碳纖維：新材料之王

碳纖維是由聚丙烯腈等有機(jī)母體纖維采用高溫分解法在1，000攝氏度以上高溫的惰性氣體下碳化制成的，是一種含碳量在90%以上的無(wú)機(jī)高分子纖維。

碳纖維最早是由英國(guó)人斯旺為制作燈泡而提出的發(fā)明設(shè)想，后來(lái)愛迪生利用焦油、棉紗和竹絲成功試制出能夠持續(xù)照明45小時(shí)的碳絲，而現(xiàn)在人們所說(shuō)的碳纖維則是在上世紀(jì)60年代初由日本人近藤昭南所發(fā)明的能夠工程化批量生產(chǎn)的高強(qiáng)型碳纖維。

碳纖維的應(yīng)用范圍很廣，由于其擁有優(yōu)異力學(xué)性能、可設(shè)計(jì)性和可加工性能，碳纖維在各領(lǐng)域中逐漸受到人們的重視，國(guó)防軍工和民用工業(yè)的使用量都在逐年增加。

航空航天方面：隨著世界航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，各種飛機(jī)和航天器都在不斷升級(jí)，追求的是更輕、更快、更強(qiáng)。碳纖維因其輕量化和優(yōu)異的力學(xué)性能被作為首選替代材料，使用量所占比重正在逐步提高。有數(shù)據(jù)顯示，民用航空中波音787所用復(fù)合材料重量占結(jié)構(gòu)總重量的50%，美軍的F - 2 2戰(zhàn)斗機(jī)和B 2轟炸機(jī)的復(fù)合材料用量均超過(guò)35%，除此之外還能夠賦予戰(zhàn)機(jī)隱身特性。近年來(lái)，隨著國(guó)產(chǎn)碳纖維的快速發(fā)展，我國(guó)已有10多個(gè)型號(hào)的戰(zhàn)機(jī)完全實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)碳纖維材料替代進(jìn)口。另外在“天宮” “神州”“長(zhǎng)征”等型號(hào)的航天飛行器上也采用了國(guó)產(chǎn)高性能碳纖維。

無(wú)人機(jī)方面：無(wú)人機(jī)自誕生以來(lái)，減輕質(zhì)量即成為世界各國(guó)無(wú)人機(jī)科技工作者們共同關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一，只有將機(jī)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量降下來(lái)，才能節(jié)約出更多的質(zhì)量空間來(lái)增加燃油和有效載荷，延長(zhǎng)飛行距離和續(xù)航時(shí)間。軍用方面，世界各國(guó)都在大力發(fā)展碳纖維材料機(jī)體，目前碳纖維復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)總質(zhì)量已達(dá)到60%—80%，有的小型偵察無(wú)人機(jī)甚至采用全碳纖維結(jié)構(gòu)；在民用方面，無(wú)人機(jī)追求的更多是小巧并搭載更多的儀器設(shè)備。

艦船岸基方面：碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性，能夠耐受自然界中的水和多種介質(zhì)的腐蝕。目前世界各軍事強(qiáng)國(guó)都在加快以碳纖維復(fù)合材料為主體的艦艇建造，碳纖維替代金屬材料已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)在東海和南海的島礁上建有很多的海防哨所，基礎(chǔ)設(shè)施的防腐問(wèn)題非常嚴(yán)峻。目前國(guó)內(nèi)已有公司開發(fā)出碳纖維肋筋來(lái)代替鋼筋作為島礁建筑混凝土中的支撐材料。

風(fēng)電葉片方面：?jiǎn)螜C(jī)發(fā)電功率的提升關(guān)鍵在于葉片長(zhǎng)度的增加，葉片長(zhǎng)度的增加會(huì)增加低風(fēng)速時(shí)的捕風(fēng)能力。目前世界上長(zhǎng)度超過(guò)60m的風(fēng)電葉片幾乎都會(huì)選擇用碳纖維復(fù)合材料制作主承力梁，以保證葉片在發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)發(fā)生斷裂，這就是因?yàn)樘祭w維具有極高的“鋼性”（抗壓模量）。

汽車輕量化方面：目前已成功開發(fā)出包括車身、底盤、車頂在內(nèi)的30余種碳纖維復(fù)合材料零部件。碳纖維材料汽車較普通鋼材汽車重量可減少60%，據(jù)資料介紹，汽車自重減輕100公斤，行駛1 0 0公里可節(jié)約燃油0 . 3公斤，自重減少10%，燃油經(jīng)濟(jì)性可提高1 0 % 。當(dāng)碳纖維復(fù)合材料減輕車身重量達(dá)50%時(shí)，續(xù)駛里程可增加75%以上。

軌道交通方面：列車高速運(yùn)行時(shí)，動(dòng)力學(xué)前端所受阻力很大，約占列車運(yùn)行總阻力的50%。以列車常用電氣接線箱為例，不銹鋼重量為37Kg，鋁為17Kg，碳纖維復(fù)合材料為1 2 . 5 K g 。碳纖維對(duì)高速列車的減重是非常明顯的，而高速列車的減重也意味著節(jié)約能耗和提升運(yùn)行速度的可能。

體育休閑方面：世界范圍內(nèi)體育用品方面占碳纖維使用總量的25%左右，其中以碳纖維高爾夫球桿、釣魚竿、網(wǎng)球拍、自行車的使用量最大。

（供稿單位：山東威海拓展纖維有限公司）