纤维老化在玻璃纤维增强复合材料中的作用

2.2.1.1　碳纤维

碳纤维是指含碳量在90%以上的高强度、高模量纤维，以腈纶和黏胶纤维做原料，经高温氧化碳化而成。随着碳纤维或者石墨纤维增强树脂基复合材料的应用领域不断扩大，其长期使用的环境温度从欧洲超音速飞机的120℃到未来高速飞机的232℃以及未来航空发动机上的371℃，甚至最终可能高达416℃。尽管温度这么高，主要以晶体形式存在的碳纤维的物理老化仍然是可以忽略的，但碳纤维的耐高温氧化性能较差，在高温环境下发生的氧化反应是碳纤维老化的主要原因。

碳纤维的氧化反应包括以下步骤：首先是氧分子在纤维表面发生物理吸附，温度升高后转为化学吸附，被吸附的氧分子键伸长、断裂进而与纤维表面的碳原子形成表面复合物（4C）（2O）和（3C）（2O2），前者通过与氧分子的碰撞发生分解，后者经高温热解为CO或CO2。理论上，碳元素在空气中被加热到500℃左右才会开始氧化反应，生成CO和CO2。然而由于碳纤维的组分并不全是碳，还会包含部分N、H、Na和Ca等元素以及表面的一些上浆剂（大多数是环氧型浆料），这些物质可促进纤维的氧化或者在较低的温度下就可被氧化，所以碳纤维实际的氧化温度要低于500℃。

2.2.1.2　玻璃纤维(www.xing528.com)

玻璃纤维是一种具有优良性能的无机非金属材料，以矿石为原料经高温熔制、拉丝等一系列复杂的工艺制造而成，具备导热系数小、绝缘性好、耐高温和良好的耐环境性能等特点。在热氧环境下一般认为玻璃纤维是不老化的。一方面，作为无机材料它不易于与氧气发生氧化反应；另一方面，玻璃纤维表面的上浆剂多为硅烷偶联剂，这些偶联剂不像碳纤维表面浆料一样会促使其氧化分解，反而可以和树脂之间形成一些共价连接。因此，在玻璃纤维增强树脂基复合材料的热氧老化中，一般是树脂基体的老化起主导作用。

2.2.1.3　其他纤维

除了碳纤维和玻璃纤维之外，较常用作树脂基复合材料增强体的还有芳纶、玄武岩纤维和麻纤维等，但由于其一般很少用在航空航天等领域，因此在热氧老化等方面的研究非常有限，在此不再探究。