碳纖維材料的性能及應用

摘 要：文章闡述了碳纖維材料的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，論述了碳纖維材料的分類特性和功能特性。同時，著重介紹了碳纖維材料在航空、體育等行業(yè)中的應用，并展望了其發(fā)展前景。

關鍵詞：碳纖維材料；性能；應用；前景

1 前言

碳纖維主要成分為碳元素，是一種特種纖維，其分子結(jié)構(gòu)界于石墨與金剛石，含碳體積分數(shù)一般在0.9以上[1]。碳纖維的優(yōu)點是質(zhì)量輕、抗拉強度高，同時具有耐高溫、耐摩擦、導電、導熱、膨脹系數(shù)小等優(yōu)點。碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合后，形成碳纖維復合材料，也具有高的比強度、比模量、耐疲勞、導熱、導電等[2]，這些優(yōu)良的綜合性能，使得碳纖維材料在現(xiàn)代工業(yè)方面應用非常廣泛。

2 發(fā)展歷史及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

美國于20世紀50年代開始研究粘膠基碳纖維，1959年生產(chǎn)出了粘膠基纖維，這是最早的碳纖維產(chǎn)品。同一年，日本發(fā)明了制造碳纖維的新方法，即用聚丙烯腈基原絲制造碳纖維材料。之后，英國皇家航空研究院的研究工作，使聚丙烯腈基碳纖維成為碳纖維工業(yè)的主流。20世紀70年代中期，美國聯(lián)合碳化公司研發(fā)了高性能瀝青基碳纖維。同時，日本東麗公司于20世紀70年代初期，開始生產(chǎn)釣魚桿和高爾夫球棒。1974年，美國把碳纖維用于網(wǎng)球和羽毛球拍，實現(xiàn)了碳纖維增強塑料化。20世紀80年代，碳纖維廣泛用于客機、航天飛機和人造衛(wèi)星。隨著社會和科學技術的發(fā)展，碳纖維的需求量以大約13%的速度逐年遞增[3]。

我國在意識到碳纖維對軍工和民用的價值后，于1975年召開全國第一次碳纖維復合材料會議，將碳纖維及其復合材料納入國家科技攻關項目。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，我國碳纖維從無到有，取得了一定的成績。但總的來說，我國碳纖維材料的研發(fā)和生產(chǎn)水平低，不能滿足國內(nèi)與日俱增的市場需求。目前，國內(nèi)大部分企業(yè)的技術水平和設備水平低下，生產(chǎn)的碳纖維產(chǎn)品也在國際中下游水平[4]。

3 碳纖維材料的特性

碳纖維與鉆石和石墨一樣，主要由碳元素組成。具有以下特性：

3.1 輕質(zhì)高強，其密度為鐵的1/4，比強度為鐵的10倍以上，抗拉強度是鋼材的68倍，彈性模量是鋼材的1.8～2.6左右，其抗拉模量為295～640GPa，拉伸強度為3.62～7.05GPa。

3.2 化學性能穩(wěn)定，耐高低溫，耐腐蝕，在600℃左右的高溫下，仍能保持性能，在-180℃左右的低溫下，仍具有較好的柔韌性，不與酸、堿等腐蝕溶液發(fā)生化學反應。

3.3 可加工性好，碳纖維根據(jù)其受力需要，增加碳纖維層數(shù)，可加工成不同形狀，且不需要復雜的大型設備，多次加工對其結(jié)構(gòu)無損傷。

3.4 此外，碳纖維還具有其他的優(yōu)良特性：如X射線穿透性、抗熱、導電性及耐磨蝕性能等[5]。

3.4.1 碳纖維材料的分類

（1）按力學性能分類，碳纖維可分為4類：超高模量碳纖維；高模量碳纖維；超高強度碳纖維；高強度碳纖維。（2）按原材料分類，碳纖維可分為3類：PAN碳纖維，瀝青碳纖維，人造絲碳纖維。（3）按用途分類，碳纖維可分為2類：宇航級小絲束碳纖維（24K以下）；工業(yè)級大絲束碳纖維（48K以上）。

3.4.2 碳纖維的主要性能

（1）抗拉強度高，可達到3500MPa以上。（2）彈性模量高，可達到230GPa以上。（3）密度小，比強度高，碳纖維的密度是鋼的1/4，其比強度是鋼材的16倍以上。（4）耐高溫性能好，在惰性氣氛下，碳纖維材料可在2000℃左右正常使用，在3000℃左右不軟化融熔。（5）耐低溫性好，在-180℃左右的低溫下，碳纖維仍具有較好的柔韌性。（6）化學穩(wěn)定性好，能耐濃酸、濃堿、濃鹽等腐蝕溶液等的侵蝕。（7）熱膨脹系數(shù)小，導熱性能好，抗熱震性能好，經(jīng)過急冷急熱，也不會產(chǎn)生熱震裂紋。（8）碳纖維能使中子減速，具有良好的防輻射性能。（9）碳纖維電阻率為5～17μΩm，導電性能好。（10）可加工性能好，但耐沖擊差，后加工相對困難。

4 碳纖維材料的應用[6-9]

4.1 航空航天領域

碳纖維復合材料性能優(yōu)越，具有高的比強度、高的抗疲勞斷裂性和良好的加工成型性等的特點，同時，其電磁性能和吸波隱身的特點，使得其越來越多的被應用在的航空航天領域，以及軍事領域，如用于飛機、導彈和火箭等。

碳纖維材料在航空領域，主要用于生產(chǎn)機尾、地板梁等，其更多的作為一種基礎結(jié)構(gòu)材料。此外，副翼、螺旋漿、引擎等重要部件，也要在很大程度上使用碳纖維材料。20世紀80年代，客機和航空飛行器，普遍將碳纖維作為結(jié)構(gòu)材料使用，80年代中期，歐洲客機開始應用碳纖維增強塑料，作為飛機的首要材料，取得了良好的效果。21世紀以來，空中客機大量的使用碳纖維復合材料，碳纖維復合材料用量已接近客機總質(zhì)量的40%～50%。

在人類探索宇宙的過程中，人造衛(wèi)星的太陽能發(fā)電板、天線等部件，也大量應用碳纖維復合材料。

4.2 體育運動領域

高爾夫球棒、釣魚桿和網(wǎng)球拍，是在體育運動領域內(nèi)，碳纖維材料用途最多的三大方面。據(jù)估計，目前高爾夫球棒的年產(chǎn)量在3400萬副以上，碳纖維釣魚竿的年產(chǎn)量在2000萬副以上，網(wǎng)球拍的產(chǎn)量整逐年增加。同時。其它的體育項目，包括冰球棍、滑雪杖、射箭和自行車，以及大量的海洋運動項目中，大量的應用到碳纖維材料。

碳纖維復合材料的一個重要的應用領域，即為體育休閑用品，其消耗量約占全球碳纖維總產(chǎn)量的25%左右。而簡稱碳纖維高爾夫球桿占應用于體育用品碳纖維總量的50%左右，市場前景好。

4.3 一般制造業(yè)領域

除了航空航天領域和體育運動領域外，在工業(yè)制造領域，尤其是汽車制造行業(yè)，碳纖維材料大受歡迎。目前，國外知名的福特公司、奔馳等品牌汽車制造商，其發(fā)動機機罩、車內(nèi)裝飾、轎車底盤的內(nèi)裝飾材料、頂篷等大量的采用碳纖維材料，打破了傳統(tǒng)材料的限制，為汽車行業(yè)提供了更多的新鮮血液。

同時，在機器部件、家用電器、電腦、半導體等各個環(huán)保領域，碳纖維材料也大展拳腳。隨著環(huán)保要求的提高，其高強度、電磁波防護性能、防輻射性能，越來越受到人們的重視。

4.4 土木建筑領域

20世紀80年代到90年代，以碳纖維布加固修復鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)補強加固技術，成為發(fā)達國家土木建筑領域內(nèi)的一種新興的高端技術。

我國自20世紀90年代，開始研究開發(fā)此項技術，具有很重要的現(xiàn)實和歷史意義。我國名勝古跡眾多，其修繕和保護工作尤為重要，但現(xiàn)有的建筑材料阻礙了珍貴古建筑的修復和保護，因此碳纖維材料在土木建筑行業(yè)的使用，必將為古建筑群的保護和修復提供新的思路。同時，隨著碳纖維技術的不斷發(fā)展，碳纖維產(chǎn)品的生產(chǎn)成本不斷降低，施工技術的不斷完善，利用碳纖維材料進行建筑補強將具有廣闊的市場前景。

4.5 能源開發(fā)領域

在中國的某些地區(qū)，風力資源豐富，同時其作為一種潔凈的能源，越來越受到人類的重視。同時，隨著人類環(huán)保意識的提高，大型風力發(fā)電行業(yè)正蓬勃發(fā)展。

在風力發(fā)電機組中，能夠有效捕獲風能的關鍵部件是葉片。在發(fā)電機功率一定的前提條件下，葉片的材料越輕、強度越高、葉片越大，其捕獲的風能就越強。因此，質(zhì)地輕、強度高、耐用性能好的碳纖維復合材料，就成為大型風力發(fā)電機葉片材料的首選。同時，碳纖維材料良好的導電性，起到避雷針的作用，能有效減少和避免雷擊，對葉片造成損傷。

4.6 其他領域

同時，在其他領域中，碳纖維也在悄悄的進入人們的視野。在鐘表、手機等行業(yè)，碳纖維材料被用來制作更加輕質(zhì)的、更加高強度的手表表殼、表盤、手機后蓋等部件，使得產(chǎn)品在性能和科技含量上大大提高。未來的鐘表行業(yè)，多元化的元素將會越來越多，其賦予手表的含義也將會越來越豐富，也將會有碳纖維材料的一席之地。

5 展望

碳纖維材料屬于高新科技、高附加值的產(chǎn)品，具有一系列優(yōu)良的物理和化學性能，是其他材料不可比擬的。其應用范圍，從最初的航空航天領域、軍事領域，逐漸轉(zhuǎn)向民用領域，且己擴展到整個工業(yè)領域。隨著碳纖維材料的不斷研究和應用的不斷深入，其綜合性能將會不斷提高，同時，其應用領域范圍將會不斷擴展，包括土木建筑、能源、奢侈品、手表行業(yè)等民用領域，將會大規(guī)模采用碳纖維材料，具有廣闊的應用和市場發(fā)展前景。

參考文獻

[1]高波，徐自立.碳纖維及其復合材料的發(fā)展和應用[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新.2010，13（4）：37-39.

[2]賀福.迅速發(fā)展的我國碳纖維工業(yè)[J].高科技纖維與應用.2009，23.

[3]金立國.我國碳纖維工業(yè)現(xiàn)狀和碳纖維應用[J].合成纖維.2009，38（10）.

[4]錢伯章.碳纖維應用的最新進展[J].WorldPlastic，2009，27.

[5]張新元，何碧霞，李建利等.高性能碳纖維的性能及其應用[J].棉紡織技術.2011，39（4）：269-273.

[6]上官倩芡，蔡泖華.碳纖維及其復合材料的發(fā)展及應用[J].上海師范大學學報（自然科學版）.2008，37（3）：275-279.

[7]春勝利，黃榴紅，李勇鋒.碳纖維及其在復合材料方面的應用[J].玻璃鋼.2005（2）：5-14.

[8]肖長發(fā).化學纖維概論[M].北京：紡織工業(yè)出版社，1997.

[9]賀福，王茂章.碳纖維及其復合材料[M].北京：科學出版社，1995.