摘要：碳钢复合材料的高强度重量比使其成为一种替代传统材料的优秀节能材料。在强度应用中，高重量钢逐渐被低重量且耐腐蚀的碳钢复合材料替代。因此，碳材料增强的碳钢复合材料已成为航空、汽车、体育用品等其他需要高强度和高模量的应用中的最前沿材料。这篇综述是关于碳钢复合材料的讨论，其中强调了这些复合材料的结构重要性。讨论的目的是提供有关碳钢复合材料的理化性能改进，还包括有关碳钢复合材料的制备、加工和结构的应用现状。
关键词：碳钢复合材料；碳纤维；理化性能；应用现状
1.引言
近年来，由于复合材料技术领域的广泛研究，其成本逐渐降低，已经在不同的建筑应用中打开了市场[1]。通常将复合物定义为具有与其组成成分的物理和化学特性明显不同的两种或更多种成分的组合[2-3]。碳钢复合材料由碳基体制成，强而硬的钢材料为增强物分布在基体内，制备目的是生产一种具有改善的机械性能的轻质材料。碳钢复合材料性能的改善主要受到材料结构区域中基体和增强材料之间的微观结构和相互作用的控制[4]。碳钢复合材料需要在化学和机械性能之间保持良好的平衡，以便高效安全地使用。碳钢复合材料因其低密度、高强度和高模量而主要用于轻型承载结构。过去几十年，我们看到聚合物材料已取代常规材料，用于各种应用领域[5]。用于结构应用的增强材料的商业示例包括玻璃纤维或碳钢增强的热固性复合材料。碳钢是制造高级结构复合材料的优异原材料。碳钢复合材料的轻质、高强度和出色的抗疲劳性使其可应用于航空航天、风力涡轮叶片、运动器材和运输等大量结构应用[6]。本文综述主要针对理化性能改进碳钢复合材料及其市场前景。此外，综述简要讨论了碳钢复合材料的制造技术，从形变热处理、普通热处理和粉末冶金，基于碳钢复合材料的理化性能改进进行研究。
2.碳钢复合材料的制备工艺
碳钢复合材料的制造过程中取向的不完善导致在碳基质中形成空隙，该空隙作为薄弱点，导致强度降低。这种弱点也可能是由于在碳钢复合材料的制造过程中形成的表面凹坑和大尺寸微晶而引起的，通常会进行形变热处理、普通热处理和粉末冶金处理，以增强材料的性能。
2.1 形变热处理
碳钢复合材料的耐磨性和摩擦系数取决于聚合物基质中纤维的滑动取向[7]。通过形变热处理的碳材料可在纵向、横向或相对于碳材料滑动方向垂直方向上取向。研究发现碳钢复合材料，其耐磨性极好，且横向摩擦系数最小。
2.2 普通热处理
塑性记忆是复合材料的另一重要特性，可用于空间理化结构改进研究。通过普通热处理，碳钢复合材料在高于其变形温度时，应记住其形状，并在加热至高于变形温度时恢复其原始形状[8]。此现象不仅在纯热塑性材料中体现，且在热塑性碳钢复合复合材料中也能体现。与纯净的热塑性塑料相比，这些基于理化改性的碳钢复合材料在形状恢复方面显示出优异的改善。
2.3 粉末冶金处理
通过粉末冶金处理的碳钢复合材料碳直径对微晶厚度、碳化程度和碳含量有显着影响。随着碳直径的减小，碳化程度和碳含量增加，但碳钢复合材料的厚度变小。除这些最新技术，还开发了气相生长的碳，其性能优于通过热分解原料获得的碳材料。但由于成本高昂，在结构应用中受到了很大的限制。
3.碳钢复合材料的理化性能改进
碳钢复合材料的应用包括军用飞机零件、卫星零件、运载火箭零件、油箱、导弹零件、太阳能电池板框架、汽车工业的各种零件、体育用品、赛车和汽车[9]。因其高强度、尺寸稳定性、高耐热性、耐化学性、可重复使用性和热稳定性而被航天工业完全消耗。
鉴于其优越的性能，其他结构工业，例如汽车、船舶和建筑，开始使用这种碳钢复合材料。与其他复合材料相比，基于碳钢复合材料的研究日益增加。
3.1 碳钢复合材料的室温力学性能改进
高科技行业大量使用碳钢复合材料，其成本和生产都不是问题。而在工程和运输领域，其目的是获得最佳性能和燃油效率。因此，在成本限制和高生产率的推动下，这些领域逐步使用碳钢复合材料。在汽车工业中使用室温力学性能改进碳钢复合材料的主要目的是制造轻质材料。不同的汽车部件，如车身面板、驱动轴，结构件、发动机部件、保险杠和悬架系统，主要基于碳钢复合材料组成。汽车悬架系统的弹簧元件由基于碳钢和聚碳酸酯的碳纤维复合材料制成。简而言之，汽车行业的主要部件是由室温力学性能改进热固性聚合物基碳钢复合材料制成的，而次要部件则是由热塑性基体复合材料制成的。
3.2 碳钢复合材料的超塑性改进
对于航空航天应用，只有铝是轻质材料，可与碳钢复合材料抗衡。但是高强度、能耗少以及环保的碳钢复合材料越来越引起人们关注。建筑行业中，基于碳钢复合材料因其耐腐蚀、良好的抗疲劳性、较高的比强度和刚度而开始使用。用于混凝土加固的格栅也是通过热固性连续碳钢基复合材料制成的。用超塑性改进的碳钢基复合材料网格代替钢丝网不仅减轻了重量，而且提高了耐腐蚀性，从而延长了使用寿命。风力涡轮机行业主要使用热固性碳纤维复合材料，因其具有高强度、易加工和高刚度的有利特性。为了从风力涡轮机获得高能量，叶片形状至关重要，可通过增加叶片的刚度和稳定性来实现。由于经过几次循环后的处置问题，涡轮机行业开始转向可回收的热塑性基碳纤维复合材料。
4.总结
碳钢复合材料是由技术制成、具有各个组分相最佳性能的理想组合。通常，一个相是连续的基质，它完全包围了另一相，称为分散相。在此讨论中，对碳钢复合材料（热塑性和热固性）进行了分类和制造，主要用于结构应用。在各类的基体复合材料中，碳钢的增强效率潜力最大。在使用这类的复合材料后，负载会通过基体相转移并分布在碳材料上。在碳钢复合材料的结构单元的基础上，阐述了改善碳钢复合材料作为增强填料性能的原因。由于碳钢之间存在很强的相互作用，因此碳钢复合材料可能会显著增加强度，从而引起人们对结构应用的关注。为了获得碳钢之间更好的相互作用以改善性能，采用形变热处理、普通热处理和粉末冶金处理。还讨论了碳钢复合材料的不同改性方法，室温力学性能改进和超塑性改进以及碳材料在基体中的取向对于增强复合材料至关重要。
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