淺談碳纖維復合材料

王靜　王平俊　劉歆

摘 要：本文比較分析了碳纖維復合材料具有的優良性能，分析談碳纖維復合材料在航天航空領域以及在能源、汽車及其他工業部門的應用情況。

關鍵詞：碳纖維；航天；航空；應用

一、引言

碳纖維是近幾十年發展起來的一種新型材料，它是碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合制成的結構材料。其直徑6～8μm之內，它是一種直徑極細的連續細絲材料。目前用在復合材料中的碳纖維主要有聚丙烯腈基碳纖維和瀝青基碳纖維兩大類，分別用聚丙烯腈原絲、瀝青原絲通過專門而又復雜的碳化工藝制備而得。通過碳化工藝，使纖維中的氫、氧等元素得以排出，成為一種接近純碳的材料，含碳量一般都在90%以上，而本身質量卻大為減輕；碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現出很高的強度。它是一種輕質、高強度、高模量、化學性能穩定的高性能纖維材料。

二、碳纖維復合材料的性能

碳纖維復合材料與金屬材料或其他工程材料相比，具有以下許多優良的性能：

（1）比強度和比模量高

碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7-9倍，抗拉彈性模量為23000-43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/（g/cm3）以上，而A3鋼的比強度僅為59Mpa/（g/cm3）左右，其比模量也比鋼高。

（2）良好的耐疲勞性能

當裂紋由表面向內層擴展時，到達某一纖維取向的層面時，會使裂紋擴展在該層面內呈現斷裂發散，因此層壓的CFRP對疲勞裂紋擴張有“抑制”作用，這種特性使得CFRP的疲勞強度大大提高。研究表明CFRP的疲勞強度是靜力強度的90%。

（3）良好的抗腐蝕性

CFRP具有良好的耐酸、耐堿及耐其他化學腐蝕性介質的性能，這是因為其表面具有一層高性能的環氧樹脂或其他樹脂塑料。該優點使得其更具有競爭力，特別是在未來的電動汽車或其他有抗腐蝕要求的領域上。

三、碳纖維復合材料的應用

碳纖維復合材料主要是以滿足航空航天對高性能材料的要求而發展起來的。隨著碳纖維復合材料的優異性能越來越多地被認識和接受，其在能源、交通、汽車、海洋、建筑及其他工業部門的應用近年來在快速地發展。

（1）在航空領域的應用

為了提高和改善飛機性能，早在20世紀50年代，美國空軍材料實驗室就開始尋求一種新型的結構材料，碳纖維復合材料正是在這種背景下被列入發展計劃。近40年來，在航空航天領域應用得到長足的發展，主要用作主承力結構材料，如主翼、尾翼和機體；次承力構件，如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發動機艙、整流罩及座板等，此外還有C/C剎車片等。

（2）在航天領域的應用

用作導彈防熱及結構材料如火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層；衛星構架、天線、太陽能翼片底板、衛星-火箭結合部件；航天飛機機頭，機翼前緣和艙門等制件；哈勃太空望遠鏡的測量構架，太陽能電池板和無線電天線。

（3）在能源、汽車及其他工業部門的應用

隨著全球石油資源緊缺局面的加劇，新能源的開發和利用已成為當今十分重要的研究課題，其中風能的開發和利用已形成全球的共識。MW級的風機葉片長度在40m以上，10MW級的風機葉片長度達60m，采用碳纖維復合材料能滿足葉片輕質、高強度和高模量的要求。因此風電市場的快速增長將極大地推動碳纖維復合材料產業的發展。

對于未來的汽車工業，碳纖維復合材料將成為汽車制造的主流材料。2001年寶馬公司率先開發和試驗高強輕質的碳纖維復合材料（CFRP）車體板和其他部件，所用碳纖維系Zoltek公司生產的大絲束產品。英國Cranfield大學的研究成果也表明，每年生產2萬輛的CFRP汽車是可行的。這種輕質化材料的汽車將改進其燃料效率，輕質化材料部件的剛性比鋼制部件高，在高風阻力下具有良好穩定性，這一點對賽車和運動型車而言更為重要。目前已研制出的CFRP汽車長4.3m、寬1.7m、高1.4m，重量只有570kg。CFRP材料由德國Tenax公司生產提供。

聚合物樹脂基體以及高性能的玻璃纖維、碳纖維和芳綸增強體的復合材料在一些新的應用領域取得進展，如具有防爆功能的裝甲復合材料，以天然氣作動力的汽車發動機汽缸，機械驅動軸，高速路高架橋承載梁等，在基建、兵器、醫療器械、體育休閑用品等領域都存在巨大的市場潛力。

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