1、碳纖維材料的性能及應(yīng)用摘要：介紹了碳纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料，詳細(xì)介紹了碳纖維復(fù)合材料的分類和特性,著重闡述了碳纖維及其復(fù)合材料在高新技術(shù)領(lǐng)域和能源、體育器材等民用領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)未來(lái)碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：碳纖維 性能 應(yīng)用0引言碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度、優(yōu)良的減振性、耐疲勞和耐腐蝕等優(yōu)異性能。以高性能碳纖維復(fù)合材料為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、功能或結(jié)構(gòu)/功能一體化材料，不僅在國(guó)防戰(zhàn)略武器建設(shè)中具有不可替代性，在綠色能源建設(shè)、節(jié)約能源技術(shù)發(fā)展和促進(jìn)能源多樣化過(guò)程中也將發(fā)揮極其重要的作用。若將先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用水平和規(guī)模視作國(guó)家安全的重要保證

2、，則碳纖維復(fù)合材料在交通運(yùn)輸、風(fēng)力發(fā)電、石油開(kāi)采、電力輸送等領(lǐng)域的應(yīng)用將與有效減少溫室氣體排放、解決全球氣候變暖等環(huán)境問(wèn)題密切相關(guān)。隨著對(duì)碳纖維復(fù)合材料認(rèn)識(shí)的不斷深化，以及制造技術(shù)水平的不斷提升，碳纖維復(fù)合材料在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究與裝備不斷取得進(jìn)展，借鑒國(guó)際先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，牽引高性能碳纖維及其復(fù)合材料的國(guó)產(chǎn)化步伐，對(duì)于改變經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排具有重要的戰(zhàn)略意義。1碳纖維材料1.1何為碳纖維材料碳纖維是一種含碳量在9 2% 以上的新型高性能纖維材料, 具有重量輕、高強(qiáng)度、 高模量、耐高溫、 耐磨、耐腐蝕、抗疲勞、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和遠(yuǎn)紅外輻射等多種優(yōu)異性能, 不僅是21 世紀(jì)新材料領(lǐng)域的高科

3、技產(chǎn)品, 更是國(guó)家重要的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)材料, 政治、經(jīng)濟(jì)和軍事意義十分重大。碳纖維分為聚丙烯睛基、瀝青基和粘膠基3種, 其中90 % 為聚丙烯睛基碳纖維。聚丙烯睛基碳纖維的生產(chǎn)過(guò)程主要包括原絲生產(chǎn)和原絲碳化兩部分 。用碳纖維與樹(shù)脂、 金屬、 陶瓷、 玻璃等基體制成的復(fù)合材料, 廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域􀀁體育休閑領(lǐng)域以及汽車制造、 新型建材、信息產(chǎn)業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域。1.2碳纖維的特點(diǎn)碳纖維是纖維狀的碳材料, 由有機(jī)纖維原絲在1 000 以上的高溫下碳化形成, 且含碳量在90%以上的高性能纖維材料。碳纖維主要具備以下特性: ( 1) 密度小、質(zhì)量輕, 碳纖維的密度為1. 5 2 g /cm

4、3, 相當(dāng)于鋼密度的1 /4、鋁合金密度1/2; ( 2)強(qiáng)度、彈性模量高, 其強(qiáng)度比鋼大4 5倍, 彈性回復(fù)為100% ; ( 3) 熱膨脹系數(shù)小, 導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降, 耐驟冷、急熱, 即使從幾千攝氏度的高溫突然降到常溫也不會(huì)炸裂 ( 4) 摩擦系數(shù)小, 并具有潤(rùn)滑性; ( 5) 導(dǎo)電性好, 25 􀀂 時(shí)高模量碳纖維的比電阻為775 􀀁 cm, 高強(qiáng)度碳纖維則為1 500 cm;( 6) 耐高溫和低溫性好, 在3 000 􀀂 非氧化氣氛下不熔化、不軟化, 在液氮溫度下依舊很柔軟, 也不脆化; ( 7) 耐酸性好, 對(duì)酸呈惰性, 能耐

5、濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕。除此之外, 碳纖維還具有耐油、抗輻射的特性2碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料盡管碳纖維可單獨(dú)使用發(fā)揮某些功能, 然而, 它屬于脆性材料, 只有將它與基體材料牢固地結(jié)合在一起時(shí), 才能利用其優(yōu)異的力學(xué)性能, 使之更好地承載負(fù)荷。因此, 碳纖維主要還是在復(fù)合材料中作增強(qiáng)材料。根據(jù)使用目的不同可選用各種基體材料和復(fù)合方式來(lái)達(dá)到所要求的復(fù)合效果。碳纖維可用來(lái)增強(qiáng)樹(shù)脂、碳、金屬及各種無(wú)機(jī)陶瓷, 而目前使用得最多、最廣泛的是樹(shù)脂基復(fù)合材料。2. 1碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料陶瓷具有優(yōu)異的耐蝕性、耐磨性、耐高溫性和化學(xué)穩(wěn)定性, 廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用產(chǎn)品。它的弱點(diǎn)是對(duì)裂紋、氣孔和夾雜物等細(xì)微的缺陷很

6、敏感。用碳纖維增強(qiáng)陶瓷可有效地改善韌性, 改變陶瓷的脆性斷裂形態(tài), 同時(shí)阻止裂紋在陶瓷基體中的迅速傳播、擴(kuò)展。目前國(guó)內(nèi)外比較成熟的碳纖維增強(qiáng)陶瓷材料是碳纖維增強(qiáng)碳化硅材料, 因其具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能, 在高溫下服役不需要額外的隔熱措施,因而在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、可重復(fù)使用航天飛行器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。2. 2碳/碳復(fù)合材料碳/碳復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料的簡(jiǎn)稱, 也是一種高級(jí)復(fù)合材料。它是由碳纖維或織物、編織物等增強(qiáng)碳基復(fù)合材料構(gòu)成。碳/碳復(fù)合材料主要由各類碳組成, 即纖維碳、樹(shù)脂碳和沉積碳。這種完全由人工設(shè)計(jì)、制造出來(lái)的純碳元素構(gòu)成的復(fù)合材料具有許多優(yōu)異性能, 除具備高強(qiáng)度、高剛性、尺寸穩(wěn)定

7、、抗氧化和耐磨損等特性外, 還具有較高的斷裂韌性和假塑性。特別是在高溫環(huán)境中, 強(qiáng)度高、不熔不燃, 僅是均勻燒蝕。這是任何金屬材料無(wú)法與其比擬的。因此廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭, 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管以及飛機(jī)剎車盤等高科技領(lǐng)域。2. 3碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)纖維, 金屬為基體的復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料與金屬材料相比, 具有高的比強(qiáng)度和比模量; 與陶瓷相比, 具有高的韌性和耐沖擊性能, 金屬基體多采用鋁、鎂、鎳、鈦及它們的合金等, 其中, 碳纖維增強(qiáng)鋁、鎂復(fù)合材料的制備技術(shù)比較成熟。制造碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要技術(shù)難點(diǎn)是碳纖維的表面涂層, 以防止在

8、復(fù)合過(guò)程中損傷碳纖維,從而使復(fù)合材料的整體性能下降。目前, 在制備碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)碳纖維的表面改性主要采用氣相沉積、液鈉法等, 但因其過(guò)程復(fù)雜、成本高,限制了碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的推廣應(yīng)用2. 4碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料( CFRP)是目前最先進(jìn)的復(fù)合材料之一。它以輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料, 是其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所無(wú)法比擬的 。碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料所用的基體樹(shù)脂主要分為兩大類, 一類是熱固性樹(shù)脂, 另一類是熱塑性樹(shù)脂。熱固性樹(shù)脂由反應(yīng)性低分子量預(yù)集體或帶有活性基團(tuán)高分子量聚合物組成; 成型過(guò)程中,

9、 在固化劑或熱作用下進(jìn)行交聯(lián)、縮聚, 形成不熔不溶的交聯(lián)體型結(jié)構(gòu)。在復(fù)合材料中常采用的有環(huán)氧樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂以及酚醛樹(shù)脂等。熱塑性樹(shù)脂由線型高分子量聚合物組成, 在一定條件下溶解熔融, 只發(fā)生物理變化。常用的有聚乙烯、尼龍、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。在碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料中, 碳纖維起到增強(qiáng)作用, 而樹(shù)脂基體則使復(fù)合材料成型為承載外力的整體, 并通過(guò)界面?zhèn)鬟f載荷于碳纖維, 因此它對(duì)碳纖維復(fù)合材料的技術(shù)性能、成型工藝以及產(chǎn)品價(jià)格等都有直接的影響。碳纖維的復(fù)合方式也會(huì)對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生影響。在制備復(fù)合材料時(shí), 碳纖維大致可分為兩種類型: 連續(xù)纖維和短纖維。連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)

10、合材料通常具有更好的機(jī)械性能, 但由于其制造成本較高,并不適應(yīng)于大規(guī)模的生產(chǎn)。短纖維復(fù)合材料可采用與樹(shù)脂基體相同的加工工藝, 如模壓成型、注射成型以及擠出成型等。當(dāng)采用適合的成型工藝時(shí), 短纖維復(fù)合材料甚至可以具備與連續(xù)纖維復(fù)合材料相媲美的機(jī)械性能并且適宜于大規(guī)模的生產(chǎn), 因此短纖維復(fù)合材料近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。李 軍碳纖維及其復(fù)合材料的研究應(yīng)用進(jìn)展遼寧化工2010年9月第39卷第9期3碳纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用3.1高新技術(shù)領(lǐng)域碳纖維復(fù)合材料因其獨(dú)特、卓越的性能， 在航空領(lǐng)越特別是飛機(jī)制造業(yè)中應(yīng)用廣泛。統(tǒng)計(jì)顯示， 目前， 碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)上的使用量已占7080， 在軍用

11、飛機(jī)上占3040， 在大型客機(jī)上占1550。AV8B 改型“鷂” 式飛機(jī)是美國(guó)軍用飛機(jī)中使用復(fù)合材料最多的機(jī)種， 其機(jī)翼、前機(jī)身都用了石墨環(huán)氧大型部件，全機(jī)所用碳纖維的重量約占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重量的26， 使整機(jī)減重9，有效載荷比AV8A飛機(jī)增加了一倍。數(shù)據(jù)顯示采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的前機(jī)身段， 可比金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量32.24%。用軍機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的重要指標(biāo)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)來(lái)衡量，國(guó)外第四代軍機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)已達(dá)到2728%。未來(lái)以F-22 為目標(biāo)的背景機(jī)復(fù)合材料用量比例需求為35%左右， 其中碳纖維復(fù)合材料將成為主體材料。在法國(guó)電信一號(hào)通信衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)中，帶有4 條環(huán)形加強(qiáng)筋的中心承力筒是由CFRP 制成的

12、，它通過(guò)螺接連接在由CFRP 制成的儀器平臺(tái)上。衛(wèi)星的蒙皮是由T300 CFRP 制成。由于CFRP 的比模量高，在日本JERS-1 地球資源衛(wèi)星殼體內(nèi)部的500 mm 的推力筒、儀器支架、8 根支撐桿和分隔環(huán)都使用了M40JB CFRP，此外，衛(wèi)星的外殼、一些儀器的安裝板均采用了碳纖維/環(huán)氧蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室1997 年在國(guó)家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)試驗(yàn)項(xiàng)目( BMDO CEP) 支持下，成功設(shè)計(jì)并制造了以CFRP 為加強(qiáng)筋的AGS 整流罩，重量?jī)H37 kg，同類型鋁合金防護(hù)罩重97 kg，運(yùn)用纖維纏繞技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，工藝周期縮短88%，比同類型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造復(fù)合材料整流罩減重40%，

13、成本降低20%圖3 CEP 火箭有效載荷整流罩Fig 3 Payload fairing of CEP launch rocket3.2民用領(lǐng)域3.2.1碳纖維復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用像撐竿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、自行車、滑雪板、皮劃艇等靠人力來(lái)使其運(yùn)動(dòng)的體育器材，人們希望其質(zhì)量越輕越好; 即使是靠人力以外的其他動(dòng)力來(lái)使其運(yùn)動(dòng)的器材，如賽車、帆船、摩托艇等，在相同的條件下也以質(zhì)輕為好。碳纖維復(fù)合材料在此方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，其密度為1 76 1 80 g /cm3，所制復(fù)合材料密度為1 50 1 60 g /cm3，而鋼材約為7 87 g /cm3、鋁材2 7 g /cm3、鈦材4 5 g

14、/cm3。顯然，CFRP 要比金屬材料輕得多。3.2.1碳纖維在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用葉片是風(fēng)力發(fā)電裝備的關(guān)鍵部件，它的質(zhì)量（W）隨葉片長(zhǎng)度（L）的三次方增加（ W=A L3）。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，葉片質(zhì)量的增加幅度大于風(fēng)機(jī)能量輸出的增加，那么葉片長(zhǎng)度的增加則存在一個(gè)極值。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的長(zhǎng)度尺寸、剛性以及質(zhì)量代表著風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電水平，常規(guī)的玻璃纖維增強(qiáng)材料制備葉片已難以滿足葉片尺寸加大對(duì)剛性與質(zhì)量的綜合要。碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異的抗疲勞特性和良好的導(dǎo)電特性，可有效減弱惡劣環(huán)境對(duì)葉片材料的損害，避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷求，在全球風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)的今天，提高碳纖維復(fù)合材料用量的長(zhǎng)葉片大容量

15、風(fēng)機(jī)將成為主要趨勢(shì)。3.2.3碳纖維在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用鐵道部規(guī)劃在3 5 年內(nèi)，時(shí)速為160km / h 的車輛將達(dá)到50% 以上，約1 萬(wàn)5 千輛，每輛車需剎車片32 片，共需約48 萬(wàn)片。車輛提速之前，鐵路客車和貨車的最高設(shè)計(jì)時(shí)速分別為120km / h 和80km / h。由于車輛速度每提高一倍，其制動(dòng)功率將增加8 倍，因此對(duì)提速車輛用制動(dòng)材料提出了相當(dāng)嚴(yán)格的技術(shù)要求。理論研究和實(shí)車運(yùn)營(yíng)狀況表明，現(xiàn)有的常規(guī)制動(dòng)材料，無(wú)論是摩擦系數(shù)和列車運(yùn)行平穩(wěn)性，還是耐磨性、導(dǎo)熱性、制動(dòng)距離等均不能滿足提速車輛的需要碳纖維復(fù)合材料剎車片是國(guó)際上仍在不斷研究的新型制動(dòng)材料，它具有強(qiáng)度高、彈性模量適中、耐熱性

16、好、重量輕、膨脹系數(shù)小、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，而所有這些都是提速列車制動(dòng)所必需的性能，因此開(kāi)發(fā)這類新型材料已被發(fā)達(dá)國(guó)家重視德國(guó)鐵路部門投巨資，由Knoor Bremse 公司研制了高速列車用碳纖維復(fù)合材料盤型制動(dòng)器; 日本、法國(guó)開(kāi)發(fā)研制的碳纖維復(fù)合材料剎車片已成功地應(yīng)用于新干線和TGV 高速列車制動(dòng)。面對(duì)國(guó)外碳纖維復(fù)合材料高技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和我國(guó)鐵路對(duì)高性能制動(dòng)片的迫切需求，研制開(kāi)發(fā)高速列車用碳纖維復(fù)合材料剎車片不僅具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且具有巨大的推廣應(yīng)用價(jià)值4碳纖維產(chǎn)業(yè)的前景展望自年隨著碳纖維在汽車應(yīng)用上的起步、飛機(jī)應(yīng)用及風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的擴(kuò)大，碳纖維的需求快速增加，使全球碳纖維供應(yīng)呈嚴(yán)重短缺現(xiàn)象，促使世界各國(guó)碳纖維生產(chǎn)廠家紛紛加大資金投入、擴(kuò)大產(chǎn)能，碳纖維的生產(chǎn)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。由于全球?qū)μ祭w維需求的持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)未來(lái)碳纖維還將以超過(guò)年增長(zhǎng)率速度持續(xù)增長(zhǎng)。目前世界碳纖維生產(chǎn)和技術(shù)主要集中在日本、美國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家，其中日本占全