碳纤维复合材料的应用

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摘 要：本文概述了碳纤维复合材料的发展和性能，简要介绍了碳纤维复合材料在土木工程、航空航天、石油工业等方面的应用情况。

关键词：碳纤维；复合材料；应用

0 前言

碳纤维复合材料自20世纪50年代面世以来，以其独特的性能，主要用于火箭、航天、航空等尖端科学技术，随着碳纤维复合材料性能的不断完善和提高，目前在土木工程、航空航天、石油化工、交通运输、体育产品等领域得到广泛应用。

1 碳纤维复合材料的性能

碳纤维是由碳元素组成的特种纤维，其含碳量一般在90%以上。碳纤维材料有其独特的性能，包括：强度高，是钢铁的5倍；耐热性好，可以承受2000℃以上的高温；密度小，是钢铁的1/5；热膨胀系数低，在温差变化较大的情况下，变形量较低；抗热冲击性能也很好；耐腐蚀性能好，能耐硫酸等强酸的腐蚀；抗拉强度好，能达到钢的7～9倍。

2 碳纤维复合材料的应用

2.1 土木建筑领域的应用

水泥在土木建材领域中用量最大，但水泥也有诸如脆性大、抗拉强度低等缺点，而现在用混凝土或水泥做基体制成的碳纤维增强复合材料，克服了水泥强度低、在混凝土中易开裂、易受到氯盐、硫酸盐等侵蚀的缺点，在冬季及寒冷地区有很大的应用空间。在大型建筑中，钢筋的使用量相当惊人，国家体育场“鸟巢”的钢筋绑扎量达到5.2万吨，施工量大，运输、安装费时费力，如果采用自身较轻的碳纤维，可以大大降低建筑结构的重量，方便施工，减少安装时间，降低施工周期[1]。用碳纤维和树脂制成的碳纤维复合材料片，拉伸模量高、拉伸强度大，广泛应用于加固受损的钢筋混凝土结构物[2]，用在石油平台上可使石油平台壁的耐冲击性能大大增强。

2.2 航空航天领域的应用

航空工业最早大量采用碳纤维复合材料。在航空工业中，飞行器的质量轻，就意味着油耗的降低，速度的加快，碳纤维强度高、密度低、变形量低的特点决定了碳纤维是理想的航空材料。美国波音公司的787飞机，机体大量采用碳纤维材料，质量比传统的铝合金机体减轻近20%，耗油量大大降低，碳排放量每年可减少2700吨，被誉为“绿色客机”。欧洲空客公司A380客机上的机舱内壁板、后机身蒙皮、水平安定面等都由碳纤维复合材料制成。美国的“超级大黄蜂”战斗机、法国的“阵风”战斗机、欧洲的“台风”战斗机都大量使用碳纤维复合材料。碳纤维复合材料在航空工业上有着巨大的应用潜力[3]。

碳纤维复合材料可以减轻火箭和导弹的重量，加大火箭和导弹的射程，提高落点的精度[4]。美国的战斧式巡航导弹和三叉戟-2型导弹的发动机壳体采用的就是碳纤维复合材料。我国早在上世纪八十年代就在某型海防导弹上成功采用了碳纤维复合材料，使导弹的射程增大。“天宫一号”上的相机支架组件就是采用了由哈尔滨玻璃钢研究院研制的碳纤维复合材料。人造卫星展开式太阳能电池板也多采用碳纤维复合材料制作。目前碳纤维复合材料作为结构隐身材料也已经得到了某些应用[5]。

2.3 石油工业的应用

美国经过多年的努力，在20世纪90年代初研制成功了碳纤维复合材料连续抽油杆，试验结果表明: 碳纤维复合材料连续抽油杆克服了普通钢抽油杆质量大、能耗高、失效次数多、活塞效应大、作业速度慢、易磨损的缺点，是一种很有发展前途的特种抽油杆[6]。近来亚洲第一大石油公司中国石油天然气股份有限公司计划大力发展碳纤维产业,拓宽碳纤维复合材料的应用领域,不断向高端市场延伸，特别是海上钻井平台,目前每个平台要使用钢材8万吨,如果改用复合材料,则每个平台仅消耗1.3万吨的碳纤维复合材料。深海油气田将是碳纤维复合材料发挥作用的重要领域。

2.4 汽车工业、高速列车及体育用品中的应用

碳纤维扩大应用的最大希望在于在汽车工业的应用。在汽车车身、零部件中使用碳纤维复合材料，不但可以降低汽车的重量，而且可以更加经济环保，降低油耗。洛克希德马丁能源研究所（Lockheed martin Energy Research）的瓦伦（David Warren）统计过，如果每一辆北美的汽车用2.2kg碳纤维，那北美1800万辆小车的碳纤维总量就超过当前全球大丝束碳纤维总生产能力的4倍[7]。美国通用汽车公司和帝人公司日前宣布将联合研制应用在汽车上的先进碳纤维复合材料。碳纤维复合材料刹车片主要用于高速列车，是碳纤维复合材料的又一重要应用。日本、法国已经成功地将碳纤维复合材料刹车片应用于新干线和TGV高速列车制动，德国Knoor Bremse公司也研制出了高速列车用碳纤维复合材料盘型制动器。随着我国高速列车的飞速发展，碳纤维复合材料刹车片有着广阔的发展空间。碳纤维复合材料在运动器材中也得到了广泛应用。包括高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、钓鱼竿、自行车架、冰球拍、船桨、赛艇等，都已经形成了成熟的市场。

3 结语

目前我国碳纤维复合材料发展迅速，在大飞机、高速列车等项目上都有着巨大的需求，但我国碳纤维复合材料的发展与发达国家相比还有很大差距，碳纤维复合材料还需要大量进口，在碳纤维的低成本上和复合材料成型技术上我们还要花很大的力气。

参考文献：

[1] 高鑫.碳纤维在土木建筑中的应用[J].建材工业信息，2004，No5，40~41.

[2] 赵稼祥.2002世界碳纤维前景[J].高科技纤维与应用，2002，Dec，Val.27，No6，7~9.

[3] 赵稼祥.碳纤维复合材料在民用航空上的应用[J].高科技纤维与应用，2003，Jun，Vol.28，No3，33~35.

[4] 韩冰,陈平.碳纤维复合材料火箭发动机壳体用韧性环氧树脂基体的研究.复合材料学报，2002，Apr, Vol.19，No2，25~27.

[5] 袁健.碳纤维复合材料天线反射面研制[J].火控雷达技术，2003，Sep，Val.32，44~46.

[6] 吴则中,田丰,张海宴,郑永生,郑银强.碳纤维复合材料连续抽油杆的特点及应用前景[J].石油机械，2002，Vol.30，No2，53~56.

[7] 储长流,朱宁.碳纤维的性能与应用[J].北京纺织，2001，Vol.22，No6，39~41.