碳纖維復合材料的發(fā)展和應用

[摘要]本文著重介紹了碳纖維復合材料的顯著特性，基于其強度高重量輕等優(yōu)越特性而發(fā)展迅速，被廣泛應用于航空航天、土木建筑，體育及生活等領域。

[關鍵詞]碳纖維復合材料；特性；應用

1、引言

碳纖維是50年代初應火箭、宇航及航空等尖端科學技術的需要而產(chǎn)生的，主要作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合制成結構材料，其比強度、比模量綜合指標在現(xiàn)有材料中是最高的，力學性能頗具優(yōu)勢，所以被廣泛應用于各個領域。

2、碳纖維材料的特性

碳纖維主要是由碳元素組成的一種特殊纖維，由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的，其含碳量隨種類不同而異，一般90%以上，不僅具有一般碳素材料的特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，但僅依靠碳纖維片本身并不能充分發(fā)揮其強大的力學特性及優(yōu)越的耐久性能，只有通過環(huán)氧樹脂將碳纖維片粘附于鋼筋混凝土結構表面并與之緊密結合才能達到補強的目的，具體具有以下特性：

（1）沿纖維軸方向有很高的強度，碳纖維的拉伸強度為2～7GPa，約為鋼材的10倍，其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230～430Gpa亦高于鋼，經(jīng)應力疲勞數(shù)百萬次的循環(huán)試驗，其強度保留率仍有60%，而鋼材為40%，鋁材為30%，玻璃只有20%～25%，所以所取安全系數(shù)為最低，但碳纖維的徑向強度不如軸向強度，剪斷強度弱，耐沖擊性差；

（2）非氧化環(huán)境下具有突出的耐熱性能，可以耐受2000℃以上的高溫，碳纖維要溫度高于1500℃時強度才開始下降，而且溫度越高，纖維強度越大；

（3）外形有顯著的各向異性、柔軟，可加工成各種織物、氈、席、帶、紙及其他材料；

（4）熱膨脹系數(shù)小，變形量小，結構尺寸穩(wěn)定性好；

（5）具有極好的纖度，一般僅約19g，密度約為1.5～2g/cm3，比重比鋁還要輕，重量約為鋼材的1/5，比強度卻是鐵的20倍；

（6）耐腐蝕性好，碳纖維的成分幾乎是純碳，而碳又是最穩(wěn)定的元素之一，除強氧化酸以外，能在各種有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，不存在生銹問題；

（7）耐磨性好，與金屬對磨時，損耗很少，可制成高級的摩擦材料。

3、碳纖維在各領域的應用

據(jù)報道航天飛行器的重量每減少1Kg，就可使運載火箭減輕500Kg，所以在航空航天工業(yè)中爭相采用先進復合材料，由碳纖維和環(huán)氧樹脂結合而成的復合材料，因其比重小、剛性好和強度高而成為火箭、衛(wèi)星、導彈、戰(zhàn)斗機和艦船等尖端武器裝備中必不可少一種先進材料。將碳纖維復合材料應用在戰(zhàn)略導彈的彈體和發(fā)動機殼體上，可大大減輕重量，提高導彈的射程和沖擊能力；碳纖維應用在艦艇上可減輕結構重量，增加艦艇有效負載，從而提高運送作戰(zhàn)物資的能力；在飛機上大量應用碳纖維環(huán)氧復合材料能夠減輕重量、節(jié)省燃油、降低排放、減少溫室氣體的排放；用碳纖維制作的耳機重量輕、強度好，既能減輕頭部壓力，又提高了人員佩戴的舒適性。

在土木建筑領域，碳纖維也應用在工業(yè)與民用建筑物、鐵路、公路、橋梁、隧道、煙囪、塔結構等的加固補強，具有密度小、強度高、耐久性好、應變能力強、抗腐蝕能力強的特點，可耐酸、堿等化學品腐蝕， 柔韌性佳。用碳纖維管制作的桁梁構架屋頂， 比鋼材輕50%左右， 使大型結構物達到了實用化的水平，而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高， 碳纖維做補強混凝土結構時， 不需要增加螺栓和鉚釘固定， 對原混凝土結構擾動較小， 施工工藝簡便。

在運動休閑領域中，像球桿、釣魚竿、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、自行車、滑雪杖、滑雪板、帆板桅桿、航海船體等運動用品都是碳纖維的主要用戶之一。體育應用中的重要應用為球棒和球拍框架，全世界40%的球棒都是由碳纖維制成的，全世界碳纖維釣魚桿的產(chǎn)量約為每年2000萬副，網(wǎng)球拍框架的市場容量約為每年600萬副，碳纖維還應用在劃船、賽艇等其它海洋運動中。

日常用品中音響、浴霸、取暖器，遠紅外理療產(chǎn)品等家用電器以及手機、筆記本電腦等電子產(chǎn)品都會應用到碳纖維。

4、結束語

由于碳纖維復合材料具有輕而強、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結構尺寸穩(wěn)定性好、設計性好以及可大面積整體成型等諸多優(yōu)點，已在航空航天、國防軍工和民用工業(yè)領域得到廣泛應用。據(jù)《2013-2017年中國碳纖維行業(yè)深度調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》數(shù)據(jù)顯示我國是碳纖維需求大國，2011年碳纖維市場規(guī)模達到6811.22噸，然而受供應不足的影響，國內(nèi)碳纖維市場發(fā)展相對較為緩慢，預計未來幾年，隨著供應量的提升以及宏觀經(jīng)濟的整體性好，我國碳纖維行業(yè)的需求量也將保持著較快速度的增長，不過國產(chǎn)碳纖維落后的技術卻成為制約著我國碳纖維行業(yè)健康穩(wěn)健發(fā)展的“攔路虎”，這直接導致我國碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量與進口產(chǎn)品之間的明顯差距，也極大地限制了國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品在高端領域的應用，目前我國碳纖維產(chǎn)品在應用上集中于低端領域，在碳纖維質(zhì)量要求較高的航空航天領域的應用比例僅為3%，遠遠沒達到國際上碳纖維行業(yè)在航空航天領域應用占比的平均水平，而在質(zhì)量要求相對較低的運動休閑用品領域，碳纖維的應用比例卻高達80%左右，四倍于國際上碳纖維在運動休閑用品領域應用的平均水平，隨著尖端技術對新材料技術性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不斷努力提高碳纖維的生產(chǎn)工藝技術水平。

參考文獻

[1]Doug Smock.準備迎接碳材料革命.美國 技術專題

[2]錢伯章，朱建芳.碳纖維復合材料在航空和汽車領域中的應用.中國 化學新型材料，2007-12-03

[3]徐梁華，李克健.高性能碳纖維及其復合材料在綠色能源建設及節(jié)能減排中的重要作用 中國 新產(chǎn)業(yè)革命，2010-03-05