碳纤维材料及应用

摘要：简要介绍了碳纤维的发展，从航空航天与军事领域、体育领域、一般工业制造业领域以及土木工程建筑及新能源开发领域，总结了碳纤维材料的应用状况，并在此基础上对于我国的碳纤维应用前景进行了展望。

关键词：碳纤维及复合材料；特性；应用

中图分类号：TQ342+.74 文献标识码：A 文章编号：

碳纤维是一种新型非金属材料。碳纤维既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料碳纤维主要是由碳元素组成的一种特殊纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。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。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。近年来，在航天、航空、汽车、环境工程、化工、能源、交通、建筑、电子、运动器材等众多领域得到广泛的应用。

1碳纤维及复合材料的产品形式

碳纤维材料的产品有四种形式：丝束、布料、预浸料坯和短纤维。布料是有碳纤维制成的织物。预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料用树脂浸泡使其转化成片状。碳纤维的主要用途是与塑料、金属、陶瓷等基体复合，制成碳纤维复合材料。根据用途不同，按照不同的配比，将不同的碳纤维产品和树脂一起应用将形成碳纤维强化塑料，其加工方法有缠绕成型法、树脂转注成型法（RTM）、薄片缠绕法。碳纤维与最合适的树脂及预制工艺的结合使得碳纤维的应用更加具有吸引力。

2碳纤维的特性

碳纤维与钻石一样，是主要由碳元素组成，具有以下特性：轻质高强，其比重为铁的四分之一，强度为铁的10倍，尤其是高弹模量碳纤维，其抗拉强度比钢材大68倍，弹性模量比钢材大1.8~2.6倍，如日本东丽已开发出高强型T1000系列碳纤维，其抗拉模量为295GPa，拉伸强度达7.05 GPa，而高强高模量M5J型碳纤维，抗拉模量达640 GPa，化学性能非常稳定，耐高温和低温以及耐腐蚀性高，在600℃高温下其性能保持不变，在-180℃低温下仍很柔软，不与恶劣环境下酸、碱、盐发生腐蚀性反应；可加工性能好。例如：由于碳纤维布质轻又可折弯，可适应不同构件形状，成型很方便，可根据受力需要粘粘若干层，而且施工时不需要大型设备，也不需要采用临时固定，对原结构无新的损伤。此外，碳纤维的其他特性还包括高强度的X穿透性、高抗热性、导电性及抗腐蚀性能等。

3碳纤维材料的应用

3.1航空航天领域

由于碳纤维性能优越，其复合材料具有高比强度、设计性好、结构尺寸稳定、抗疲劳断裂性好和可大面积整体成型，以及特殊的电磁性能和吸波隐身的特点，鉴于其在工业化生产初期，成本非常高的高科技航空航天及军事领域，如用于生产军用、民用飞机以及战略导弹和运载火箭等。在航空领域，碳纤维用于包括水平和垂直机尾，地板梁等材料，它们被称为基础结构材料，除了基础结构材料外，碳纤维还用于副翼、螺旋桨、升降机、引擎和其他部件。在20世纪80年代早期，碳纤维作为结构材料开始被广泛的用在客机和航空飞行器，80年代中期，欧洲空客公司开始将碳纤维增强塑料（CFRP）作为首要的结构材料应用在它们的飞机上。2005年随着新型空中客机A350和波音787科技Dreamliner(也被称之为7E7)的投产，给碳纤维工业产生显著的推进作用。空中客机A350中复合材料用量已接近总质量40%，波音787的机翼和机身上使用的复合材料超过了50%。

碳纤维也大量用于航天器的制造材料，如在人造卫星中它们被用作构建、太阳能板、天线和其他部件等。

3.2 土木建筑领域

20世纪80年代末90年代初在发达国家兴起了一种以碳纤维布加固修复钢筋混凝土的结构补强加固技术。我国从20世纪90年代也开始研究和应用，现在已经取得一定的研究成果。例如，位于深圳市建设路的博悦大厦，主体由ABC三栋建筑物构成。AB两栋为写字楼，C栋为酒店式公寓，由于深圳地区抗震设防烈度由原来的6度提高到了7度，造成原设计的主楼框支梁上部分楼层剪力墙水平钢筋配比率低于现行抗震规范要求，因此，决定采用剪力墙表面粘贴碳纤维进行加固处理。施工流程与现场施工方法为：混凝土基底修补、打磨处理涂底层HCJ碳纤维胶粘结剂用HCJ碳纤维进行残缺修补粘贴第一层碳纤维片粘贴地二层碳纤维片表面涂装养护完工验收，整个工期仅用了2周的时间。

碳纤维补强建筑的研究已经较为成熟，主要研究领域包括四方面的内容：抗弯加固、抗剪加固、碳纤维与混凝土界面粘结性能和抗震性能研究等。目前，我国建国初期的一些大型建筑已经进入一个需要大力修缮和补强的时期。此外，我国拥有众多的名胜古迹，对于它们的保护、修缮也需要性能优异的碳纤维材料来实现。阻碍碳纤维在建筑物补强中应用的主要因素是成本问题。随着碳纤维产能的不断扩大，成本逐渐降低，加之碳纤维施工技术的不断完善，相信建筑补强用碳纤维材料将出现快速增长。

碳纤维补强混凝土结构时，不需要增加螺栓和铆钉固定，对原混凝土结构扰动小，施工工艺简便。作为材料，它们正在替代金属和混凝土来满足环境、安全和能源要求，在土木工程和建筑领域的需求正在呈现上升的趋势。

在铁路建筑中，大型的顶部系统和隔音墙在未来会有很好的应用，这些，也见识很有前景的应用。

3.3体育运动领域

碳纤维在运动领域的三个主要用途是用于高尔夫球棒、钓鱼竿和网球拍框架材料。

目前，据估计每年的高尔夫棒球的产量为3400万副，按照国家和地区分类，美国和日本高尔夫球棒的主要消费地，占80%以上。全世界碳纤维钓鱼竿的产量约为每年2000万副，网球拍框架的市场容量约为每年600万副。其他的体育项目应用还包括冰球棍、滑雪杖、射箭和自行车，同时碳纤维还应用在划船、赛艇、冲浪和其他海洋运动项目中。

体育休闲用品是应用碳纤维复合材料的一个极重要领域，2003年和2004年世界碳纤维总消耗量分别为19210吨和20680吨，而用于体育休闲用品的碳纤维都超过5000吨，占世界碳纤维总消耗量的25%左右。而碳纤维复合材料高尔夫球杆（简称碳纤维高尔夫球杆）又是体育休闲用品中应用碳纤维复合材料最主要的产品，占应用于体育休闲用品碳纤维总量的50%左右，世界碳纤维总消耗量中月有12.5%左右用于生产制造高尔夫球杆。

3.4能源开发领域

随着人类环保意识的提高，大型风力发电产业正在迅速兴起。叶片式风力发电机组有效不活风能的关键部件。在发电机功率确定的条件下，叶片的材料越轻、刚度和强度越高，叶片抵御荷载的能力就越强，叶片就可以做的越大，它的捕风能力也就越强。因此，轻质高强、耐久性好的玻璃纤维和碳纤维混杂复合材料结构成为目前大型风力发电叶片的首选。尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求的部位应使用碳纤维作为增强材料，不仅可提高叶片的承载能力，也可因碳纤维具有导电性而有效避免雷击对叶片造成的损伤。

4 碳纤维的应用前景展望

碳纤维属于高新技术、高附加值产品，具有其他材料部可比拟的优异性能，自商品化以来，应用范围已从最初的航空航天、军事部门逐渐向民用领域渗透，目前已扩展到整个工业与民用的多种领域，随着应用研究的不断深入，特别是在民用方面仍将继续拓宽应用领域。据国外预测碳纤维除了在航空航天以及体育用品进一步应用外，近年内包括土木建筑、交通运输、汽车能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维，具有广泛的用途和良好的发展前景。预计2010年需求量将达到3.2万t/a，全球碳纤维的供给与需求将出现紧张局面。

我国PAN基碳纤维材料加工业已初具规模，有一定的技术基础和市场开发能力，市场需求比较旺盛，但碳纤维的生产远远不能满足市场需求。此外，考虑到我国碳纤维的应用还在不断发展，许多用途还有待于开发，如电子设备套壳、集装箱、医疗器械、深海勘探和新能源的开发等方面都件事我国碳纤维未来的潜在消费市场，对碳纤维的需求量将更大，因此，未来我国碳纤维的市场需求前景广阔，潜力较大。

参 考 文 献

钱博章，国内外碳纤维市场分析与研发进展[J]新材料产业，2007，（2）；58-62

徐峰，碳纤维加固设计施工中应注意的几个问题[J]山西建筑，2008，34（10）；162-164