碳纖維增強樹脂基復合材料的應用及展望

王云飛 唐桂云 周鑫月

摘要：在現代化社會科技不斷進步的背景下，為我國各類行業發展提供良好的條件。碳纖維增強樹脂基復合材料主要是由碳纖維增強材料與樹脂基體共同組成的，在實際運用的過程中具有良好的工作性能。現階段，已經將其廣泛的應用于化工泵、高壓泵、以及液壓系統中。下文對其運用路徑與未來發展進行全面的講解。

關鍵詞：碳纖維增強樹脂基復合材料;應用;展望

引言：碳纖維增強樹脂基復合材料在實際運用的過程中具有較高的彈性模量與抗拉強度。并且，在碳纖維的作用下，可以較好的提高材料的高溫性能。由此可見，碳纖維增強樹脂基復合材料的實用效果。本篇文章，對碳纖維增強樹脂基復合材料進行深入的研究。確保材料運用的科學性、規范性，在今后的發展中獲得良好的市場空間。

一、碳纖維增強樹脂基復合材料概述

首先，相關人員應當對碳纖維增強樹脂基復合材料的組成材料特點入手。其中的樹脂基復合材料的構成物質主要有碳纖維、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚四氟乙烯等，因此在實際結合運用的過程中。不僅保證材料具備玻璃鋼的眾多優勢，而且全面創新優化其具體的工作性能。例如：其中的碳纖維環氧樹脂復合材料，整體工作強度與彈性模量都超過常規的鋁合金。整體的性能可以與高強度鋼進行比較，彌補普通玻璃鋼材料中彈性模量較低的工作缺點。與此同時，通過觀察發現該項材料在實踐應用的過程中具有優越的抗沖擊性、抗疲勞性、減磨耐磨性、以及自潤滑性、耐腐蝕性。

其次，相關人員對碳元素結構的優勢進行了解。碳元素具有同素異構的特點。常見的結構主要有無定形碳、石墨、金剛石等。并且，由于其元素分子結構具有較大的差異性，在使用中的性能也是不同的。碳纖維主要是由多種石墨晶體組成的多晶纖維。石墨的分子結構是層狀的六方晶體結構，并且呈現出向異性的特點。整體結構的強度較高，由此可知碳纖維其整體性能的優越性。在碳纖維增強樹脂基復合材料中，為保證碳纖維獲得較高的強度，通常情況下內部的石墨層面方向通常平行于纖維軸線方向。

最后，相關人員深度探析碳纖維的具體運用優點。碳纖維通常情況下是以人造纖維為原料，在隔絕空氣的條件下經過高溫碳化形成的。并且，在碳纖維增強樹脂基復合材料結構中，將碳纖維在2500-3000℃下，在氮氣中進行石墨化處理。則碳纖維內部的石墨晶體沿著纖維方向的排列將會更加整潔。由此可見，當前碳纖維增強樹脂基復合材料中碳纖維工作的優勢，是材料增強的重要作用因素。

二、碳纖維增強樹脂基復合材料的應用特點

通過長期的觀察與研究可以將碳纖維增強樹脂基復合材料的具體特點總結為以下幾點：第一點，碳纖維增強樹脂基復合材料化學穩定性較高、導熱性較好。第二點，材料具備良好的彈性模量，設計時可以允許在極限應力條件下進行使用。除此之外，通過觀察材料的高溫老化反應發現，碳纖維增強樹脂基復合材料的輕度損失比玻璃鋼相較小。由此可見，該項材料在實踐操作中可以作為宇宙飛行器的外層材料。例如：人造衛星和火箭的殼體。機械工業中，可以將該項材料運用于承載零件與耐磨零件的制作中。并且，可以將材料依據其特性使用于抗腐蝕化工零件的制作中。但是其主要的弊端就是，碳纖維與樹脂的綜合粘結力呈現出匱乏的問題。在實際操作的過程中，不利于整體復合材料性能的穩定發揮。其整體材料結構為現代工業、科學技術的發展創造良好的條件。

三、碳纖維增強樹脂基復合材料應用現狀

（一）航空航天領域的應用

傳統航空航天領域內部設備的零部件，通常為鋁制品、鈦合金制品。在實際運用的過程中，其整體的輕質性能、耐高溫性能不足。與此同時碳纖維增強樹脂基復合材料早在上世紀就已經被西方國家應用于航空航天事業中。首先，技術人員可以將碳纖維增強樹脂基復合材料與飛機設備的機翼零件制造進行融合。在現代社會影響下，其材料逐步應用于設備機身制造工作中。并且碳纖維增強樹脂基復合材料當前的制作工藝已經趨于成熟，已經與軍用飛機進行融合。例如：美國AV-8B改進式軍機在實踐運用的過程中，就已經使用碳纖維增強樹脂基復合材料作為自身結構的基礎材料。幫助其有效減輕整體機械構件，并且提高垂尾、平尾、以及鴨翼的綜合性能。

與此同時，該項材料在民用飛機領域也得到廣泛使用。當前飛機制造行業已經建造并且投放使用，由碳纖維增強樹脂基復合材料作為結構基礎的商用飛機。通過實踐研究發現，其在飛機運行的過程中：一方面，降低飛行時結構產生的阻力，有效的延長整體機體結構的綜合壽命。另一方面，強化結構的抗疲勞強度，減少飛機運行過程中產生的能量消耗。例如：當前在空客A380、播音787中都普遍與碳纖維增強樹脂基復合材料進行結合。航天中碳纖維增強樹脂基復合材料的運用，主要制作導彈的鼻錐與翼尖結構。不僅可以通過碳纖維增強樹脂基復合材料的運用提高整體導彈射程，而且可以減少其整體結構的質量與體積。在衛星設備中的運用，保證其在低溫、高溫環境下具有良好的穩定性能。

（二）交通運輸領域的應用

在生態環保理念與人民群眾日常生活密切聯系的背景下，碳纖維增強樹脂基復合材料的乘用車輕量化應用工作逐步開展。現階段，通過調研發現其在汽車制造中的運用主要有以下幾點：第一點，寶馬i3、i8車身life模塊的使用，7系、8系中通道、門檻梁等十六個的車身骨架零件的使用。第二點，VOLVO的polestar中的上邊梁等上車體結構。第三點，奔馳SLR跑車系列中，前縱梁與碳纖維增強樹脂基復合材料進行融合。第四點，一汽紅旗超跑s9中，車身車飾的使用。除此之外，在上汽、華冠、以及蔚來、奇瑞的汽車制造中，碳纖維增強樹脂基復合材料都與其內部的各個零部件進行深度融合。與此同時，碳纖維增強樹脂基復合材料的成型工藝呈現出多元化的特點。不同的成型工藝適用于不同的零部件制作工作，具有不同的應用優勢。下文進行詳細解說：

首先，纏繞成型，保證內部材料纖維絲排列的有序形態，機械性能較為優異。因此，該項工藝手法大多數情況下適用于大型管狀型成品。預侵料纏繞成型，工藝操作的形狀精度較高，比較適用于小型管狀高性能成型品。其次，模壓成型，適用于中、小型成型品。熱壓罐成型，工藝具有表面質量好、設備投入大的特點，主要適用于大型復雜的立方體成型品。最后，拉擠成型，在實際操作的過程中具有自動化成型、成本低的工作特點。因此，可以將其運用于制品強度要求較低的車內外成型裝飾件中。除此之外，樹脂傳遞成型。保證成型品表面具有光滑的特點，整體成色構件較好。業內人士可以將其應用于表面質量要求較高、形狀復雜的成型品制作中。與此同時，碳纖維增強樹脂基復合材料還可以應用于軌道交通。將其與內部列車的導流罩、裙板、以及過渡鉤進行融合。近幾年來，隨著社會的技術工藝手段的蓬勃發展，可以將其與轉向架、輪架體、座椅進行結合。一方面，保證列車內部客艙部件具有易拆裝的便捷使用特點。另一方面，機械連接一體化的成型技術在碳纖維增強樹脂基復合材料中的運用，確保整體列車結構使用性能的提高，保證降低內部整體噪音。

（三）風電領域的應用

當前社會中風電能源的使用規模在逐步擴大，風機葉片結構未來的發展方向將是以輕量化、大型化為主。在實踐運用的過程中，可以較好協調當前風電市場需求量。碳纖維增強樹脂基復合材料的運用，不但可以提高風力發電設備的綜合強度與剛度，而且保證整體設備在運行中具備良好的荷載量。通過觀察發現，當前市場中已經具有碳纖維加工制作風機葉片的工作案例。并且，通過一體化成型操作的使用，確保內部整體殼體的完整性。在市場需求方面，2018年全球新增陸上及海上風電裝機容量分別為45.4 GW及4.3GW，其中中國市場新增裝機總容量為21GW（陸上19.3GW及海上1.7GW），占全球市場42%，繼續領跑全球風電市場;在市場供給方面，2018年Vestas公司陸上風機新增裝機容量高達10.09 GW，以22%的全球陸上風電新增市場份額遙遙領先，已經成為全球碳纖維產業最大的用戶，且增長迅猛。低風速風場和海上風電共同推進了葉片的大型化發展，進一步推動了碳纖維在風電領域持續高速增長。

（四）醫療領域的應用

一方面，碳纖維增強樹脂基復合材料應用于醫療行業的人體假肢、器官的制作工作中。另一方面，可以將其與醫療設備等配套工作設施相結合。首先，碳纖維具備良好的穩定性。具有無毒無味的物理特點，在實際運用的過程中可以與人體結構相結合。保證植入的安全性，為醫療行業人體器官植入工作的規范化、現代化發展奠定堅實的基礎。其次，由于醫療行業設備需求標準區別于普通行業。在實際制造的過程中，不同的器械設備具有不同的作業功能與注意事項。例如：傳統的X光射線，在投放使用的過程中，極易對患者與醫務人員的健康造成損傷。碳纖維X光射線的使用，即可以保證整體圖像呈現出高清的特點。又可以降低傳統設備工作的弊端。利用碳纖維增強樹脂基復合材料的熱壓成型工藝技術，保證整體設備夾層結構具備輕質抗壓、高分辨率、高轉換率的工作優勢。除此之外，碳纖維增強樹脂基復合材料在使用中，可以作為醫療防護治療設備。例如：腰板、護腳、擔架、以及頭枕等。

（五）體育休閑領域的應用

碳纖維增強樹脂基復合材料在體育休閑領域運用具有廣泛性的特點。一方面，該項材料已經與漁具的制作形成密切的聯系。另一方面，其與高爾夫、滑雪等戶外運動設備的制作息息相關。通過觀察發現，我國碳纖維增強樹脂基復合材料在體育行業的使用比重呈現出與日俱增的狀態。由此可見，其材料綜合價值。并且，在國際性的專業比賽機制中。碳纖維增強樹脂基復合材料的專業競技價值得以凸顯，滿足體育設備使用的安全性、舒適性、以及穩定性。

四、碳纖維增強樹脂基復合材料的未來展望

碳纖維增強樹脂基復合材料的制造在未來發展的過程中，逐漸偏向于輕量化與綠色環保。與此同時，可以與自主研發的高性能鋼材、輕質鋁合金、高強度塑料以及其他復合型材料進行技術融合。并且，未來主要的研發方向應當以下面幾點為主：第一點，保證碳纖維增強樹脂基復合材料具有密度小、質量輕的特性，在實踐中可以較好的取代金屬材質。第二點，確保其使用年限較長，在長期高壓力的使用中不會產生變形的工作問題。并且，復合材料具有良好的耐化學腐蝕性。在堿性環境下呈現出惰性的特點，可以對有機溶劑、酸類、堿類具備良好的耐腐蝕性。第三點，未來材質應當著重觀察其熱膨脹系數。在常溫條件下，保證碳纖維增強樹脂基復合材料整體系數為負值，確保其尺寸的穩定性。第四點，材料具備優異的振動衰減功能。在實際工作的過程中能夠有效降低振動與噪聲對其的影響力，保證摩擦系數在工作的過程中接近于零。主要是減少材料應用對部件產生的磨損頻率，在工作的過程中強化產品配合的整體流順度。第五點，確保材料具備良好的導電導熱性。

創新優化當前碳纖維增強樹脂基復合材料的固化方式，降低傳統熱固化工作中周期長、能量損耗大、以及制造成本高的缺點。在今后材料固化工藝研究的過程中，通過電子束固化、微波固化、以及激光固化的方式，彌補傳統材料固化工作中的不足與弊端。與此同時，今后保證碳纖維增強樹脂基復合材料研發、應用可以呈現出產業化的特點。建立健全業內的人才培養工作系統，保證為碳纖維增強樹脂基復合材料今后的長期持續性發展提供不竭動力源泉。除此之外，強化市場環境中碳纖維增強樹脂基復合材料的應用宣傳工作力度。重點推進其與居民群眾日常生產生活的聯系，保證整體材料開發、研究工作的順利進行。并且，建立完善的碳纖維增強樹脂基復合材料研發工作配套設備體系。為業內人員的工作提供良好的條件，在實操的過程中逐步提升我國現代高端材料的市場競爭力。避免受國外發達國家的影響，積極引進材料應用技術、研發技術。做好碳纖維增強樹脂基復合材料的市場推廣工作，確保各個材料制造行業的裝備精良。

結語

綜上所述，碳纖維增強樹脂基復合材料的應用與展望，符合當前我國整體材料研發工作的發展趨勢。一方面，保證為市場各類行業提供先進性較高的材料。另一方面，有利于我國加大碳纖維市場的開發力度。上述文章從航空航天行業、交通運輸行業、醫療行業等幾方面，綜合講述碳纖維增強樹脂基復合材料的應用情況。與此同時，從材料的性能優化創新方面入手，對其今后發展方向做出論述，保證我國碳纖維增強樹脂基復合材料在國際社會中具有較高的市場優越性。

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