碳纤维复合材料的发展和应用

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[摘要]本文着重介绍了碳纤维复合材料的显著特性，基于其强度高重量轻等优越特性而发展迅速，被广泛应用于航空航天、土木建筑，体育及生活等领域。

[关键词]碳纤维复合材料；特性；应用

1、引言

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，主要作为增强材料与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成结构材料，其比强度、比模量综合指标在现有材料中是最高的，力学性能颇具优势，所以被广泛应用于各个领域。

2、碳纤维材料的特性

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特殊纤维，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90%以上，不仅具有一般碳素材料的特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，但仅依靠碳纤维片本身并不能充分发挥其强大的力学特性及优越的耐久性能，只有通过环氧树脂将碳纤维片粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密结合才能达到补强的目的，具体具有以下特性：

（1）沿纤维轴方向有很高的强度，碳纤维的拉伸强度为2～7GPa，约为钢材的10倍，其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230～430Gpa亦高于钢，经应力疲劳数百万次的循环试验，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，玻璃只有20%～25%，所以所取安全系数为最低，但碳纤维的径向强度不如轴向强度，剪断强度弱，耐冲击性差；

（2）非氧化环境下具有突出的耐热性能，可以耐受2000℃以上的高温，碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降，而且温度越高，纤维强度越大；

（3）外形有显著的各向异性、柔软，可加工成各种织物、毡、席、带、纸及其他材料；

（4）热膨胀系数小，变形量小，结构尺寸稳定性好；

（5）具有极好的纤度，一般仅约19g，密度约为1.5～2g/cm3，比重比铝还要轻，重量约为钢材的1/5，比强度却是铁的20倍；

（6）耐腐蚀性好，碳纤维的成分几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元素之一，除强氧化酸以外，能在各种有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，不存在生锈问题；

（7）耐磨性好，与金属对磨时，损耗很少，可制成高级的摩擦材料。

3、碳纤维在各领域的应用

据报道航天飞行器的重量每减少1Kg，就可使运载火箭减轻500Kg，所以在航空航天工业中争相采用先进复合材料，由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，因其比重小、刚性好和强度高而成为火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备中必不可少一种先进材料。将碳纤维复合材料应用在战略导弹的弹体和发动机壳体上，可大大减轻重量，提高导弹的射程和冲击能力；碳纤维应用在舰艇上可减轻结构重量，增加舰艇有效负载，从而提高运送作战物资的能力；在飞机上大量应用碳纤维环氧复合材料能够减轻重量、节省燃油、降低排放、减少温室气体的排放；用碳纤维制作的耳机重量轻、强度好，既能减轻头部压力，又提高了人员佩戴的舒适性。

在土木建筑领域，碳纤维也应用在工业与民用建筑物、铁路、公路、桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强，具有密度小、强度高、耐久性好、应变能力强、抗腐蚀能力强的特点，可耐酸、碱等化学品腐蚀， 柔韧性佳。用碳纤维管制作的桁梁构架屋顶， 比钢材轻50%左右， 使大型结构物达到了实用化的水平，而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高， 碳纤维做补强混凝土结构时， 不需要增加螺栓和铆钉固定， 对原混凝土结构扰动较小， 施工工艺简便。

在运动休闲领域中，像球杆、钓鱼竿、网球拍、羽毛球拍、自行车、滑雪杖、滑雪板、帆板桅杆、航海船体等运动用品都是碳纤维的主要用户之一。体育应用中的重要应用为球棒和球拍框架，全世界40%的球棒都是由碳纤维制成的，全世界碳纤维钓鱼杆的产量约为每年2000万副，网球拍框架的市场容量约为每年600万副，碳纤维还应用在划船、赛艇等其它海洋运动中。

日常用品中音响、浴霸、取暖器，远红外理疗产品等家用电器以及手机、笔记本电脑等电子产品都会应用到碳纤维。

4、结束语

由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好、设计性好以及可大面积整体成型等诸多优点，已在航空航天、国防军工和民用工业领域得到广泛应用。据《2013-2017年中国碳纤维行业深度调研与投资战略规划分析报告》数据显示我国是碳纤维需求大国，2011年碳纤维市场规模达到6811.22吨，然而受供应不足的影响，国内碳纤维市场发展相对较为缓慢，预计未来几年，随着供应量的提升以及宏观经济的整体性好，我国碳纤维行业的需求量也将保持着较快速度的增长，不过国产碳纤维落后的技术却成为制约着我国碳纤维行业健康稳健发展的“拦路虎”，这直接导致我国碳纤维产品质量与进口产品之间的明显差距，也极大地限制了国产碳纤维产品在高端领域的应用，目前我国碳纤维产品在应用上集中于低端领域，在碳纤维质量要求较高的航空航天领域的应用比例仅为3%，远远没达到国际上碳纤维行业在航空航天领域应用占比的平均水平，而在质量要求相对较低的运动休闲用品领域，碳纤维的应用比例却高达80%左右，四倍于国际上碳纤维在运动休闲用品领域应用的平均水平，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碳纤维的生产工艺技术水平。

参考文献

[1]Doug Smock.准备迎接碳材料革命.美国 技术专题

[2]钱伯章，朱建芳.碳纤维复合材料在航空和汽车领域中的应用.中国 化学新型材料，2007-12-03

[3]徐梁华，李克健.高性能碳纤维及其复合材料在绿色能源建设及节能减排中的重要作用 中国 新产业革命，2010-03-05