纳米材料在保健功能尼龙纤维中的应用探讨
摘要：笔者结合当前的研究现状，在阅读文献的基础上分析介绍了纳米材料的特性，探讨了纳米材料在防电磁波辐射纤维、抗紫外线纤维、抗菌纤维等方面的应用，并对其在保健功能纤维中的发展前景进行了展望。
关键词：纳米材料;保健功能纤维
随着材料科学的发展，纳米材料在材料领域成为宠儿。与此同时，纳米材料在纺织行业的应用也越来越普遍，特别是在尼龙纤维的改性中的應用日趋频频。比如，纳米材料在加强尼龙纤维的耐烧蚀高强度高韧性等性能方面有着很多的研究。随着这些研究的深入，纳米材料改善尼龙纤维的保健功能的研究也开始成为热点。这些研究充分说明了纳米材料在尼龙纤维领域有着巨大的前景，正如那句预言所说：这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给各个领域带来一场革命。
1.纳米材料的性能分析
粒子尺寸本身具有的相关特性，如宏观量子隧道效应、表面效应和量子尺寸效应及小尺寸效应在粒子进入纳米量极时会展现更多的功能。
1.1纳米材料的力学特性分析：由于纳米材料具有比较大的自身表面面积，所有者导致了杂志在其表面具有相对较小的浓度。从而对纳米材料的力学性能优很大的提高。与此同时，纳米材料晶界原子之间的距离加大和有气孔的存在导致其杨氏模量的减少。此外，由于纳米材料的晶粒在纳米级别，相比粗晶材料，这至少把纳米材料的硬度提高了4—5倍。
比如有粗晶制作的陶瓷材料通常易碎，而由纳米材料制作的陶瓷材料则具有非常好的柔韧性，个中原因是因为那么的超微粒性存在着巨大的界面，这导致其原子混乱，在外界的压力下，原子能自由迁徙从而展现了良好的韧性，这就是纳米陶瓷材料的全新力学功能。
1.2纳米材料的热学功能分析
同样由于纳米较大的界面的特性导致纳米材料的比热较大，有文献报道，对比粗晶材料，纳米材料的比热会高出10%—80%于同类的粗晶材料。由于材料的比热主要来自于品格的震动的变化，在温度适中的情况下，电子对比热的帮助几乎微乎其微。如前所述，纳米材料表面的原子排列混乱，密度低，这样原子之间较少耦合，这是其比热增加的主要原因。对比常规的粉体，纳米材料的熔点和烧结温度等会低很多。
1.3纳米材料的电学功能分析
由于电阻的温度主要是有其晶粒的大小所决定，而同时纳米材料的晶体原子的分数的体积较大，对比同类的粗晶体材料，纳米材料的电阻高很多。同时，纳米材料的磁场中电阻减小的现象比较突出，通常的情况下，粗晶材料可能电阻下降1%—2%，而纳米材料这个数据可能会达到50%—80%。
2 钠米材料在保健功能尼龙纤维中的应用
2.1利用纳米材料制备保健功能尼龙纤维的方法应用纳米材料开发保健功能尼龙纤维的方法主要有以下几种：
2.1.1混合纺丝法所谓混合纺丝法是指在化合纤维的聚合阶段，熔融阶段和纺丝阶段加入功能性的纳米材料粉体，从而改变化合纤维聚合物的特征，生产出合成的尼龙纤维。混合纺丝法是当前应用很广泛的功能行尼龙纤维的方法。如前文所述，纳米材料表明的界面大，化学活性很高，比起一般的微粉体，纳米材料粉体这样的特性导致其很容易结合高分子材料。同时，由于纳米材料的粉体体积小，这使得纺织设备对添加物颗粒直径的要求很容被满足，在化学纤维的生产过程中不会产生磨损设备、堵塞、断丝等现象。同时也不会对化学纤维的色泽和使用等功能产生不好的影响。混合纺丝法的优点在于其生产出来的化学纤维的耐久性非常的好。
2.1.2后期整理法由于天然的尼龙纤维的生产过程中很难添加纳米材料粉体，后期整理法就应用而生。
后期整理法的具体做法是通过分散剂等助剂将纳米粉体涂抹在化学纤维上，再通过相应的工艺加工，使得化学纤维的功能特性得到改变。
2.1.3接枝法接枝法的具体做法是在纳米粉体和化学尼龙纤维之间，建立化学键和其他的组合形式，这样的做法有2个功效：(1)改变后期整理法带来的色泽易改变的不良特性。(2)加固尼龙纤维的耐久实用性。
2.1.4复合纺丝法为扩大功能尼龙纤维品种，降低功能型添加剂的使用量，可采用复合纺丝方法来实现功能化。
2.2纳米材料在保健功能尼龙纤维中的应用由于纳米材料的奇特性能，纳米材料对紫外线、可见光和静电等具有非常好的屏蔽功能，这导致纳米材料在和尼龙纤维级聚合物复合，可以制备保健功能尼龙纤维。
2.2.1远红外尼龙纤维具有远红外功能的超细添加剂及其尼龙纤维是保健功能尼龙纤维中的重要一部分。远红外超细添加剂是一种白色或浅白色的粉体，它吸收人体所发出的远红外波长后，又反射回人体表皮，并且再向人体辐射一定波长的远红外线，增加了皮肤下的微循环速度，使人体皮下组织中的血流量增加，促进血液循环和新陈代谢。目前具有远红外功能的尼龙纤维的制造方法主要有3种：远红外粉体与聚合物切片共混后纺丝法;无机化合物高温熔融后的熔融纺丝法;在纤维表面涂覆含有远红外粉体的粘合剂进而改变纤维的远红外发射性能的涂覆法。
2.2.2防电磁波辐射尼龙纤维防电磁波辐射尼龙纤维大多数情况下主要是指防无线电波，或者说频率低于300GHz的电磁波。纳米材料由于其特殊的结构引起的量子尺寸效应及隧道效应，导致它产生许多不同于常规材料的特异功能。有资料表明，纳米材料对电磁波的透射及吸收率比微米粉末要大得多，而且具有更大的磁感应强度，因而作为防电磁波辐射剂得到了较多的重视。
2.2.3抗紫外线尼龙纤维许多纳米微粒，例如纳米氧化锌、纳米三氧化二铁等对紫外线有强烈的吸收作用。这些纳米氧化物对紫外线的吸收主要来源于它们的半导体性质，即在紫外线照射下，电子被激发由价带向导带跃迁引起的紫外光吸收。抗紫外线尼龙纤维包括的品种很多，涉及涤纶、维纶、锦纶和丙纶以及与氯纶或醋酸尼龙纤维交织、混纺等。主要用来制作的品种有：运动衫、制服、工作服、游泳衣、休闲服和童装等，也用于制作帽子。利用超微粉体抗紫外线功能来开发多种尼龙纤维，较之某些抗紫外线化学药剂所整理的织物安全，有利于人体健康。
2.2.4抗菌尼龙纤维纳米材料的抗菌机理主要来源于其金属离子溶出和光催化性。因此将超细抗菌粉加入到尼龙纤维中或用后整理法加入到纺织品中，将对各种细菌、真菌和霉菌起到抑制作用。目前，多数用接触性抗菌剂如银、铜、锌的离子及其化合物等，或催化抗菌剂如二氧化钛、氧化锌、纳米硅基氧化物等。如用二氧化钛、硫酸钡、氧化锌的纳米颗粒做核，外包覆银，可抗细菌，若包覆氧化铜、硅酸锌，可抗真菌。一般在尼龙纤维中加入1%这种微粉，即可起到抗菌作用。
3 结语
纳米材料的发展开拓了尼龙纤维的很多功能领域，也为其保健功能的提升提供了新的思路。将纳米尼龙纤维或纳米微粒加入到尼龙纤维中，可赋予该产品某种保健功能。随着纳米技术的发展和对其研究的不断深入，纳米技术与纺织工业将更好地结合，将给传统的纺织业以新的活力和生机，将会生产出更多的保健功能性尼龙纤维。
参考文献：
[1]刘吉平，田军.纺织科学中的纳米技术[M].北京：中国纺织出版社2003.
[2]马向东.纳米材料的进展及展望[J].水利电力机械2004，26(2)
作者：陈惠玲
摘 要：纳米纤维素作为可持续发展材料，在诸多领域应用广泛。基于此，对纳米纤维素种类及特性展开了分析，探究了该种材料在包装、医学、环境、光电等多种功能材料中的应用研究进展，发现材料改性过程依然复杂，限制了材料的大规模运用，后续应加强简单、高效材料量产方法探究，希望能够为关注材料应用情况和发展前景的人们提供参考。
关键词：纳米纤维素;功能材料;应用研究进展
引言：作为可再生、储量丰富的天然高分子聚合物，纤维素可以加工成薄膜、气凝胶等多种结构形式，在纳米尺寸下获得良好机械性、亲水性、热稳定性等多种性能优势，因此在包装、纺织、传感等多个领域应用广泛。探索纳米纤维素在功能材料中的应用情况，可以进一步把握材料优势及其与其他材料复合、改性情况，为推动材料的应用发展指明方向。
一、纳米纤维素的种类及特性
纳米纤维素（NCM）是采用化学、机械、生物等多种方法加工获得的纳米级高分子生物材料，具备纤维素可降解、吸湿性强等特性的同时，也具有纳米材料高强、比表面积大等特性，因此具有高强、高聚合度、高反应活性等优势[1]。按照制备方法和原料形态，可以将纳米纤维素划分为晶体、纤丝、细菌合成等类型。如表1所示，不同类型材料采用制备方法存在差异，使得材料拥有了各自的特性。
二、纳米纤维素在功能材料中的应用研究
（一）在包装材料中的应用
在商品生产领域，多年来广泛使用石油基塑料，力学性能较好。但受资源枯竭、环境污染等多重因素影响，生物基材料在包装材料中逐渐得到了应用。其中，NCM拥有较大比表面积和纳米级尺寸，可以保持较高力学性能和反应活性，相较于其他生物基材料在包装领域更具优势。CNF和BNC等材料由于可以达到较高结晶度和聚合度，模量和强度较高，用于制备包装复合膜可以增强结构力学性能，发挥气体阻隔作用。如采用纤维素、银纳米离子等制备的材料膜可以將复合膜抗拉性能提升2倍左右。采用流延法制备壳聚糖类包装膜时，通过添加网状结构NCM能够使膜的透气性降低20%以上，同时有效降低透水率，发挥阻隔空气、油污等多重作用[2]。采用纤维素和氧化锌纳米制备的多层包装材料不仅可以获得较强力学性能，也具有抗菌作用。将纤维素当成是载体，可以对抗菌剂进行吸附，制备成涂料涂抹纸张表面，可以加工成抗菌纸，有效抵抗大肠杆菌等常见有害病菌。但目前使用NCM生产的包装薄膜依然停留在实验层面，未能提出成熟配方和量产工艺，难以满足产业化生产的低成本、高效率要求。
（二）在医学材料中的应用
拥有较好生物兼容性，使NCM可以用于医学材料制造。凭借纤维素生物结构，NCM可以携带药物，并通过缓慢释放延长药物作用。如采用静电纺丝工艺制备的NCM能够对氨苄西林钠等药物进行包覆，并通过增加NCM含量获得较强亲水性，降低药物释放速率。采用晶体类型NCM与聚乙二醇反应制备纳米凝胶，对姜黄素等药物体现出了一定亲和性，可以帮助肠道更好吸收药物。具有抗菌、透水性强等特性，使NCM可以用于制作创面敷料，使创面保持一定湿度的同时，对多余渗出物进行吸附，减少人体蛋白质、电解质等物质损失，避免发生二次损伤。如采用细菌合成类型NCM制备复合水凝胶，不仅具有广谱抗菌性，也能发挥凝血作用，属于良好敷料基材。拥有仿生性，使NCM可用于3D打印人耳、人造血管等材料制备，如通过循环冻融、浇筑制备的NCM和聚乙烯醇水凝胶材料，可用于制备人造血管，不仅能够延长材料使用寿命，也能抑制血栓形成。目前，实验室研制的部分NCM医学材料已经可以达到国家标准，功能良好，但成本依然较高，尚未在临床实践中大量应用。
（三）在环境材料中的应用
随着环境问题日益严重，可降解的生物材料开发力度不断加大。而利用NCM除了可以研制能降解的包材等材料，也能凭借生物吸附特性用于制备过滤膜，直接用于治理环境污染。拥有较强强度和比表面积，同时富含的表面活性基团可以轻松改性、修饰，促使NCM能够用于制备复合型吸附材料。如利用聚乙烯亚胺对晶体类型NCM进行改性，可以获得较强的Pt吸附能力。现阶段，利用NCM制备的吸附材料拥有多孔结构，对Hg、Cu等金属可以进行选择性吸附，体现出了高效吸附特征[3]。从现有研制工艺来看，多采用基团接枝方法对NCM进行处理，也可以采用静电纺丝技术完成多孔复合吸附材料制备，达到过滤金属离子、有色物质等效果。该类吸附材料具有细胞兼容性，可以作为生物吸附剂，确保小分子快速扩散。采用浸渍沉淀相转化等方法，能够通过对NCM进行改性制备共混超滤膜，提高膜拉伸强度的同时，获得更高水通量和超滤性能。但采用上述制备工艺存在能耗大的问题，并且需要采用的有机溶剂量较大，后期面临回收难题，同样会带来环境污染。因此应用NCM制备超滤膜，仍然需要解决制备工艺存在的缺陷，确保NCM能够用于增强膜材料扩展空间的同时，在环境治理方面获得更大应用潜力。
（四）在光电材料中的应用
利用NCM制备电子器件，可以通过回收利用电子设备减少环境污染。凭借NCM机械强度高、阻隔性强、热膨胀系数小等特性，制备出的光电晶体管可以达到70%以上透光率，同时拥有良好电气性能。将对环境无害成分与活性材料结合在一起，制备的电气器件体现出了环境友好性，如CNF杂化膜能够实现光刻图案化，可以使用CNF制备可拉伸折纸基材，拥有一定发展潜力。采用NCM制备发光二极管表面纸基，能够使元器件获得更高发光效率，并对角向光分布进行拓展，体现材料柔性特点。NCM具有凝胶化特性，容易成膜，可以作为光电器件基体材料或骨架，与其他材料复合制备的NCM导电薄膜具有轻薄、环保等特性，能够在生物传感器等领域应用。如采用NCM和羧甲基纤维素进行导电膜材料制备，可以依靠复合材料穿网结构加强光电传导，使材料力学和电学性能保持协同，获得较强抗拉性、抗电磁干扰等性能。与石墨烯等材料制备导电薄膜，可以获得较强分散和较高导电率，制备的电极可以促进电解液离子扩散。此外，与金属、氧化铁等材料复合制备导电薄膜，在纳米结构器件、反应器等领域展现了优良性能。但相较于普通电子元器件，使用NCM制备的器件价格依然较高，在一定程度上限制了材料的应用推广。
（五）在其他材料中的应用
NCM拥有诸多优良性能，促使材料也可以应用在储能、绝缘等多个领域。如用于制备锂离子电磁膜，可以获得更高能量密度和循环寿命。凭借电解质润湿性、高热稳定性等性能，NCM能够当成是凝胶剂与聚乙烯等隔膜材料复合，能够添加至甲基丙烯酸基体中制备电解质隔膜，改善膜力学性能和导电性。相较于普通的PP隔膜，制备出的电池放电率较低，电容留存率较高，可以获得更强循环性能。但受制作成本限制，目前该类隔膜仅用于制备高性能储能电池。在纸基绝缘材料研究领域，NCM能够用于改善材料绝缘强度和机械强度，延长材料使用寿命。利用NCM对绝缘材料进行改性，能够抑制电荷积聚过程，确保电场分布均匀，保障绝缘安全。NCM纳米级颗粒将被填充至材料内部空隙中，依靠氢键吸附在纤维表面，缩小内部聚集空间，因此制备的材料具有较高介电击穿性，可以减少局部放电产生，但有关研究多停留在实验室阶段。
结论：通过研究可以发现，NCM在隔绝性、生物兼容性、导电性等多个方面拥有显著性能优势，促使材料能够在包装、医学、光电等多个领域应用。但受制备工艺、材料结合方案等多种因素的影响，目前使用NCM制备的功能材料无法达到工业化要求，因此未来需进一步加强材料应用研究。
参考文献：
[1]符金洲，王汉伟，李莹莹，等.微纳米纤维素功能膜在能源与环境领域的应用[J].高等学校化学学报，2021，42（05）：1407-1429.
[2]陈嘉川，颜家强，张凯，等.微晶纤维素的制备及其在功能材料领域中的应用进展[J].中国造纸，2021，40（03）：63-70.
[3]刘仁，鲁鹏，吴敏，等.纳米纤维素在气体阻隔包装材料中的应用进展[J].包装工程，2019，40（07）：51-59.
作者：张强
摘 要：本文针对国内井盖研究发展情况和市政道路中常出现的城市“黑洞”问题，阐述了井盖的发展现状，结合碳纤维混凝土加固的国内外发展和使用情况，提出碳纤维复合材料的新型井盖研发思路，具有一定研发推广价值，此技术可以从根本上杜绝井盖被盗的问题。
关键词：碳纤维;复合材料;井盖
1 引言
一般按照材料特性将井盖分为铸铁(包括灰口铸铁和球墨铸铁)、复合材料、水泥及菱镁等几种井盖。传统的水泥混凝土井盖具有造价低、制造方便、取材方便等优势，但其脆性大、易老化、易断裂;目前国内常用的井盖还是以铸铁的(含球墨铸铁)[1]为主。铸铁井盖最突出的优点是强度高、使用寿命长、工艺成熟。但其造价高，防盗性差。主要是因其材料可以回收利用，因而容易被盗，这不仅造成巨大的经济损失，还会引发严重的安全问题。通过安装防盗装置会进一步增加井盖的成本，因而，为解决此问题，采用没有回收利用价值的复合材料井盖就是最佳的选择。目前市政工程中的复合材料井盖存在承压能力低、易老化变形等问题，因此在传统的井盖基础上引进高强度新材料开发能够保证承载力、耐久性好且无回收利用价值的复合材料井盖是一个值得关注的研究方向。
2 碳纤维加固混凝土的国内外研究概况
2.1国外研究现状
碳纤维加固技术最初起源于德国和瑞士，接着日本也进入了碳纤维加固行业，并且迅速的推广了碳纤维加固技术，加固范围和加固领域也一直在不断扩大和延伸，而运用碳纤维材料加固的最主要对象为钢筋混凝土结构。欧美及日本的大量研究机构从上个世纪的八十年代开始就通过科研实践，对碳纤维加固技术进行深入研究，现在在全世界都在广泛的使用这项加固技术，此方法已经成为了一种常用的加固方法[2]。
2.1国外研究现状
碳纤维加固技术最初起源于德国和瑞士，接着日本也进入了碳纤维加固行业，并且迅速的推广了碳纤维加固技术，加固范围和加固领域也一直在不断扩大和延伸，而运用碳纤维材料加固的最主要对象为钢筋混凝土结构。欧美及日本的大量研究机构从上个世纪的八十年代开始就通过科研实践，对碳纤维加固技术进行深入研究，现在在全世界都在广泛的使用这项加固技术，此方法已经成为了一种常用的加固方法[2]。
Shahawy[3]在对CFRP 加固梁的疲劳性能和静力性能研究方面，通过试验结果分析研究得出了混凝土强度等级、碳纤维布加固层数和碳纤维的不通加固方式对梁的静力性能影响较大，尤其是对梁的极限承载力以及混凝土的延性性能方面影响较大。同时此文还研究了加固梁的疲劳性能，通过研究结果得出利用碳纤维加固对混凝土梁的疲劳性能也有显著影响，利用碳纤维加固能使梁具有很好的疲劳性能。得出结论如下：CFRP 加固在很大作用上能够增强梁的疲劳性能和静力性能。他还对整个试验的过程通过运用有限元软件进行了模拟，并对比试验结果，验证了利用有限元分析结构性能具有合理性。
2.2国内研究现状
我国则从1997年才开始对碳纤维复合材料加固混凝土结构进行研究。近几年来对采用粘贴碳纤维布材加固钢筋混凝土梁的抗弯受力性能研究方面较为普遍，相应的研究成果较多。
冯鹏、陆新征等通过实验研究四根不同加固形式的构件，对试验构件的受力全过程进行了分析記录，并对构件纯弯段裂缝状况、荷载挠度曲线、跨中混凝土截面应变分布、弯矩-碳纤维应变关系和同样挠度时的极限弯矩值进行了详细记录研究，并利用试验结果进行了汇总出了开裂弯矩、屈服弯矩、极限弯矩和混凝土、钢筋和碳纤维应变等具体数据，运用公式所得的结果与试验值基本符合。
赵志平等通过试验得出了不同形式加固梁的屈服荷载和极限荷载，再利用ANSYS 有限元分析软件对试验中的梁进行了有限元非线性分析的模拟，得出有限元分析的结果能够与试验所得的值较好的符合，利用ANSYS 建模分析时，只要合理选用模型单元和合理设置计算参数，模型还是较高的实用性和可靠性的。
国内外学者研究表明，碳纤维材料能够有效的加固混凝土，提高混凝土的强度和承载力。
3 复合材料井盖的研究现状
3.1国内研究现状
国内常用的复合材料井盖有以下，这些复合材料井盖各有特点，共同的优势是金属材料含量极小或没有，没有值得回收利用的价值，可以起到适当的防盗作用，能够弥补铸铁井盖最大的缺憾。
(1)钢纤维混凝土井盖
钢纤维混凝土井盖是早期的复合材料井盖，相对混凝土井盖而言，较强的抗裂性能和抗冲击性能是此类井盖的最大特点。可以承受荷载的反复碾压，表现出较好的耐久性能，且加工成本便宜，回收价值不大。但是，该类混凝井盖重量较大，施工检修较费力，井盖边缘容易破损，一般需要通过外加金属边框来改善这种崩边现象。在城市道路、居民小区和工厂的雨水口等处一定程度上取代了铸铁井盖。
3.2国外研究现状
国外设计井盖一般会根据井盖不同部位采用增强材料各异。为保证其承载能力，通常在井盖下部受力较大处使用连续纤维增强。为提高井盖抗变形性能，在井盖中部会大量使用填料;而为保证井盖较好的耐磨性能，硬度较高、耐磨耐候性好的材料会用于井盖上部，同时设计出相应的图案、数字、文字和颜色。通过这一套工艺程序就能够满足耐磨耐候性和外观要求。玻璃钢井盖优势较明显，既能保证井盖的轻质高强和抗疲劳性能好等要求，同时还具有耐腐蚀和外表美观等优点，也可以解决铸铁井盖被盗的缺点，成为其替代产品。
综上所述，国内外学者和业内相关人士对于井盖进行了大量的研究，研究方法包括实验、模型仿真、加工工艺等多种途径，表明井盖技术在城市道路建设和规划中得到越来越广泛的关注和重视，新型材料井盖研究技术也将成为一种新型的技术领域。在不同的使用条件下，可以通过不同的复合材料井盖来代替传统的和常用的铸铁井盖。碳纤维在混凝土领域的应用已经比较广泛，但是，关于新型碳纤维在井盖中的研究非常鲜见，在井盖领域中碳纤维的应用还是空白，有极大的应用潜力和发展空间，未来将成为传统铸铁井盖和水泥混凝土井盖的理想换代产品。
参考文献
[1]邓宗才、吴寅.玻璃钢井盖的研制[J]. 玻璃钢复合材料，2010，123(23)：12-13.
[2]S.Wen， D.D.L.Chung. Seebeck effect in Carbon Fiber Reinforced Cement， Cem.Coner.Res， 1999， 26(7)：15-18.
[3]文斌等.基于界面效应的碳纤维水泥基复合材料压敏性实验研究.重庆科技学院学报，2009，11(6)：65-68.
作者简介：
仲玉侠(1978-)，女，讲师，硕士，主要从事新型建筑材料研究。
王显利(1972-)，男，副教授，博士，硕士生导师，主要从事功能型建材研究。
作者：仲玉侠等
纤维素酶结构和功能
概述了细菌纤维素酶的水解机制及其基因的克隆和表达，总结了近年来纤维素酶结构和功能方面的研究成果，展望细菌纤维素酶领域的研究前景。 1 引言
2 纤维素分解性细菌的类群
纤维素分解性细菌是指能分解纤维素的细菌 分三大类群：
(1)厌氧发酵型：芽孢梭菌属(Clostridium)、牛黄瘤胃球菌属(Ruminococcus)、白色瘤胃球菌(Ruminococcusalbus)、产琥珀酸拟杆菌(Bacteroides succinogenes)、产琥珀酸丝状杆菌((
Fibrobactersuccinogenes
)、
溶热
纤纤
维梭
菌菌Butyrivibrio fibrisolvens)、(Clostridium thermocellum)、解纤维梭菌(Clostridiumcellulolyticum);
(2)好氧型：粪碱纤维单胞菌(Cellulomonasfimi)、纤维单胞菌属(Cellulomonas)、纤维弧菌属(Cellvibrio)、发酵单胞菌(Zymomonas)、混合纤维弧菌(Cellvibrimixtus);
(3)好氧滑动菌，如噬胞菌属(Cytophaga)。
4 细菌纤维素酶分类
细菌纤维素酶是多酶复合体系，根据各酶的功能可分为三大
类：
(1)内切葡聚糖酶(1,4-D-glueanohydrolase
或endo-1,4-β-D-glucanase，EC 3.2.1.4)，简称Cen。作用于纤维素内部的非结晶区，随机水解β-1,4-糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量非还原性末端的小分子纤维素，其分子量大小约为23-146KD。
(2)外切葡聚糖纤维二糖水解酶(1,4-β-D-glucan cellobio-hydrolase或exo-1,4-β-D- glucanase,EC3. 2.1.91)，简称Cex。作用于纤维素线状分子末端，水解β-1，4-D-14糖苷键，依次切下一个纤维二糖分子，故又称为纤维二糖水解酶(cellobiohydrolase)，分子量约38-118 KD。
(3)β-葡萄糖苷酶(β-1,4-glucosidase, EC3.2.1.21)简称BG或称纤维二糖酶。这类酶一般将纤维二糖或可溶性的纤维糊精水解成葡萄糖分子，其分子量约为76KD。
5 细菌纤维素酶水解机制
好氧细菌的三种纤维素酶是以各自独立的形式分泌到细胞外水解纤维素的;厌氧细菌的三种纤维素酶以多酶复合体形式结合在细胞壁上对纤维素进行水解。细菌纤维素酶通过多酶复合体系各组分协同作用彻底有效降解天然纤维素。
Cen负责进攻纤维素的非结晶区，随机水解β- 1，4 - 糖苷键，将长键纤维素分子截短，产生大量带非还原性末端的小分子纤维素
Cex负责从纤维素线状分子的非还原性末端水解切下纤维二糖单位
BG则将纤维二糖水解成葡萄糖
在已知结构的细菌纤维素酶分子中，通过在异头碳原子位通过构型的保留或构型的转化完成催化反应，其中两个保守的羧基氨基酸分别作为质子供体和亲核试剂，如C . thernmocellum的内切酶CelC催化域中Glu-280和Glu-140分别作亲核试剂和质子供体, C .fimi的外切酶Cex的Glu-574和Glu-645分别作亲核试剂和质子供体，证明了细菌纤维素酶降解纤维素的水解双置换机制。由于纤维素底物的高度复杂性以及底物的多样性，纤维素水解过程的并没有完全清楚。因此，纤维素酶系的降解机理还有待进一步研究和探讨。
6 细菌纤维素酶的结构和功能
通过对粪碱纤维单胞菌(Cellulomonas fimi)的一个外切酶Cex和一个内切酶CenA的研究表明，细菌纤维素酶的纤维素结合结构域(CBD)位于氨基端或羧基端，它借助连接桥(Linker)与催化结构域(CD)连接。在多种细菌的纤维素酶中发现有相似的结构。
催化结构域(CD)
纤维素酶分子的催化结构域主要体现酶的催化活性及对特定水溶性底物的特异性。不同 来源纤维素酶分子量差别很大，但其催化区的大小却基本一致，活性位点的三级结构都是保守区域。
Juy M et 等采用x光衍射的方法对热纤梭菌的Cel D的催化域进行了结晶和解析。结果表明，内切酶的活性位点位于一个开放的“裂缝”(Cleft)中，可与纤维素链的任何部位结合并切断纤维素链;外切酶的活性位点位于一个长“环”(1oop)所形成的“内部通道”(tunnel)里，它只能从纤维素链的非还原性末端切下纤维二糖。细菌的外切酶有两个酶切位点，有限酶切时，可将CBD和连接桥分别切去。Meinke A 等利用蛋白质工程的方法将粪碱纤维单胞菌的外切酶Cbh A分子的Loop删除后，发现该酶的内切酶活性提高。根据其氨基酸序列的相似性已知的纤维素酶的CD可分为70多个家族，在同一家族内具有相似的分子折叠模式和保守的活性位点，因此在同一家族内，其反应机制和对底物的特异性都可能相同，这已通过实验得到证实。 纤维素结合结构域(CBD)
许多纤维素酶主要依靠在肽链N端或C端的CBD结合底物，该结构又称纤维素结合模块，其功能是将相邻的催化结构域传递到晶体纤维素底物上。细菌纤维素酶的CBD由100-110个氨基酸组成，同源性较低。细菌CBD平坦的表面只露出2个或3个芳香族氨基酸残基和一些形成氢键的残基,多项研究证实，这些残基与CBD对结晶纤维素的结合有关。一些细菌的CBD结构有一定的共同特点：带电荷氨基酸含量很低;羟基氨基酸含量很高;都含有Trp、Asn和Gly，而且两个Cys在N、C末端的位置完全相同。汪天虹等用多维核磁共振和X射线衍射技术，证实了族
Ⅱ C. Fimi Cex、Cen以及族Ⅲ C.thermocelhun Cip的CBD有相似的结构：由2个β片层面对面折叠在一起，形成一个β三明治结构，CBDcex含有一个单一的二硫桥连接N-末端和C-末端，CBDcip有一个Ca2+的高亲和性结合位点[6]。然而，有的CBD的作用似乎不在于跟底物结合，而是破坏晶体纤维素链间的非共价相互作用;或者不仅结合底物，还提供结合不同底物结构的优先权。杨永彬等通过实验证实家族Ⅱ的CBD能够促使纤维素中氢键的断裂,从而释放单根纤维素分子链[7]。C.fimi的 CenA或Cex单独的CBD不具备对纤维素的水解活力，但能破坏棉纤维，形成短纤维，具有疏解结晶纤维素的能力。实验证明，细菌纤维素酶中的CBD对酶的催化活力是非必需的，但它们具有调节酶对可溶性和非可溶性底物专一性活力的作用。
连接桥(1inker)
连接肽(1inker)一级结构的研究发现，细菌纤维素酶分子的连接肽富含脯氨酸(Pro)和丝氨酸(Thr)，完全由Pro-Thr这样的重复序列约100多个氨基酸残基组成。在高级结构的分子形状上，细菌连接肽、CD、CBD之间呈135o。连接肽的作用可能是保持CD和CBD之间的距离，有助于不同酶分子间形成较为稳定的聚集体。
纤维素酶降解纤维素是酶的各组分之间协同作用的结果，目前主要有2种观点：一种观点认为，首先由EG在纤维素分子内部的无定形区进行酶切产生新的末端，然后由CBH以纤维二糖为单位由末端进行水解，
每次切下1个纤维二糖分子，最后由BG将纤维二糖以及短链的纤维寡糖水解为葡萄糖。另一种观点则认为，首先是由CBH水解不溶性纤维素生成可溶性的纤维糊精和纤维二糖，然后由EG作用于纤维糊精生成纤维二糖，再由BG将纤维二糖分解成2个葡萄糖。这种协同作用方式也决定了纤维素酶表达调控的复杂性。 7 细菌纤维素酶基因的克隆与表达
细菌中编码纤维素酶的基因在基因组的分布为随机的或形成基因簇。在基因簇中，有转录终止子，没发现有启动子。人们已从40多种细菌中克隆到了纤维素酶基因，其中一些酶基因已经在大肠杆菌和酵母中得到表达。如从Stropyomyces、Clostridium、Thermoanaer obacter、Themomonspora、Erwinia、Pseudomonas、Cellvibrio、Ruminococcus、Cellulomonas、Fibrobacter 和 Bacillus 中成功分离出葡聚糖基因，并先后克隆了瘤胃
的
Bacteroides
、
succi nogenes
、Butyrivibrio sp Ruminococcus albus等细菌的纤维素酶基因，同时热梭菌中的11种内切纤维素酶(CelA、CelB、CelD、CelE、CelF、CelG、CelH、CelI、CelJ、CelK、CelS)的基因已经被克隆，嗜纤维梭菌的5种内切纤维素酶(EngA、EngB、EngC、EngD、EngE)已经测序并在大肠杆菌中得到表达。不同的细菌中克隆了内切葡聚糖酶基因。Kim等克隆了Aquifex aeolicus VF5编码EG的 ce18Y基因，在E.coli XL1 -Blue中成功表达，Hakamada等运用盒式连接介导PCR 和反向
PCR 克隆到了基因egl-257。人们将纤维素酶、纤维二糖等外源基因转入运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)中并得到不同程度的表达，有望将它改造为能将纤维素转化为乙醇的重组菌株并在工业中广泛应用。细菌葡聚糖酶基因在S.cerevisiae的启动子和信号肽的控制下构建在同一质粒载体上，然后转入S.cerevisiae， 重组菌可向培养基分泌保留70%活性的葡聚糖内切酶和外切酶，这种酶能够分解滤纸和木浆中的纤维素。
7 展望
细菌以多酶复合体结构彻底有效降解天然纤维素，纤维小体是研究较多的细菌纤维素酶复合体。纤维小体的作用方式是理解纤维素降解和利用纤维素资源的关键。进一步了解纤维小体结构的普遍性，不同来源的纤维小体的组成同源性和多样性，纤维小体蛋白质之间的相互作用，纤维小体组织结构的形态发生等，从而为工程改造纤维小体，利用纤维素资源提供基础。
提高纤维素酶的分离纯化技术，利用基因工程和蛋白质工程的手段，对它的空间结构作进一步的研究，以便更好地了解它的结构、酶学特性和协同作用的降解机制，为纤维素酶蛋白质分子的改造和设计提供理论基础。
通过构建培养和未培养细菌的基因组DNA文库，筛选到高效的、多样性的纤维素酶基因，利用体外DNA分子定向进化等
基因操作技术，构建适应不同需要的高效工程菌，比如把纤维素酶基因克隆到Z.molis或酿酒酵母中，可以直接利用纤维素转化生产酒精。
摘要
一、碳纤维复合材料的概况
二、碳纤维复合材料的结构
三、碳纤维复合材料的用途
四、碳纤维复合材料的优势
五、碳纤维的产业
六、结论
1、概况
在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。
2、结构
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。
碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。
3、用途 碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。
碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。
由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。
现在的F1(世界一级方程锦标赛)赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和结构强度
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
4、优势
1、高强度(是钢铁的5倍)
2、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)
3、出色的抗热冲击性
4、低热膨胀系数(变形量小)
5、热容量小(节能)
6、比重小(钢的1/5)
7、优秀的抗腐蚀与辐射性能
5、碳纤维的产业
5.1 碳纤维的取材形式及比例
预浸布：51.6%，编织布：20%(其中有12.4%要经过预浸进入后段)，短切纱：19%，纤维丝束通过缠绕等方式直接使用：9.9%.
5.2 碳纤维产业链关联度非常紧密，上游帮扶下游就是帮自己碳纤维产业链。碳纤维制造企业因为资金和技术的优势，要成为引领整个产业链的生力军!市场培育任重道远!只有不断推进从碳纤维向纤维材料以及复合材料制品的纵深发展，完善产业链，扩大碳纤维的应用范围，才能使整个碳纤维行业实现跨越式的发展。 5.3 碳纤维产业链中的价值链我们常听到关于碳纤维价值链的说法是：从石油原料到碳纤维，增值关系是1 到3，而把碳纤维做成复合材料，增值可以到10。而国际上还有一个类似的说法：一个工业用碳纤维复合材料零件的成本构成，其中碳纤维和树脂的成本占25%，把碳纤维转成预浸料或编织布(我们称之为纤维材料)，转化成本为15%，而把纤维材料制造成复合材料构件，需要60%的成本，原因是这个过程的边角废料太多，主要是沿袭于航空航天的成型工艺效率太低。 当很多人抱怨：碳纤维因为价格太高而影响其应用面时，我们必须重视除了25%～30%的碳纤维成本之外的其它70%～75%的纤维和构件成型的巨大成本。否则，即使碳纤维成本降得再低，做出的复合材料成本还是惊人!
6、结论
中国碳纤维“平民化”发展之路探讨
碳纤维因品种和质量的不同，价格从100 多元/kg 到5 万多元/kg(日本东丽的M60J 据说曾炒到这个价格)都有。其中，走小批量、高精尖的品种，我们不妨戏称为“贵族碳纤维”，而量大、价格相对低的碳纤维，我们则戏称为“平民化碳纤维”。中国堪称是世界碳纤维研发的“老人”，但却是产业化的“新手”，所以，对于中国众多碳纤维企业来说，探讨“平民化”之路有实质意义。
摘要:主要介绍了碳纤维复合材料的基本概述，并对它的一些结构性能、应用(主要在航空领域的应用)、发展，并分析了目前我国碳纤维复合材料的研究进展和应用前景。
关键字：碳纤维复合材料、碳纤维树脂基复合材料、碳/碳复合材料、结构性能、发展、航空领域。
1、引言
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的“比强度”。碳纤维属于聚合物碳，是有机纤维经固相反应转变为纤维状的无机碳化合物。碳纤维是一种新型非金属材料，它和它的复合材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、比重小和热胀胀系数小等优异性能，碳纤维单独使用时主要是利用其耐热性、耐蚀性、导电性和其它性质。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP(即碳纤维复合材料)的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。目前，碳纤维不仅广泛应用军事工业，而且在汽车构件、风力发电叶片、核电、油田钻探、体育用品、碳纤维复合芯电缆以及建筑补强材料领域也存在巨大应用空间，而其在航空领域的光辉业绩尤为引人注目。
2、碳纤维的发展
碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能，正逐步征服和取代传统材料。现已广泛应用于航天、航空和军事领域。世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。
碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。经过二十多年的发展，碳纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期，其工业地位已基本确立，美、日、英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分，并已逐步形成垄断优势。
我国对碳纤维的研究由于起步较晚，技术力量薄弱，虽然碳纤维及其复合材料在我国已被纳入国家“863”和“973”计划，但总体情况不尽理想，我国仍不具备成熟的碳纤维工业化生产技术，国防和民用碳纤维产品基本依赖进口。
3、碳纤维复合材料的性能及主要用途
由于碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工性好，沿纤维轴方向表现出很高的强度，且碳纤维比重小。 (1)碳纤维的化学性能
碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。这是历史上最早就被人类认识的碳素材料的特征之一。除强氧化性酸等特殊物质外，在常温常压附近，几乎为化学惰性。可以认为在普通的工作温度≤250℃环境下使用，很难观察到碳纤维发生化学变化。根据有关资料介绍，从碳素材料的化学性质分析，在≤250℃环境下，碳素材料既没有明显的氧化发生，也没有生成碳化物和层间化合物生成。由于碳素材料具有气孔结构，因此气孔率高达25%左右，在加热过程易产生吸附气体脱气情况，这样的过程更有利于我们稳定电气性能和在电热领域的应用。 (2)碳纤维的物理性能 (a)热学性质
碳素材料因石墨晶体的高度各向异性，而不同于一般固体物质与温度的依存性，从工业的应用角度来看，碳素材料比热大体上是恒定的。几乎不随石墨化度和碳素材料的种类而变化 (b) 导热性质
碳素材料热传导机理并不依赖于电子，而是依靠晶格振动导热，因此，不符合金属所遵循的维德曼—夫兰兹定律。根据有关资料介绍，普通的碳素材料导热系数极高，平行于晶粒方向的导热系数可与黄铜媲美 (c)电学性质
碳素材料电学性质主要与石墨晶体的电子行为和不同的处理温度有关，石墨的电子能带结构和载流子的种类及其扩散机理决定了上述性质。碳素材料这类电学性质具有本征半导体所具备的特征，电阻率变化主要与载流子的数量变化有关。
碳纤维的主要用途：
与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。最神奇的应用是采用长碳纤维制成的“纳米绳”可以将“太空电梯”由理想变为现实，太空电梯将可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上，也可以用这种“纳米绳”将太空中发射平台与地面固定在一起，在这样的发射平台上发射人造卫星和太空探测器就可以大大降低发射成本。
总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面
(一)航天领域
碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在航空领越特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70%~80%，在军用飞机上占30%~40%，在大型客机上占15%~50%。 (a)碳纤维树脂基复合材料 碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有质量轻
等一系列突出的性能，在对重量、刚度、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具有很大优势。碳纤维增强树脂基复合材料已成为生产武器装备的
重要材料。AV—8B 改型“鹞”式飞机是美国军用飞机中使用复合材料最多的机种，其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部件，全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的26%，使整机减重9%，有效载荷比AV—8A飞机增加了一倍。数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22 为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。
直升飞机上碳纤维增强树脂基复合材料的用量更是与日俱增。武装了驻港部队并参加了2007 年上海合作组织在俄罗斯反恐军演的直-9 型直升飞机，是我国先进的直升飞机。该机复合材料用量已占到60%左右，主要是CFRP。此外，日本生产的OH-1 “忍者”直升飞机，机身的40%是用CFRP，桨叶等也用CFRP 制造。 在民用领域，世界最大的飞机A380 由于CFRP 的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。这种飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP)。由于CFRP 的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损，从而大大减少了油耗和排放。燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%~20%，成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。 (b)碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是以碳纤维及其制品(碳毡或碳布)作为增强材料的复合材料。因为它的组成元素只有一个(即碳元素),因而碳/碳复合材料具有许多碳和石墨材料的优点，如密度低(石墨的理论密度为2.3g/cm3)和优异的热性能,即高的热导率、低热膨胀系数,能承受极高的温度和极大的热加速率，有极强的抗热冲击,在高温和超高温环境下具有高强度、高模量和高化学惰性。凭借着轻质难熔的优良特性，碳纤维增强基体的(C/C)复合摩擦材料在航空航天工业中得到了广泛应用。航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料，都会选用碳碳复合材料。另外还大量用作高超音速飞机的刹车片，目前，国际上大多数军用和民用干线飞机采均用碳纤维增强基体的复合材料刹车副。这种刹车副不仅质量轻、抗热冲击性好、摩擦系数稳定、使用寿命长，更为方便的是可设计性强，性能便于调节。还可制作发热元件和机械紧固件、涡轮发动机叶片和内燃机活塞等。
(二)、其他领域 1)、高尔夫球棒
用CFRP制成的高尔夫球棒、可减轻重量约10一40%。根据动量守恒定律，可使球获得较大的初速度。另一方面.CFRP具有高的阻尼特性，可使击球时间延长,球被击得更远。 2)、 钓鱼竿
碳纤维增强复合材料制成的钓鱼竿比GFRP制品或竹竿都要轻得多，使其在撒竿时消耗能量少，而且撤竿距比后者远20%左右。CFRP所制的钓鱼竿长而好，刚性大，钓鱼竿在弯曲之后能迅速复原，使其传递诱饵的感觉较为灵敏。现在已有商品销售，用碳纤维增强塑料还可以制成渔具的卷铀，其重量不超过l40克，但它的疲劳强度高，耐摩擦，因而使用寿命长。 3)、赛车
用石墨纤维长丝制成的管材可用来制造比赛车或通用自行车的车架,其特点是重量轻，比钢制架可减重50%左右，使自行车的总重量减轻15%。
碳纤维与玻璃纤维混合增强复合材料可用来制造越野赛汽车，它的特点是重量轻。用金属材料制造的同样车体的总重量为226.8公斤，用CFRP制造时为63.5公斤，用CF/GPRP制造时重量可减轻到31.8至36.5公斤。
在赛车领域，碳纤维复合材料最著名的运用无疑是F1车身。为了使重量保持最小，所有车队都广泛使用碳纤材料，而这些材料的强固性足以支撑车子的重量。
4.我国碳纤维复合材料发展现状
现代的碳纤维是以聚丙烯腈、人造丝或木质素为原丝，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起高温分解并且碳化后得到的，还不能直接用碳或石墨来制取。
据了解，目前全球碳纤维产能约3.5万吨，我国市场年需求量6500吨左右，属于碳纤维消费大国。在以“高性能聚丙烯腈碳纤维制备的基础科学问题”为主题的第335次香山科学会议上，会议执行主席、国家自然科学基金委员会师绪院士指出，与国外技术相比，我国碳纤维领域还存在较大差距。2007年，我国碳纤维产能仅200吨左右，而且主要是低性能产品。由于缺少具有自主知识产权的技术支撑，目前国内企业尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。这就使得我国碳纤维在质量、技术和生产规模等方面均与国外存在很大差距，绝大部分高性能增强材料都长期依赖进口，价格非常昂贵。由于缺乏创新与集成和应用领域的拓展，极大地制约了我国碳纤维复合材料工业的发展。
基于我国高性能碳纤维复合材料产业尚不能满足国民经济快速、健康、持续发展的需求，国家发展改革委2008~2009 年组织实施高性能纤维复合材料高技术产业化专项，重点支持碳纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维及其高性能复合材料的生产技术及关键装备的产业化示范，以满足国民经济以及航空航天等高技术产业发展的需求，培育一批具有国际竞争力的龙头企业。这一举措将为我国从材料大国转变为材料强国奠定坚实的基础。今年5月，由鹰游纺机自主研发的碳纤维生产线和神鹰碳纤维项目通过国家级验收，标志着我国碳纤维生产已成功实现国产化和产业化。
摘 要：碳纤维增强树脂基复合材料以其优异的综合性能成为当今世界材料学科研究的 重点。本文介绍了的碳纤维增强复合材料的性能，简述了增强机理、成型工艺及其应用领 域和发展趋势。
新材料的研究、发展与应用一直是当代高新技术 的重要内容之一。其中复合材料，特别是先进复合材料 在新材料技术领域占有重要的地位，对促进世界各国 军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的 作用，因此近年来倍受重视。
复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。【1】
碳纤维增强复合材料(CFRP)是目前最先进的复合 材料之一。它以轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能 优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料， ，而这些优 异的性能可使碳纤维成为一种十分良好的增强材 料。目前，碳纤维大部分应用于碳纤维增强树脂基 复 合 材 料 ( Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite，简称CFRP)。是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。因为环氧树脂的热机械 性能、抗蠕变性能、粘接性能优异而且吸湿性好; 固化收缩率和线膨胀系数小;固化温度较低;较高 温度下稳定性好;尺寸稳定性、综合性能好[2];而 且又与有机材料的浸润性能好等优点，所以近年来 应用最多的就是碳纤维增强环氧树脂复合材料。目 前为止，CFRP 可以应用于航空、航天，体育用品， 交通工具，建筑材料等多个领域。无论是军用还 是民用，随着研究的不断深入和工厂的大规模生产， 其应用领域更为广阔。
碳纤维增强树脂基复合材料的性能【10】
碳纤维增强树脂基复合材料具有一系列的优异性能, 主要表现在以下几个方面。
(1)具有高的比强度和比模量。CFRP的密度仅为 钢材的 1/5，钛合金的 1/3，比铝合金和玻璃钢(GFRP) 还轻，使其比强度(强度 / 密度)是高强度钢、超硬铝、 钛合金的4倍左右，玻璃钢的2倍左右;比模量(模量/ 密度)是它们的3倍以上。CFRP轻而刚、刚而强的特性 是其广泛用于宇航结构材料最基本的性能。
(2)耐疲劳。在静态下，CFRP 循环 105 次、承受 90%的极限强度应力时才被破坏，而钢材只能承受极 限强度的 50%左右。对于碳纤维增强树脂基复合材 料，在应力作用下呈现粘弹性材料的疲劳特性，显示出 耐疲劳特性。CFRP呈现出良好的抗蠕变性能，这可能 与碳纤维的刚性有关。
(3)热膨胀系数小。碳纤维的热膨胀系数α具有 显著的各向异性，使其复合材料的α也具有各向异 性。
(4)耐磨擦，抗磨损。CFRP 有优良的耐疲劳特 性、热膨胀系数小和热导率高的特性，具耐磨擦、抗磨 损的基本性能。再加之碳纤维具有乱层石墨结构，自 润滑性好，适用于摩擦磨损材料。比磨耗量可用以下 三式表示。
Wr=KLª
a=(b+2)/ 3
N=(So /S )/ b
式中Wr 为比磨耗量; K为比例常数; S为循环作 用的应力; So 为材料的拉伸强度; N为断裂时的循环次 数。 CFRP具有高的拉伸强度，是优良的摩擦材料。
(5)耐蚀性。碳纤维的耐蚀性非常优异，在酸、碱、 盐和溶剂中长期浸泡不会溶胀变质。CFRP 的耐蚀性 主要取决于基体树脂。长期在酸、碱、盐和有机溶剂环 境中，刻蚀、溶胀等使其变性、腐蚀，导致复合材料性能 下降。
(6)耐水性好。碳纤维复合材料的耐水性好，可长 期在潮湿环境和水中使用。一般沿纤维方向(0° )的强度 保持率较高，垂直于纤维方向(90º)的保持率较低。这可 能与基体树脂的吸湿、溶胀有关。
(7)导电性好。碳纤维具有导电性能。对于 CFRP 导电性能来自碳纤维，基体树脂是绝缘体。因此，CFRP 的导电性能也具有各向异性。
(8)射线透过性。CFRP对 X射线透过率大，吸收 率小，可在医疗器材(如 X光机)方面应用。
2 增强机理 碳纤维增强树脂基复合材料是以聚合物为基体 (连续相)，纤维为增强材料(分散相)组成的复合材料。 纤维材料的强度和模量一般比基体材料高得多，使它 成为主要的承载体。但是必须有一种粘接性能好的基 体材料把纤维牢固地粘接起来。同时，基体材料又能起到使外加载荷均匀分布，并传递给纤维的作用【11】。
这种复合材料的特点是，在应力作用下，使纤维的 应变与基体树脂的应变归于相等，但由于基体树脂的 弹性模量比纤维小得多，且易塑性屈服，因而当纤维和 基体处在相同应变时，纤维中的应力要比基体中的应 力大得多，致使一些有裂口的纤维先断头，然而由于断 头部分受到粘着它的基体的塑性流动的阻碍，断纤维 在稍离断头的未断部分仍然与其周围未断纤维一样承 担相同的负荷。复合增强的另一原因是基体抑制裂纹 的效应，柔软基体依靠切变作用使裂纹不沿垂直方向 发展而发生偏斜，导致断裂能有很大一部分用于抵抗 基体对纤维的粘着力，从而使银纹在 CFRP 整个体积 内得到一致，而使抵抗裂纹产生、生长、断裂以及裂纹 传播的能力都大为提高。因此，CFRP的力学性能得到 很大的改善和提高【12】。
1 实验部分
1.1 实验原料
碳纤维(12K/T-300)：台湾台塑厂;环氧树脂 E51：星辰化工无锡树脂厂;固化剂：二乙烯三胺 (DETA)分析纯，国药集团化学试剂有限公司;活 性稀释剂：市售。
1.2 实验仪器及设备 电子天平：H10KS，上海仪器总厂;电热恒温 鼓风干燥箱：DHG-9030 型，上海精密实验设备有 限公司;搅拌器：DF-1 型，荣华仪器制造有限公 司;模具：自制。
1.3 复合材料的制备
(1)将碳纤维干燥，条件为：150 ℃/2 h; (2)按规定配比配制树脂胶液;
(3)采用手糊成型工艺制作层合板，并固化， 固化条件为 100 ℃/3 h + 150 ℃/2 h;
(4)用万能制样机切割标准样条;
其中制作的层合板长宽为 200 mm×200 mm， 厚度为 5 mm 的方形板材，基体树脂每层用量为 20 g，碳纤维每层平铺，一共为 8 层，层与层之间的碳 纤维丝束成十字交叉排列。
试验结果与讨论
2. 1 碳纤维含量对硬度的影响 显微硬度试验结果示于图 1。可以看出, 随着 碳纤维含量的增加, 试样的硬度呈现 S 形增加趋 势, 增加幅度由小到大又由大到小。碳纤维是脆性 材料, 具有高的强度和比模量, 所以加入碳纤维能提 高试样的硬度[ 5] 。基体是树脂材料, 其硬度较低, 当 碳纤维含量较低时, 由于在基体中较分散, 所以对显 微硬度的贡献较小; 当碳纤维含量> 10%, 碳纤维的 作用变的非常明显, 所以硬度有较大幅度的增加; 但 是, 当碳纤维含量> 25% , 碳纤维的增强作用逐渐达 到饱和, 硬度的增加速度开始下降。总之, 碳纤维的 加入对硬度的提高非常明显。
图y为不同碳纤维含量样品的电导率。从中可 以看出, 当碳纤维含量< 10%时, 电阻随纤维含量的 增加急剧下降; 当碳纤维含量> 10%时, 体积电阻的 变化趋于平缓, 电阻值的下降与碳纤维含量的增加 并不成正比, 有一个渗滤阀值, 这个渗滤阀值约为 15% 。这表明, 碳纤维/ 酚醛树脂复合体系在碳纤维 含量为 15%以上, 试样具有一定的导电性能[ 6] 。
上述结果可用以下理论解释, 当复合体系中导 电填料的含量在达到一个临界值前, 其电阻率急剧 下降, 在电阻率导电填料含量曲线上出现一个狭窄 的突变区域。在此区域内, 导电填料含量的任何细 微变化均会导致电阻率的显著改变, 这种现象通常 称为渗滤现象, 导电填料的临界含量称为渗滤阀值。 在突变区域之后, 即使导电填料含量继续提高, 复合 材料的电阻率变化甚小, 这反映在突变点附近导电 填料的分布开始形成导电通路网络。导电高分子材 料的导电现象是由导电填料的直接接触和填料间隙 之间的隧道效应的综合作用产生的; 或者说是由导 电通道、隧道效应和场致发射三种导电机理竞相作 用的结果。在低导电填料含量及低外加电压下, 导 电粒子间距较大, 形成链状导电通道的几率极小, 这 时隧道效应起主要作用; 在低导电填料含量和高外 加电压时, 场致发射理论变得显著; 在高导电填料含 量下, 导电粒子的间距小, 形成链状导电通道几率较 大, 这时导电通道机理的作用明显增大[ 7] 。
碳纤维含量对耐磨性的影响
试样磨损完毕后, 每个试样磨损前、后的质量磨 损量与碳纤维含量的关系如图 3 所示。从图 3 可以 看出, 随着碳纤维含量的增加, 复合材料的磨损率下 降、耐磨性能提高, 且提高程度随着碳纤维含量的增加而减小, 最后趋于不变。
综上所述，碳纤维增强树脂基复合材料品种结构 变化繁多，加工成型技术不断更新，基础理论研究方兴 未艾，应用领域相当广泛，这些事实充分证明了这一材料在工程塑料中的领先地位。随着基础研究和应用研 究的不断深入，该材料在取代金属、节约能源、特殊专 用等方面将发挥独特的作用，其巨大的潜力必将得到 进一步挖掘。
总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面: 4.1 航空航天领域的应用[13] 碳纤维复合材料与钢材相比其质量减轻 75%，而 强度却提高 4 倍，其最早最成熟的应用当属在航空航 天领域，如军用飞机、无人战斗机及导弹、火箭、人造卫 星等。早在 1970 年代初期，美国军用 F-14 战斗机就部 分采用碳纤维复合材料作为主承力结构。在民用航空 领域，如波音 767 和空中客车 A310 中，碳纤维复合材 料也占到了结构质量的 3%和 5%左右。近几年随着碳 纤维工业技术和航空航天事业的不断发展，碳纤维在 这一领域的应用更加广泛，如用于制造人造卫星支架、 卫星天线、航天飞机的机翼、火箭的喷焰口、战略导弹 的末级助推器、机器人的外壳等。
4.2 体育休闲领域的应用 体育休闲用品是碳纤维复合材料应用的另一个重 要领域，如高尔夫球杆、滑雪板、滑雪车、网球拍、钓鱼 竿等。用碳纤维复合材料制成的球拍与传统的铝合金 球拍相比，其质量更轻、手感和硬度更好、对震荡和振 动的吸收也更好，且使用寿命大大延长。同时由于复合 材料本身的可设计性，使得制造商在球拍的硬度、弹 性、球感、击球性能的设计上，有了更大的想象空间。而 碳纤维钓鱼竿由于其良好的韧性与耐用性，更是被广 泛青睐。近年来，碳纤维复合材料在运动及休闲型自行 车零组件方面的应用也非常广泛。
4.3 交通运输领域 碳纤维增强复合材料在交通运输方面主要是汽车 骨架、螺旋桨芯轴、轮毂、缓冲器、弹簧片、引擎零件、船 舶的增强材料等，尤其在汽车方面的应用更是潜力巨 大。早在 1979 年，福特汽车公司就在实验车上作了试 验，将其车身、框架等 160 个部件用碳纤维复合材料制 造，结果整车减重 33%，汽油的利用率提高了 44%，同 时大大降低了振动和噪音。
4.5 其他工业领域 防弹产品方面，包括防弹头盔、防弹服、防弹运钞 车和防弹汽车等;电子工业方面，包括各种反射面天 线、印刷电路板、壳架等;生物工程和人体医学方面， 包括人造关节、骨骼、CT扫瞄床板等;地铁车辆、发热 材料和电热用品以及机械制造工业等复合材料产品 多种多样，层出不穷，充分体现了其应用多元化的趋 势和特点。
【1】360百科
[2] 张金祥.新型 BMI/环氧树脂共固化体系的研究[D]. 大连：大连理 工大学，2011.
10张晓虎,孟宇,张炜.碳纤维增强复合材料技术发展现状及趋 势.纤维复合材料,2004,30(1):50～58.
11 王汝敏,郑水蓉,郑亚萍.聚合物基复合材料及工艺.北京:科学 出版社,2004.
12彭树文.碳纤维增强尼龙66的研究.工程塑料应用 13 苏小萍.碳纤维增强复合材料的应用现状.高科技纤维与应 用, 2004,29(5):34～36.
题目：碳纤维复合材料国内专利情况研究报告专利情报分析报告
学
院：
专
业： 年
级： 姓
名：
2015年12月
目
录
1 检索报告 …………………………………………………3 1.1 课题背景 …………………………………………………3 1.2 检索范围 …………………………………………………4 1.3 检索系统 …………………………………………………4 1.4 检索方式 …………………………………………………5 1.5 检索策略 …………………………………………………5 1.6 检索结果及处理 …………………………………………5 2.专利总体分析 ………………………………………………5 2.1 专利文献公布量年代分析 ………………………………6 2.2 专利权人分析 ……………………………………………6 2.3 技术领域趋势分析
…………………………………7 2.4 申请人相对研发实力分析 ………………………………8 2.5专利类型分析
……………………………………………9 2.6法律状态分析 ……………………………………………10 2.7机构属性分析 ……………………………………………11
1检索报告 1.1课题背景
碳纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。 碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。 碳纤维与传统的玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多;它与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出。
碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，
这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。
由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。
随着新技术的不断发展，对材料的要求日益增加，碳纤维所具有的高强度(是钢铁的5倍)、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)、出色的抗热冲击性、低热膨胀系数(变形量小)、热容量小(节能)、比重小(钢的1/5)、优秀的抗腐蚀与辐射性能等优势越来越能够适应时代的要求。
1.2检索范围
国内相关专利
1.3检索系统
SIPO专利检索系统
1.4检索方式
关键词
1.5检索策略 1.5.1检索词
碳纤维
carbon fibre 复合材料
composite material 1.5.2检索策略
发明名称=(碳纤维 AND 复合材料) 1.6检索结果
通过以上检索式在SIPO专利数据库共检索出相关合并同族专利后专利文献1332篇.(经过阅读，共筛选出相关文献1032篇为基础进行分析)
2.总体专利分析
2.1专利文献公布量年代分析
从上图中可以看出，碳纤维复合材料方面专利文献公开量从2006年起整体呈增长趋势。近十年的公布量分为两个阶段：第一阶段2006年-2013年7年间，专利文献数量由最开始的少于50篇增长至2013年的187篇;第二阶段2013年-2015年三年间，专利文献数量波动不大，进入了相对平稳时期，专利数量在150篇200篇之间。通过文献公开量的趋势可以看到，近年来，该领域中，专利文献公开量呈快速增长趋势。通过文献量的趋势，可以判断出该领域的技术近年来呈平稳快速发展趋势。
2.2 专利权人分析
从上表可以看出，碳纤维复合材料方面技术主要掌握于各个高校手中，申请前十有五所均为高校，专利权数量占前十总量的59.24%，其中哈工大申请数量最多、。前十另外四家为各个公司所有，值得注意的是第四名为个人肖忠渊。
2.3 技术领域趋势分析
从上表可以看出，十年来，领域B32(层状产品)以及领域H01(基本电器元件)尽管在2012年左右稍有增加，但从体来说年申请量基本没有增长。而领域C08(有机高分子化合物;其制备及原料加工;以其为基料的组合物)和领域B29(塑料的加工;一般处于塑性状态物质的加工)则在进十年间总体上呈高速状态，尽管近两年有所下滑，但也远高于另外两个领域，可以预见这两个领域将是碳纤维复合材料今后的主要发展方向。
2.4申请人相对研发实力分析
从上表可以看出，申请量排名前十的申请人在不同领域的研发水平和侧重情况有所不同，其中，最为平均的是哈尔滨工业大学和天津大学，在5~6个领域都有发明;最不平均的是肖忠渊，只在两个领域有专利，而肖忠渊则在F16(工程原件或部件)领域独占鳌头，几乎垄断该项技术;而大连理工大学在B23(机床;其他金属加工)方面具有垄断性优势。
2.5专利类型分析
从上表可以看出，在碳纤维复合材料领域发明书要远大于实用新型数
2.6法律状态分析
从上表可以看出，整体上来说，碳纤维符合材料相关专利的法律状态并不乐观，仅有约三分之一的专利有效，撤回，失效，驳回的专利占四分之一，而还有四成多的专利处于审核状态，这提醒我们后来的人要注意申请专利时一定要各方面考虑完全，尽量提高申请成功率。
2.7机构属性分析
从上表可以看出，企业和大专院校是专利申请的主力军，几乎平分了申请总量，另有少部分也属于科研单位，这从侧面也证明了碳纤维复合材料属于高科技领域，具有相当广阔的市场前景。
粘贴碳纤维材料是碳纤维施工中非常重要的一部分。粘贴的好坏直接影响到施工的质量，如何粘贴才是最好的呢?
在粘贴碳纤维材料之前，首先应确认粘贴表面干燥。气温在-10℃以上，相对湿度RH>85%时，如无有效措施不得施工。为防止碳纤维受损，在碳纤维材料运输、储存、裁切和粘贴过程中。应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸切断碳纤维材料，每段长度一般以不超过6m为宜。为防止材料在保管过程中损坏，材料的裁切数量应按当天的用量裁切为准。碳纤维纵向接头必须搭接20cm以上。该部位应多涂树脂，碳纤维横向不需要搭接。其施工工艺要点如下：
(1) 粘贴树脂的主剂、固化催促剂和固化剂应按规定的比例称量准确，装入容器，用搅拌器搅拌均匀。一次调和量应以在可使用时间内用完为准。
(2) 粘贴时，在碳纤维和树脂之间尽量不要有空气。可用罗拉(专用工具)沿着纤维方向在碳纤维材料上滚压多次，使树脂渗浸入碳纤维中。
粘贴碳纤维材料后，需自然养护1-2小时达到初期固化，应保证固化期间不受外界干扰和碰撞，这样加固之后才会非常的牢固。
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