浅谈碳纤维复合材料

摘 要：本文比较分析了碳纤维复合材料具有的优良性能，分析谈碳纤维复合材料在航天航空领域以及在能源、汽车及其他工业部门的应用情况。

关键词：碳纤维；航天；航空；应用

一、引言

碳纤维是近几十年发展起来的一种新型材料，它是碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成的结构材料。其直径6～8μm之内，它是一种直径极细的连续细丝材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维两大类，分别用聚丙烯腈原丝、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、氧等元素得以排出，成为一种接近纯碳的材料，含碳量一般都在90%以上，而本身质量却大为减轻；碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。它是一种轻质、高强度、高模量、化学性能稳定的高性能纤维材料。

二、碳纤维复合材料的性能

碳纤维复合材料与金属材料或其他工程材料相比，具有以下许多优良的性能：

（1）比强度和比模量高

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为23000-43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/（g/cm3）以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/（g/cm3）左右，其比模量也比钢高。

（2）良好的耐疲劳性能

当裂纹由表面向内层扩展时，到达某一纤维取向的层面时，会使裂纹扩展在该层面内呈现断裂发散，因此层压的CFRP对疲劳裂纹扩张有“抑制”作用，这种特性使得CFRP的疲劳强度大大提高。研究表明CFRP的疲劳强度是静力强度的90%。

（3）良好的抗腐蚀性

CFRP具有良好的耐酸、耐碱及耐其他化学腐蚀性介质的性能，这是因为其表面具有一层高性能的环氧树脂或其他树脂塑料。该优点使得其更具有竞争力，特别是在未来的电动汽车或其他有抗腐蚀要求的领域上。

三、碳纤维复合材料的应用

碳纤维复合材料主要是以满足航空航天对高性能材料的要求而发展起来的。随着碳纤维复合材料的优异性能越来越多地被认识和接受，其在能源、交通、汽车、海洋、建筑及其他工业部门的应用近年来在快速地发展。

（1）在航空领域的应用

为了提高和改善飞机性能，早在20世纪50年代，美国空军材料实验室就开始寻求一种新型的结构材料，碳纤维复合材料正是在这种背景下被列入发展计划。近40年来，在航空航天领域应用得到长足的发展，主要用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，此外还有C/C刹车片等。

（2）在航天领域的应用

用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层；卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件；航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件；哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无线电天线。

（3）在能源、汽车及其他工业部门的应用

随着全球石油资源紧缺局面的加剧，新能源的开发和利用已成为当今十分重要的研究课题，其中风能的开发和利用已形成全球的共识。MW级的风机叶片长度在40m以上，10MW级的风机叶片长度达60m，采用碳纤维复合材料能满足叶片轻质、高强度和高模量的要求。因此风电市场的快速增长将极大地推动碳纤维复合材料产业的发展。

对于未来的汽车工业，碳纤维复合材料将成为汽车制造的主流材料。2001年宝马公司率先开发和试验高强轻质的碳纤维复合材料（CFRP）车体板和其他部件，所用碳纤维系Zoltek公司生产的大丝束产品。英国Cranfield大学的研究成果也表明，每年生产2万辆的CFRP汽车是可行的。这种轻质化材料的汽车将改进其燃料效率，轻质化材料部件的刚性比钢制部件高，在高风阻力下具有良好稳定性，这一点对赛车和运动型车而言更为重要。目前已研制出的CFRP汽车长4.3m、宽1.7m、高1.4m，重量只有570kg。CFRP材料由德国Tenax公司生产提供。

聚合物树脂基体以及高性能的玻璃纤维、碳纤维和芳纶增强体的复合材料在一些新的应用领域取得进展，如具有防爆功能的装甲复合材料，以天然气作动力的汽车发动机汽缸，机械驱动轴，高速路高架桥承载梁等，在基建、兵器、医疗器械、体育休闲用品等领域都存在巨大的市场潜力。

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