碳纖維復(fù)合材料

1、碳纖維復(fù)合材料摘要: 主要介紹了碳纖維復(fù)合材料的基本概述，并對(duì)它的一些結(jié)構(gòu)性能、應(yīng)用(主要 在航空領(lǐng)域的應(yīng)用) 、發(fā)展， 并分析了目前我國(guó)碳纖維復(fù)合材料的研究進(jìn)展和應(yīng)用前 景。關(guān)鍵字：碳纖維復(fù)合材料、碳纖維樹脂基復(fù)合材料、碳 碳復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)性能、 發(fā)展、航空領(lǐng)域。1、引言碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般 在 90以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及 耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工 成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的“比 強(qiáng)度”。碳纖維屬于聚合物碳，是有

2、機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀的無(wú)機(jī)碳化合 物。碳纖維是一種新型非金屬材料，它和它的復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐 蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱、比重小和熱脹脹系數(shù)小等優(yōu)異性能，碳纖維單 獨(dú)使用時(shí)主要是利用其耐熱性、耐蝕性、導(dǎo)電性和其它性質(zhì)。碳纖維是一種力學(xué)性 能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4 ，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的79倍，抗拉彈性模量為 2300043000Mpa亦高于鋼。因此CFRP (即碳纖維復(fù)合材料) 的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到 2000Mpa/(g/cm3) 以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量

3、也比鋼高。目前，碳纖 維不僅廣泛應(yīng)用軍事工業(yè)，而且在汽車構(gòu)件、風(fēng)力發(fā)電葉片、核電、油田鉆探、體而其在航育用品、碳纖維復(fù)合芯電纜以及建筑補(bǔ)強(qiáng)材料領(lǐng)域也存在巨大應(yīng)用空間, 空領(lǐng)域的光輝業(yè)績(jī)尤為引人注目。2、碳纖維的發(fā)展碳纖維的出現(xiàn)是材料史上的一次革命。碳纖維是目前世界首選的高性能材料， 具有咼強(qiáng)度、咼模量、耐咼溫、抗疲勞、導(dǎo)電、質(zhì)輕、易加工等多種優(yōu)異性能，正 逐步征服和取代傳統(tǒng)材料?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航天、航空和軍事領(lǐng)域。世界各國(guó)均把 發(fā)展高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)放在極其重要的位置。碳纖維除了在軍事領(lǐng)域上的重要應(yīng)用 外,在民品的發(fā)展上有著更加廣闊的空間， 并已經(jīng)幵始深入到國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域 在機(jī)械電子、建筑材

4、料、文體、化工、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域碳纖維有著無(wú)可比擬的應(yīng)用 優(yōu)勢(shì)。碳纖維是50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要而產(chǎn)生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現(xiàn)，這在技術(shù)上是又一次飛躍，同時(shí)也 標(biāo)志著碳纖維的研究和生產(chǎn)已進(jìn)入一個(gè)高級(jí)階段。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，碳纖維及 其復(fù)合材料已從初創(chuàng)期轉(zhuǎn)入增長(zhǎng)發(fā)展期，其工業(yè)地位已基本確立，美、日、英、法、德等國(guó)的碳纖維產(chǎn)量已經(jīng)占世界產(chǎn)量的絕大部分，并已逐步形成壟斷優(yōu)勢(shì)。我國(guó)對(duì)碳纖維的研究由于起步較晚，技術(shù)力量薄弱，雖然碳纖維及其復(fù)合材料在我國(guó)已被納入國(guó)家“ 863”和“ 973”計(jì)劃，但總體情況不盡理想，我國(guó)仍不具備成 熟的碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)

5、，國(guó)防和民用碳纖維產(chǎn)品基本依賴進(jìn)口。3、碳纖維復(fù)合材料的性能及主要用途由于碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是由含碳量較高、在熱處理過(guò)程中不熔融的人造化學(xué)纖維經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。 其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有 顯著的各向異性、柔軟、可加工性好，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，且碳纖維 比重小。(1) 碳纖維的化學(xué)性能碳纖維是一種纖維狀的碳素材料。我們知道碳素材料是化學(xué)性能穩(wěn)定性極好的物質(zhì)之一。這是歷史上最早就被人類認(rèn)識(shí)的碳素材料的特征之一。除強(qiáng)氧

6、化性酸等特殊物質(zhì)外，在常溫常壓附近，幾乎為化學(xué)惰性。可以認(rèn)為在普通的工作溫度冬 250C 環(huán)境下使用，很難觀察到碳纖維發(fā)生化學(xué)變化。 根據(jù)有關(guān)資料介紹，從碳素材料的 化學(xué)性質(zhì)分析，在冬250 C環(huán)境下，碳素材料既沒(méi)有明顯的氧化發(fā)生，也沒(méi)有生成 碳化物和層間化合物生成。由于碳素材料具有氣孔結(jié)構(gòu)，因此氣孔率高達(dá)25%左右，在加熱過(guò)程易產(chǎn)生吸附氣體脫氣情況，這樣的過(guò)程更有利于我們穩(wěn)定電氣性能 和在電熱領(lǐng)域的應(yīng)用。(2) 碳纖維的物理性能(a) 熱學(xué)性質(zhì)碳素材料因石墨晶體的高度各向異性，而不同于一般固體物質(zhì)與溫度的依存性，從工業(yè)的應(yīng)用角度來(lái)看，碳素材料比熱大體上是恒定的。幾乎不隨石墨化度和碳素材料的種

7、類而變化(b) 導(dǎo)熱性質(zhì)碳素材料熱傳導(dǎo)機(jī)理并不依賴于電子，而是依靠晶格振動(dòng)導(dǎo)熱，因此，不符合 金屬所遵循的維德曼一夫蘭茲定律。根據(jù)有關(guān)資料介紹，普通的碳素材料導(dǎo)熱系數(shù) 極高，平行于晶粒方向的導(dǎo)熱系數(shù)可與黃銅媲美(c) 電學(xué)性質(zhì)碳素材料電學(xué)性質(zhì)主要與石墨晶體的電子行為和不同的處理溫度有關(guān)，石墨的電子能帶結(jié)構(gòu)和載流子的種類及其擴(kuò)散機(jī)理決定了上述性質(zhì)。碳素材料這類電學(xué)性質(zhì)具有本征半導(dǎo)體所具備的特征，電阻率變化主要與載流子的數(shù)量變化有關(guān)。碳纖維的主要用途：與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，做成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最咼的。在剛度、重量、疲 勞特性

8、等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料 都頗具優(yōu)勢(shì)。由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性好和 強(qiáng)度高而成為一種先進(jìn)的航空航天材料。最神奇的應(yīng)用是采用長(zhǎng)碳纖維制成的“納 米繩”可以將“太空電梯”由理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，太空電梯將可以將乘客和各種貨物運(yùn) 送到空間軌道站上，也可以用這種“納米繩”將太空中發(fā)射平臺(tái)與地面固定在一起， 在這樣的發(fā)射平臺(tái)上發(fā)射人造衛(wèi)星和太空探測(cè)器就可以大大降低發(fā)射成本。總結(jié)碳纖維復(fù)合材料的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用有以下幾個(gè)方面(一)航天領(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

9、務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)上的使用量已占70%80%, 在軍用飛機(jī)上占30%40%，在大型客機(jī)上占15%50%。(a)碳纖維樹脂基復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP具有質(zhì)量輕等一系列突出的性能，在對(duì)重量、剛度、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域以及要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都具有很大優(yōu)勢(shì)。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù) 合材料已成為生產(chǎn)武器裝備的重要材料。A 8B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A 8A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

10、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)一一結(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%右， 其中碳纖維 復(fù)合材料將成為主體材料。國(guó)外一些輕型飛機(jī)和無(wú)人駕駛飛機(jī)，已實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化。直升飛機(jī)上碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的用量更是與日俱增。武裝了駐港部隊(duì)并參加了 2007年上海合作組織在俄羅斯反恐軍演的直 -9型直升飛機(jī)，是我國(guó)先進(jìn)的 直升飛機(jī)。該機(jī)復(fù)合材料用量已占到 60%左右， 主要是CFRP此外， 日本生產(chǎn)的OH-1 “忍者”直升飛機(jī)，機(jī)身的40%是用CFRP槳葉等也用CFRP制造在民用領(lǐng)域，

11、 世界最大的飛機(jī)A380由于CFRP的大量使用， 創(chuàng)造了飛行史上的奇跡。這種飛機(jī) 25%重量的部件由復(fù)合材料制造，其中 22%為碳纖維增強(qiáng)塑料 （CFRP）。由于CFRP的明顯減重以及在使用中不會(huì)因疲勞或腐蝕受損，從而大大減少了油耗和排放。燃油的經(jīng)濟(jì)性比其直接競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型要低13%左右， 并降低了運(yùn)營(yíng)成本， 座英里成本比目前效率最高飛機(jī)的低 15%20%，成為第一個(gè)每乘客每百公里耗油少于三升 的遠(yuǎn)程客機(jī)。（b） 碳 碳復(fù)合材料碳 碳復(fù)合材料是以碳纖維及其制品 （碳?xì)只蛱疾迹?作為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料。 因?yàn)樗慕M成元素只有一個(gè) （即碳元素） , 因而碳碳復(fù)合材料具有許多碳和石墨材 料的優(yōu)點(diǎn)， 如密度

12、低（石墨的理論密度為 2.3g/cm3 ）和優(yōu)異的熱性能 ,即高的熱導(dǎo) 率、低熱膨脹系數(shù) , 能承受極高的溫度和極大的熱加速率， 有極強(qiáng)的抗熱沖擊 , 在高 溫和超高溫環(huán)境下具有高強(qiáng)度、 高模量和高化學(xué)惰性。 憑借著輕質(zhì)難熔的優(yōu)良特性， 碳纖維增強(qiáng)基體的（ CC） 復(fù)合摩擦材料在航空航天工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。航天 飛機(jī)軌道的鼻錐和機(jī)翼前緣材料， 都會(huì)選用碳碳復(fù)合材料。 另外還大量用作高超音 速飛機(jī)的剎車片，目前，國(guó)際上大多數(shù)軍用和民用干線飛機(jī)采均用碳纖維增強(qiáng)基體 的復(fù)合材料剎車副。這種剎車副不僅質(zhì)量輕、抗熱沖擊性好、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、使用 壽命長(zhǎng)，更為方便的是可設(shè)計(jì)性強(qiáng)， 性能便于調(diào)節(jié)。還可制作發(fā)

13、熱元件和機(jī)械緊固 件、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和內(nèi)燃機(jī)活塞等。（二）、其他領(lǐng)域1）、高爾夫球棒用CFRP制成的高爾夫球棒、可減輕重量約10 一 40%。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，可使球獲得較大的初速度。另一方面.CFRP具有高的阻尼特性，可使擊球時(shí)間延長(zhǎng)，球被擊得更遠(yuǎn)。2）、 釣魚竿？碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的釣魚竿比GFRP制品或竹竿都要輕得多，使其在撒竿時(shí)消耗能量少，而且撤竿距比后者遠(yuǎn)20%左右。CFRP所制的釣魚竿長(zhǎng)而好，剛性大， 釣魚竿在彎曲之后能迅速?gòu)?fù)原， 使其傳遞誘餌的感覺(jué)較為靈敏。 現(xiàn)在已有商品銷售， 用碳纖維增強(qiáng)塑料還可以制成漁具的卷鈾，其重量不超過(guò)140克，但它的疲勞強(qiáng)度高，耐摩擦，因而使用壽命

14、長(zhǎng)。3）、賽車用石墨纖維長(zhǎng)絲制成的管材可用來(lái)制造比賽車或通用自行車的車架，其特點(diǎn)是重量輕，比鋼制架可減重 50%左右，使自行車的總重量減輕 15%碳纖維與玻璃纖維混合增強(qiáng)復(fù)合材料可用來(lái)制造越野賽汽車，它的特點(diǎn)是重量輕。用金屬材料制造的同樣車體的總重量為226.8公斤，用CFRP制造時(shí)為63.5公斤，用CF7GPRP制造時(shí)重量可減輕到 31.8至36.5公斤。在賽車領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料最著名的運(yùn)用無(wú)疑是F1車身。為了使重量保持最小，所有車隊(duì)都廣泛使用碳纖材料，而這些材料的強(qiáng)固性足以支撐車子的重量。4.我國(guó)碳纖維復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)代的碳纖維是以聚丙烯腈、人造絲或木質(zhì)素為原絲，將有機(jī)纖維跟塑料樹脂

15、結(jié)合在一起高溫分解并且碳化后得到的，還不能直接用碳或石墨來(lái)制取。據(jù)了解，目前全球碳纖維產(chǎn)能約 3.5 萬(wàn)噸，我國(guó)市場(chǎng)年需求量 6500噸左右， 屬 于碳纖維消費(fèi)大國(guó)。在以“高性能聚丙烯腈碳纖維制備的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題”為主題的 第335次香山科學(xué)會(huì)議上，會(huì)議執(zhí)行主席、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)師緒院士指出， 與國(guó)外技術(shù)相比，我國(guó)碳纖維領(lǐng)域還存在較大差距。2007年，我國(guó)碳纖維產(chǎn)能僅 200噸左右，而且主要是低性能產(chǎn)品。由于缺少具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)支撐，目前國(guó) 內(nèi)企業(yè)尚未掌握完整的碳纖維核心關(guān)鍵技術(shù)。這就使得我國(guó)碳纖維在質(zhì)量、技術(shù)和 生產(chǎn)規(guī)模等方面均與國(guó)外存在很大差距， 絕大部分高性能增強(qiáng)材料都長(zhǎng)期依賴進(jìn)口， 價(jià)格非常昂貴。 由于缺乏創(chuàng)新與集成和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展， 極大地制約了我國(guó)碳纖維 復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展。基于我國(guó)高性能碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)尚不能滿足