碳纖維材料的實踐應用分析

摘要：隨著材料學的不斷發展，新型材料的應用范圍越來越廣泛，其性能也趨于多樣化，其中就包括碳纖維材料的應用。本文以碳纖維材料的實踐應用為研究內容，在簡要闡述碳纖維材料的同時，從多個方面對碳纖維材料的應用加以介紹，以期加深人們對碳纖維材料的認識。

關鍵詞：碳纖維材料 實踐應用 材料學

碳纖維材料作為一種新型材料，因其獨特的物理和化學特性受到了大眾的廣泛歡迎。目前，其在航空航天、建筑、消防、交通運輸等領域應用廣泛。因此，研究碳纖維材料的實踐應用，有助于我們了解碳纖維材料的特性，以及其在不同領域的適應性，從而為碳纖維材料的研究提供方向，促進以碳纖維技術為核心的碳纖維產業不斷發展。

一、碳纖維材料概述

碳纖維材料以碳元素的纖維狀排列為主要結構，在碳纖維材料中，碳元素所占材料質量比超過了9成。碳纖維材料之所以被稱為“21世紀材料之星”，這與其特性有著密不可分的關系，它不僅具有良好的柔性，能夠在傳統紡織領域中應用，而且還具有一定的剛性，在持續高溫狀態下能夠保持較高的強度。除此之外，碳纖維材料還有耐腐蝕、耐疲勞等特性，能夠適應不同環境的要求。

二、碳纖維材料的實踐應用

碳纖維材料出現的時間較早，但是，碳纖維材料真正實現商業化的時間是在上個世紀七十年代。由于碳纖維材料的生產工藝要求較高，所以其高昂的價格使碳纖維材料的實踐應用受到了限制。但在科學技術不斷發展的今天，碳纖維材料技術得到了推廣，價格也隨之下降，這也為碳纖維材料在各領域的推廣應用奠定了基礎。

（一）碳纖維材料在航空航天領域的應用

眾所周知，航空航天技術水平是一個國家綜合國力的重要標志，材料學的發展直接影響著航空航天技術的進步。航空航天技術對質量和強度有著極高的要求，傳統材料在保證質量的情況下，不具備較高的強度，而大量使用鈦合金材料無疑增加了航空航天研究的成本。為此，研究人員將兼具低密度、高強度的碳纖維材料應用于航空航天領域，如火箭推進系統的尾噴管、整流罩、太陽能電池支撐板、飛機機翼、輪胎等。

以衛星太陽能電池支撐板為例，由于衛星在太空中進行工作的能源是通過太陽能電池板供電所提供的，所以衛星質量會大大增加，勢必也會耗費其能量。為此，研究人員使用碳纖維材料作為衛星太陽能電池支撐板的主要材料，利用其密度低、強度大的特性，滿足了衛星太陽能電池支撐板工作的需要，對其耗能影響也很小。

（二）碳纖維材料在建筑領域的應用

碳纖維技術的發展，以及相關生產工藝的日益成熟，使得碳纖維材料能夠實現批量生產，其價格也明顯降低。在建筑領域中，尤其是在對建筑結構強度要求較高的情況下，傳統材料普遍存在強度不夠或者是價格過高等問題，而碳纖維材料的應用則能很好地解決這些問題。

以剛剛建成通車的港珠澳大橋為例，港珠澳大橋的主體分段為斜拉橋結構，由于其需要承受超高的重量，所以建筑師在選擇斜拉鋼索時需要考慮到其抗拉性、抗疲勞性。同時，由于港珠澳大橋的地理位置較為特殊，所以斜拉鋼索受海水侵蝕較為嚴重，在選擇材料時還需要將其抗腐蝕性考慮在內。基于安全角度分析，建筑師選取了融合碳纖維技術的超高強度斜拉鋼索，其在滿足抗拉性、抗疲勞性的基礎上，還可以有效應對海水的腐蝕。

（三）碳纖維材料在交通領域中的應用

隨著現代交通行業的發展，交通運輸業在國民經濟中的作用越來越重要。以我國汽車制造業的發展為例，在常規汽車的制造技術上，我國與歐美國家的差距越來越小。為贏得更廣闊的市場，我國汽車制造企業在不斷提高汽車核心技術的同時，開始研發新的汽車材料，其中就包括碳纖維材料的應用。如汽車剎車片的設計，傳統材料的剎車片在長時間急剎車的情況下，由于過熱會導致其失效，進而威脅駕乘人員的安全。但是，設計人員利用碳纖維材料的導熱性，則可以增加剎車片的導熱效果，同時使制動效果能夠持續，確保駕乘人員的安全。

除此之外，在一些高端的交通工具中，碳纖維材料的應用也十分廣泛，如游艇的殼體結構、跑車的輪轂等。

（四）碳纖維材料在新能源領域的應用

隨著環境問題的惡化，以風能、太陽能、核能為代表的新能源逐漸引起了人們的重視，碳纖維材料對新能源技術的發展也起到了一定的推動作用。根據瑞典查爾姆斯理工大學的研究結果可知，碳纖維能夠充當電池的電極，并可以直接用于電能存儲，這為電池研究提供了新的方向。傳統電池結構雖然簡單，但由于電池的單位密度較大，所以其效率也較低。基于碳纖維技術的新型電池則能夠大幅提升電池儲能與質量之比，該技術如果應用于特斯拉電動車上，就可以使其重量減輕約50%。碳纖維材料的應用將推動新能源產業的發展，為環境保護做出巨大貢獻。

三、結語

盡管，我國在碳纖維技術方面的發展已經取得了一定的成就，但是，相關核心技術依然被歐美發達國家所掌握，技術封鎖制約了我國碳纖維材料的發展。因此，加快碳纖維材料技術的研究，拓展碳纖維材料的應用范圍，將成為我國材料學研究領域的重要課題，這也是我國碳纖維產業發展的堅實基礎。

參考文獻：

[1]戎光道.我國碳纖維產業發展現狀及建議[J].合成纖維工業，2013，（02）.

[2]姜茂川，范雨嬌.國內碳纖維產業發展淺析及展望[J].新材料產業，2017，（08）.

（作者簡介：吳宇堃，保定市第一中學，高中學歷。）