碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用與展望

董鳳 李思靖 華林林

摘 要：當(dāng)今社會(huì)中，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用是十分廣泛的，有效地對(duì)復(fù)合材料的發(fā)展前景進(jìn)行展望是非常關(guān)鍵的。碳纖維復(fù)合材料的巨大應(yīng)用價(jià)值可以很好地體現(xiàn)在汽車(chē)工業(yè)之中;而在航空航天領(lǐng)域中，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可以使航天設(shè)備的質(zhì)量得到提高;在高速動(dòng)車(chē)組中，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可以提高動(dòng)車(chē)組的安全系數(shù)，使質(zhì)量得到保證，為我國(guó)在機(jī)械和材料方面的發(fā)展奠定了牢固的根基。

關(guān)鍵詞：碳纖維;復(fù)合材料;應(yīng)用與展望

1 碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)狀

1.1碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料因其具有重量輕、強(qiáng)度高、剛度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到汽車(chē)行業(yè)的重視。根據(jù)碳纖維復(fù)合材料密度小，強(qiáng)度高的特點(diǎn)，其在車(chē)身與底盤(pán)上的應(yīng)用，可以在不損失剛度和強(qiáng)度的情況下減輕汽車(chē)的重量，保證汽車(chē)的安全系數(shù)。碳纖維復(fù)合材料的韌性強(qiáng)，使其具有較高的能量吸收能力和抗沖擊能力，有利于提高汽車(chē)的撞擊安全性能。具有較高防振性能，可應(yīng)用于車(chē)身、發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)，有良好的隔音和減震效果，提升乘客和司機(jī)的舒適度。除此以外，復(fù)合材料還有耐熱、抗腐蝕和抗輻射的優(yōu)點(diǎn)，全面提升汽車(chē)的性能。在汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，不僅使汽車(chē)實(shí)現(xiàn)輕量化，而且提升了汽車(chē)的安全性能和舒適度。在車(chē)身、底盤(pán)和承重部件的應(yīng)用中，既保證了汽車(chē)的安全性，同時(shí)還能為汽車(chē)減重，在汽車(chē)制造的各種材料中，碳纖維復(fù)合材料是最輕的，尤其是與之前使用的鋼材相比，碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)在重量方面體現(xiàn)的更加明顯。

近些年中，日本開(kāi)始使用碳纖維復(fù)合材料來(lái)代替鋁合金，制作汽車(chē)渦輪增壓器的氣機(jī)葉輪，使葉輪質(zhì)量降低48%，減小了轉(zhuǎn)子的慣量，提高了加速性能，大大提升了渦輪增壓器的響應(yīng)時(shí)間。處理后的碳纖維，使碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度得到了大范圍改善，這是碳纖維在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的一個(gè)非常成功的例子。

1.2碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

當(dāng)前，碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用已小有所成，基本上已經(jīng)建立了碳纖維復(fù)合材料體系，并先后開(kāi)發(fā)了多種樹(shù)脂基體，如酚醛、雙馬、環(huán)氧、聚酰亞胺等，構(gòu)造了碳纖維-環(huán)氧樹(shù)脂和碳纖維-雙馬結(jié)構(gòu)及碳纖維-酚醛燒蝕熱防護(hù)兩大復(fù)合材料系列，對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的使用越來(lái)越熟練，應(yīng)用范圍逐漸夸大，應(yīng)用比例逐漸增多;預(yù)浸料鋪層模壓、纏繞、熱壓罐、液體成型等工藝技術(shù)手段已建立并應(yīng)用于各種型號(hào)，基本形成了較為完整的復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和應(yīng)用的一體化體系，在我國(guó)的航空航天事業(yè)發(fā)展中起著重要的支撐作用。此外，我國(guó)使用碳纖維復(fù)合材料自主研發(fā)出得剎車(chē)預(yù)制件的性能已完全達(dá)到國(guó)際水平。采用該工藝制造的碳/碳剎車(chē)盤(pán)，已批量裝備于國(guó)防重點(diǎn)型號(hào)軍用飛機(jī)上，并用于B757-200型民航飛機(jī)，其他機(jī)型的應(yīng)用正在試驗(yàn)中。

1.3碳纖維復(fù)合材料在高速動(dòng)車(chē)組中的應(yīng)用

目前，世界高鐵的發(fā)展盛況空前，而中國(guó)高速列車(chē)的發(fā)展尤為迅速，我國(guó)高速列車(chē)的擁有量和運(yùn)營(yíng)里程已占到世界總數(shù)的一半以上。隨著俄羅斯、泰國(guó)等國(guó)依次啟動(dòng)高速列車(chē)的項(xiàng)目，高速列車(chē)市場(chǎng)邁入了一個(gè)新時(shí)期，需求也越來(lái)越大。推動(dòng)了軌道交通技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也為新材料、新技術(shù)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了良好的機(jī)遇。隨著高速列車(chē)的不斷發(fā)展和完善，用戶對(duì)于個(gè)性化定制需求也呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展的趨勢(shì)。用戶不僅對(duì)列車(chē)運(yùn)行速度提出要求，還開(kāi)始關(guān)注列車(chē)運(yùn)行中的節(jié)能環(huán)保問(wèn)題、列車(chē)運(yùn)行的舒適便捷程度等。傳統(tǒng)的列車(chē)由金屬材料制成，雖然可以提高速度，但是與此同時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)、沖擊及噪聲等問(wèn)題，而且金屬材料的列車(chē)在面對(duì)高溫、高原、沙漠等惡劣環(huán)境時(shí)，應(yīng)對(duì)能力較弱。其他材料在應(yīng)用方面也或多或少有一些問(wèn)題，例如鋁合金制造的車(chē)體不易焊接、不耐腐蝕，不銹鋼制造的車(chē)體封閉、焊接時(shí)易變形，碳鋼的車(chē)體易腐蝕、非輕量化。由于這些傳統(tǒng)材料應(yīng)用起來(lái)危險(xiǎn)性高、制作技術(shù)要求高，所以在當(dāng)下的情況下已不能滿足目前的市場(chǎng)需要。

1.4碳纖維復(fù)合材料在建筑工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

自上個(gè)世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)開(kāi)始對(duì)碳纖維復(fù)合材料在土木工程和建筑補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行研究。目前，有幾十所高校和科研院所對(duì)建筑補(bǔ)強(qiáng)用碳纖維復(fù)合材料的制造和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究工作，并且在生產(chǎn)、設(shè)備制造、材料評(píng)價(jià)和體系設(shè)計(jì)、應(yīng)用技術(shù)等方面取得了很大進(jìn)展。現(xiàn)在碳纖維布和碳纖維復(fù)合材料板廣泛應(yīng)用于在工程應(yīng)用的方面，是結(jié)構(gòu)加固中的重要材料，已在人民大會(huì)堂、北京工人體育場(chǎng)、天安門(mén)城樓、軍事博物館、北京國(guó)貿(mào)立交橋、北京地鐵隧道、京沈高速公路橋、中石油輸油管道等許多重大基礎(chǔ)、公共和工業(yè)設(shè)施得到了應(yīng)用。然而，與其他國(guó)家相比，我國(guó)在建筑工程領(lǐng)域中對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用還處于初始階段，還有材料類(lèi)型和應(yīng)用技術(shù)單一的缺點(diǎn)，繼續(xù)研究解決。

2 碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展前景與建議

①建議國(guó)家層面重視，盡快出臺(tái)碳纖維復(fù)合材料發(fā)展戰(zhàn)略，并以此指導(dǎo)政府各部門(mén)制定相關(guān)發(fā)展政策和投資管理文件，設(shè)立投資門(mén)檻和投資方向，盡快清理整頓我國(guó)現(xiàn)在碳纖維復(fù)合材料行業(yè)中的混亂局面，使相關(guān)投資更科學(xué)、更有針對(duì)性、更有效益性。

②政府對(duì)于資金的利用一定要有針對(duì)性，用在關(guān)鍵之處，發(fā)揮其作用，要深諳行業(yè)之道，洞悉系統(tǒng)的關(guān)節(jié)，明確投資的目的不是為了增肥，而是在于疏通關(guān)節(jié)。例如，對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的用戶給予適當(dāng)補(bǔ)貼，不僅有利于碳纖維復(fù)合材料的推廣同時(shí)讓用戶收益，還有利于形成國(guó)產(chǎn)碳纖維質(zhì)量提升的激勵(lì)機(jī)制。

③復(fù)合材料是碳纖維及其應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)。對(duì)復(fù)合材料企業(yè)進(jìn)行有效投資，不僅能促進(jìn)碳纖維及其應(yīng)用的雙向發(fā)展，還有利于培養(yǎng)和形成復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)群。國(guó)際上也有復(fù)合材料企業(yè)對(duì)碳纖維企業(yè)進(jìn)行收購(gòu)的案例。

④當(dāng)下，我國(guó)迫切需要建立一個(gè)具有公信力及號(hào)召力的業(yè)界協(xié)會(huì)組織，來(lái)規(guī)范和約束市場(chǎng)的自律機(jī)制，遏制市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的惡性行為，如低價(jià)廝殺等，有效地保護(hù)企業(yè)自身利益、行業(yè)規(guī)范甚至國(guó)家新興的高科技產(chǎn)業(yè)集群，使其有更廣闊的發(fā)展空間，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)振興、超越世界、中國(guó)偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)！

結(jié)語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用如能在上述領(lǐng)域中進(jìn)行有效穩(wěn)定地實(shí)施，將會(huì)系統(tǒng)地提高我國(guó)材料行業(yè)的水平，促進(jìn)碳纖維在我國(guó)的應(yīng)用，能使其有更好的發(fā)展前景。

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