碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用研究

杜云峰 張廣城 沙學(xué)鋒

【摘要】碳纖維復(fù)合材料自20世紀(jì)50年代面世以來，以其獨(dú)特的性能，應(yīng)用于尖端科學(xué)技術(shù)方面。本文比較分析了碳纖維復(fù)合材料具有的優(yōu)良性能，分析碳纖維復(fù)合材料在航天航空領(lǐng)域以及在能源、汽車及其他工業(yè)部門的應(yīng)用情況。

【關(guān)鍵詞】碳纖維；復(fù)合材料；航空；應(yīng)用

一、引言

碳纖維是近幾十年發(fā)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(fù)合制成的結(jié)構(gòu)材料。其直徑6～8μm之內(nèi)，它是一種直徑極細(xì)的連續(xù)細(xì)絲材料。目前用在復(fù)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(fù)雜的碳化工藝制備而得。隨著碳纖維復(fù)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(yùn)輸、體育產(chǎn)品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文比較分析了碳纖維復(fù)合材料具有的優(yōu)良性能，分析碳纖維復(fù)合材料在航天航空領(lǐng)域以及在能源、汽車及其他工業(yè)部門的應(yīng)用情況。

二、碳纖維復(fù)合材料的性能

（一）比強(qiáng)度和比模量高

碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)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(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/（g/cm₃）以上，而A3鋼的比強(qiáng)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(xué)腐蝕性介質(zhì)的性能，這是因?yàn)槠浔砻婢哂幸粚痈咝阅艿沫h(huán)氧樹脂或其他樹脂塑料。該優(yōu)點(diǎn)使得其更具有競(jìng)爭(zhēng)力，特別是在未來的電動(dòng)汽車或其他有抗腐蝕要求的領(lǐng)域上。

三、碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

（一）土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

水泥在土木建材領(lǐng)域中用量最大，但水泥也有諸如脆性大、抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，而現(xiàn)在用混凝土或水泥做基體制成的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，克服了水泥強(qiáng)度低、在混凝土中易開裂、易受到氯鹽、硫酸鹽等侵蝕的缺點(diǎn)，在冬季及寒冷地區(qū)有很大的應(yīng)用空間。在大型建筑中，鋼筋的使用量相當(dāng)驚人，國(guó)家體育場(chǎng)“鳥巢”的鋼筋綁扎量達(dá)到5.2萬噸，施工量大，運(yùn)輸、安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力，如果采用自身較輕的碳纖維，可以大大降低建筑結(jié)構(gòu)的重量，方便施工，減少安裝時(shí)間，降低施工周期。用碳纖維和樹脂制成的碳纖維復(fù)合材料片，拉伸模量高、拉伸強(qiáng)度大，廣泛應(yīng)用于加固受損的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物，用在石油平臺(tái)上可使石油平臺(tái)壁的耐沖擊性能大大增強(qiáng)。

（二）在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用主要是以滿足航空航天領(lǐng)域而發(fā)展起來的，例如在航天飛機(jī)機(jī)頭和機(jī)翼前緣和艙門等制件；衛(wèi)星構(gòu)架、天線、太陽能翼片底板、衛(wèi)星一火箭結(jié)合部件；哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量構(gòu)架，太陽能電池板和無線電天線等。

（三）在新能源方面的應(yīng)用

目前全球的石油資源緊缺局面進(jìn)一步加劇，如何開發(fā)和利用新能源是擺在我們面前的難題。而風(fēng)能的開發(fā)和利用己形成全球的共識(shí)。MW級(jí)的風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度在40m以上，IOMW級(jí)的風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度達(dá)60m，采用碳纖維復(fù)合材料能滿足葉片輕質(zhì)、高強(qiáng)度和高模量的要求。

（四）在運(yùn)動(dòng)休閑領(lǐng)域中的應(yīng)用

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(yùn)動(dòng)用品都是碳纖維的主要用戶之一。體育應(yīng)用中的重要應(yīng)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(chǎn)量約為每年2000萬副，網(wǎng)球拍框架的市場(chǎng)容量約為每年600萬副，碳纖維還應(yīng)用在劃船、賽艇等其他海洋運(yùn)動(dòng)中。日常用品中音響、浴霸、取暖器，遠(yuǎn)紅外理療產(chǎn)品等家用電器以及手機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品都會(huì)應(yīng)用到碳纖維。

四、總結(jié)

目前我國(guó)碳纖維復(fù)合材料發(fā)展迅速，在大飛機(jī)、高速列車等項(xiàng)目上都有著巨大的需求，但我國(guó)碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距，碳纖維復(fù)合材料還需要大量進(jìn)口，在碳纖維的低成本上和復(fù)合材料成型技術(shù)上我們還要花很大的力氣。