论碳纤维材料的性能与应用

摘要：本文总体阐述了碳纤维及其复合材料的特点，其良好的物理、化学特性，同时介绍了碳纤维增强型材料的优点和使用环境，对碳纤维材料的发展历史进行了简单的介绍，以及如今其在各种现代化领域内的实际应用，同时说明了碳纤维复合材料的未来发展方向。 关键词：碳纤维 复合材料 性能 应用

一、 前言

碳纤维主要成分为碳元素，是一种新型非金属材料。碳纤维及其复合材料属于高新技术产品,具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。它既可作为结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用。因此,近年来有关碳纤维的应用研究的发展十分迅速,在航空、航天、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了广泛的应用。

二、 发展历史及国内外发展现状

美国于20世纪50年代开始研究粘胶基碳纤维，1959年生产出了粘胶基纤维，这是最早的碳纤维产品。同一年，日本发明了制造碳纤维的新方法，即用聚丙烯腈基原丝制造碳纤维材料。之后，英国皇家航空研究院的研究工作，使聚丙烯腈基碳纤维成为碳纤维工业的主流。20世纪70年代中期，美国联合碳化公司研发了高性能沥青基碳纤维。同时，日本东丽公司于20世纪70年代初期，开始生产钓鱼杆

和高尔夫球棒。1974年，美国把碳纤维用于网球和羽毛球拍，实现了碳纤维增强塑料化。20世纪80年代，碳纤维广泛用于客机、航天飞机和人造卫星。随着社会和科学技术的发展，碳纤维的需求量以大约13%的速度逐年递增。

我国在意识到碳纤维对军工和民用的价值后。于1975年召开全国第一次碳纤维复合材料会议，将碳纤维及其复合材料纳入国家科技攻关项目。经过四十多年的发展，我国碳纤维从无到有，取得了一定的成绩。但总的来说，我国碳纤维材料的研发和生产水平低，不能满足国内与日俱增的市场需求。目前，国内大部分企业的技术水平和设备水平低下，生产的碳纤维产品也在国际中下游水平。

三、碳纤维的特性

碳纤维与钻石一样,是主要由碳元素组成的物质,具有以下特性:轻质高强,其比重为铁的四分之一,比强度为铁的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. 05GPa,而高强高模M 5J型碳纤维,抗拉模量达640GPa,抗拉强度为3. 62GPa;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℃低温下仍很柔韧,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可弯,可适应不同构件形状,成型很方便,可根据受力需要粘贴若干层,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射线穿透性、较高的抗热、导电性及抗磨蚀性能等。

三、 碳纤维材料的应用

4.1 航空航天领域

碳纤维复合材料性能优越，具有高的比强度#高的抗疲劳断裂性和良好的加工成型性等的特点，同时，其电磁性能和吸波隐身的特点，使得其越来越多的被应用在的航空航天领域，以及军事领域，如用于飞机、导弹和火箭等。

在20世纪80年代早期,碳纤维作为结构材料开始被广泛地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客机Dream liner(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件、太阳能板、天线和其它部件等。 4.2 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、钓鱼杆和网球拍框架的材料。

据估计，目前高尔夫球棒的年产量在3400万副以上，碳纤维钓

鱼竿的年产量在2000万副以上，网球拍的产量整逐年增加。同时，其它的体育项目，包括冰球棍、滑雪杖、射箭和自行车，以及大量的海洋运动项目中，大量的应用到碳纤维材料。碳纤维复合材料的一个重要的应用领域，即为体育休闲用品，其消耗量约占全球碳纤维总产量的20%左右。而简称碳纤维高尔夫球杆占应用于体育用品碳纤维总量的50%左右，市场前景好。

而作为一个自行车爱好者，我更想介绍一下碳纤维在山地车中的应用。

碳纤维主要用于制造山地车的车架。 碳纤维车架的特征是：轻、钢性好、冲击吸收性好。但是，充分发挥碳纤维的优异性能，在技术上看起来不是那么容易，各碳纤维材料厂家之间的品质差异也较大。自行车厂家考虑到成本问题，不大可能使用高等级的碳纤维来制作车架。虽然存在上述的现实问题，但是碳纤维车架还是具有其他素材所没有的优点，可以制造8、9kg左右的轻量自行车，这种碳纤维轻量自行车，登坡时最能体现其优点，登坡顺利而爽快。而不会像一些轻的铝合金车架，登坡时感到有一种向后拉的力量。

碳纤维是把碳纤维用树脂凝固成形的东西。非常轻，但它是具有方向性的材料(拉伸强但容易断)，因此采用把薄料层层重叠的方法来解决缺点。 4.3 一般制造业领域

在一般工业制造领域中,碳纤维材料现已成为汽车制造商青睐的材料,在汽车内外装饰中开始大量采用。据悉,福特和保时捷生产的

GT型赛车发动机机罩已全部采用碳纤维材料;奔驰的57S型轿车原来内装饰全部是木质材料,现在则以碳纤维替代;通用的雪佛莱轿车底盘的内装饰材料也采用碳纤维;宝马公司将M6型轿车的顶篷全部采用碳纤维,并进行技术处理,使其保持金属材料的光泽。在工业领域,碳纤维还可应用于机器部件、家用电器、微机、及与半导体相关设备,用来起到提高强度、防静电和电磁波防护的作用。另外,在X射线仪中,碳纤维的应用可以减少人体在X射线下的暴露。随着环保要求的提高,碳纤维开始被广泛应用于汽车尾部沸腾器、发动机、传动轴和燃料箱材料。 3. 4 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A,B,C三栋建筑物构成。A、B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碳纤维胶粘合剂→用HCJ碳纤维进行残缺修补→粘贴第一层碳纤维片→粘贴第二层碳纤维片→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了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,对它们保护性的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的增长。

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较小,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量正在呈现上升趋势。

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,也将是很有前景的应用。 3. 5 能源开发领域

在中国的某些地区，风力资源丰富，同时其作为一种洁净的能源，越来越受到人类的重视。同时，随着人类环保意识的提高，大型风力发电行业正蓬勃发展。

在风力发电机组中，能够有效捕获风能的关键部件是叶片。在发电机功率一定的前提条件下，叶片的材料越轻#强度越高#叶片越大，其捕获的风能就越强。因此，质地轻、强度高、耐用性能好的碳纤维复合材料，就成为大型风力发电机叶片材料的首选。同时，碳纤维材料良好的导电性，起到避雷针的作用，能有效减少和避免雷击，对叶

片造成损伤。 3.6 其他领域

同时，在其他领域中，碳纤维也在悄悄的进入人们的视野。在钟表、手机等行业，碳纤维材料被用来制作更加轻质的#更加高强度的手表表壳、表盘、手机后盖等部件，使得产品在性能和科技含量上大大提高。未来的钟表行业，多元化的元素将会越来越多，其赋予手表的含义也将会越来越丰富，也将会有碳纤维材料的一席之地。

四、 碳纤维的应用前景展望

纤维属高新技术、高附加值产品,具有其他材料不可比拟的优异性能,自商品化以来,应用范围己从最初的航空航天、军事部门逐渐向民用领域渗透,目前己扩展到整个工业民用的多种领域。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,许多用途还有待开发,如碳纤维在建筑工程修补增强方面、飞机和汽车刹车片、汽车和其他机械零部件的应用以及电子设备套壳、集装箱、医疗器械、

深海勘探和新能源的开发等方面都将是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,潜力极大。