹的問題。有學(xué)者在1981年將PAN基碳纖維浸泡在強堿氫氧化鈉溶液中，時間已過去30多年，它仍保持纖維形態(tài)。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強酸作用下發(fā)生氧化，碳纖維的電動勢為正值，而鋁合金的電動勢為負值。當(dāng)碳纖維復(fù)合材料與與鋁合金組合應(yīng)用時會發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。因此，碳纖維在使用前須進行表面處理。碳纖維還有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和減速中子等特性