碳纖維復合材料的應用研究

杜云峰 張廣城 沙學鋒

【摘要】碳纖維復合材料自20世紀50年代面世以來，以其獨特的性能，應用于尖端科學技術方面。本文比較分析了碳纖維復合材料具有的優良性能，分析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；復合材料；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。隨著碳纖維復合材料性能的不斷完善和提高，目前在土木工程、航空航天、石油化工、交通運輸、體育產品等領域得到廣泛應用。本文比較分析了碳纖維復合材料具有的優良性能，分析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。

二、碳纖維復合材料的性能

（一）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。

（二）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

（一）土木建筑領域的應用

水泥在土木建材領域中用量最大，但水泥也有諸如脆性大、抗拉強度低等缺點，而現在用混凝土或水泥做基體制成的碳纖維增強復合材料，克服了水泥強度低、在混凝土中易開裂、易受到氯鹽、硫酸鹽等侵蝕的缺點，在冬季及寒冷地區有很大的應用空間。在大型建筑中，鋼筋的使用量相當驚人，國家體育場“鳥巢”的鋼筋綁扎量達到5.2萬噸，施工量大，運輸、安裝費時費力，如果采用自身較輕的碳纖維，可以大大降低建筑結構的重量，方便施工，減少安裝時間，降低施工周期。用碳纖維和樹脂制成的碳纖維復合材料片，拉伸模量高、拉伸強度大，廣泛應用于加固受損的鋼筋混凝土結構物，用在石油平臺上可使石油平臺壁的耐沖擊性能大大增強。

（二）在航天領域的應用

碳纖維復合材料的應用主要是以滿足航空航天領域而發展起來的，例如在航天飛機機頭和機翼前緣和艙門等制件；衛星構架、天線、太陽能翼片底板、衛星一火箭結合部件；哈勃太空望遠鏡的測量構架，太陽能電池板和無線電天線等。

（三）在新能源方面的應用

目前全球的石油資源緊缺局面進一步加劇，如何開發和利用新能源是擺在我們面前的難題。而風能的開發和利用己形成全球的共識。MW級的風機葉片長度在40m以上，IOMW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。

（四）在運動休閑領域中的應用

像球桿、釣魚竿、網球拍、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，全世界碳纖維釣魚竿的產量約為每年2000萬副，網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、賽艇等其他海洋運動中。日常用品中音響、浴霸、取暖器，遠紅外理療產品等家用電器以及手機、筆記本電腦等電子產品都會應用到碳纖維。

四、總結

目前我國碳纖維復合材料發展迅速，在大飛機、高速列車等項目上都有著巨大的需求，但我國碳纖維復合材料的發展與發達國家相比還有很大差距，碳纖維復合材料還需要大量進口，在碳纖維的低成本上和復合材料成型技術上我們還要花很大的力氣。