王靜　王平俊　劉歆

摘 要：本文比較分析了碳纖維復(fù)合材料具有的優(yōu)良性能，分析談碳纖維復(fù)合材料在航天航空領(lǐng)域以及在能源、汽車及其他工業(yè)部門的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：碳纖維；航天；航空；應(yīng)用

一、引言

碳纖維是近幾十年發(fā)展起來的一種新型材料，它是碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合制成的結(jié)構(gòu)材料。其直徑6～8μm之內(nèi)，它是一種直徑極細的連續(xù)細絲材料。目前用在復(fù)合材料中的碳纖維主要有聚丙烯腈基碳纖維和瀝青基碳纖維兩大類，分別用聚丙烯腈原絲、瀝青原絲通過專門而又復(fù)雜的碳化工藝制備而得。通過碳化工藝，使纖維中的氫、氧等元素得以排出，成為一種接近純碳的材料，含碳量一般都在90%以上，而本身質(zhì)量卻大為減輕；碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、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)出很高的強度。它是一種輕質(zhì)、高強度、高模量、化學(xué)性能穩(wěn)定的高性能纖維材料。

二、碳纖維復(fù)合材料的性能

碳纖維復(fù)合材料與金屬材料或其他工程材料相比，具有以下許多優(yōu)良的性能：

（1）比強度和比模量高

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)合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7-9倍，抗拉彈性模量為23000-43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/（g/cm3）以上，而A3鋼的比強度僅為59Mpa/（g/cm3）左右，其比模量也比鋼高。

（2）良好的耐疲勞性能

當(dāng)裂紋由表面向內(nèi)層擴展時，到達某一纖維取向的層面時，會使裂紋擴展在該層面內(nèi)呈現(xiàn)斷裂發(fā)散，因此層壓的CFRP對疲勞裂紋擴張有“抑制”作用，這種特性使得CFRP的疲勞強度大大提高。研究表明CFRP的疲勞強度是靜力強度的90%。

（3）良好的抗腐蝕性

CFRP具有良好的耐酸、耐堿及耐其他化學(xué)腐蝕性介質(zhì)的性能，這是因為其表面具有一層高性能的環(huán)氧樹脂或其他樹脂塑料。該優(yōu)點使得其更具有競爭力，特別是在未來的電動汽車或其他有抗腐蝕要求的領(lǐng)域上。

三、碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料主要是以滿足航空航天對高性能材料的要求而發(fā)展起來的。隨著碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能越來越多地被認識和接受，其在能源、交通、汽車、海洋、建筑及其他工業(yè)部門的應(yīng)用近年來在快速地發(fā)展。

（1）在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

為了提高和改善飛機性能，早在20世紀(jì)50年代，美國空軍材料實驗室就開始尋求一種新型的結(jié)構(gòu)材料，碳纖維復(fù)合材料正是在這種背景下被列入發(fā)展計劃。近40年來，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用得到長足的發(fā)展，主要用作主承力結(jié)構(gòu)材料，如主翼、尾翼和機體；次承力構(gòu)件，如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發(fā)動機艙、整流罩及座板等，此外還有C/C剎車片等。

（2）在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

用作導(dǎo)彈防熱及結(jié)構(gòu)材料如火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層；衛(wèi)星構(gòu)架、天線、太陽能翼片底板、衛(wèi)星-火箭結(jié)合部件；航天飛機機頭，機翼前緣和艙門等制件；哈勃太空望遠鏡的測量構(gòu)架，太陽能電池板和無線電天線。

（3）在能源、汽車及其他工業(yè)部門的應(yīng)用

隨著全球石油資源緊缺局面的加劇，新能源的開發(fā)和利用已成為當(dāng)今十分重要的研究課題，其中風(fēng)能的開發(fā)和利用已形成全球的共識。MW級的風(fēng)機葉片長度在40m以上，10MW級的風(fēng)機葉片長度達60m，采用碳纖維復(fù)合材料能滿足葉片輕質(zhì)、高強度和高模量的要求。因此風(fēng)電市場的快速增長將極大地推動碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

對于未來的汽車工業(yè)，碳纖維復(fù)合材料將成為汽車制造的主流材料。2001年寶馬公司率先開發(fā)和試驗高強輕質(zhì)的碳纖維復(fù)合材料（CFRP）車體板和其他部件，所用碳纖維系Zoltek公司生產(chǎn)的大絲束產(chǎn)品。英國Cranfield大學(xué)的研究成果也表明，每年生產(chǎn)2萬輛的CFRP汽車是可行的。這種輕質(zhì)化材料的汽車將改進其燃料效率，輕質(zhì)化材料部件的剛性比鋼制部件高，在高風(fēng)阻力下具有良好穩(wěn)定性，這一點對賽車和運動型車而言更為重要。目前已研制出的CFRP汽車長4.3m、寬1.7m、高1.4m，重量只有570kg。CFRP材料由德國Tenax公司生產(chǎn)提供。

聚合物樹脂基體以及高性能的玻璃纖維、碳纖維和芳綸增強體的復(fù)合材料在一些新的應(yīng)用領(lǐng)域取得進展，如具有防爆功能的裝甲復(fù)合材料，以天然氣作動力的汽車發(fā)動機汽缸，機械驅(qū)動軸，高速路高架橋承載梁等，在基建、兵器、醫(yī)療器械、體育休閑用品等領(lǐng)域都存在巨大的市場潛力。

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