材料與人類文明論文·碳纖維材料的性能及其應用簡介

1、碳纖維材料的性能及其應用簡介自動化12 仲秋晨 一、 引言 碳纖維是在生活中應用非常廣泛的一種材料，它的強度甚至可以與“太空金屬”鈦相媲美，但密度卻不及鈦的一般。無論是在民用的自行車架、羽毛球拍還是在軍用的航天、航空領(lǐng)域，碳纖維都是極為理想的材料。碳纖維材料屬于材料密集型材料，頗有政治敏感度，其重要性可見一斑。中國目前的碳纖維生產(chǎn)水平不容樂觀，只有少量的利用自主技術(shù)研發(fā)的產(chǎn)品能達到國際同類產(chǎn)品水平。正因為碳纖維材料重要而又特殊的地位，我希望能夠在這篇文章中對碳纖維材料的性能及其應用方面的簡單介紹，讓大家能夠?qū)μ祭w維材料及其價值有一個全面的了解。二、 碳纖維材料簡介1、 碳纖維的特性碳纖維主要是

2、由碳元素組成的一種特種纖維，既具有一般碳素材料的特性，又有其獨特的性質(zhì)。碳纖維主要具有以下特性：(1) 密度小、質(zhì)量輕,碳纖維的密度為1.5-2g/cm3,相當于鋼密度的1/4、鋁合金密度的1/2；(2) 強度、彈性模量高,其強度比鋼大4-5倍,彈性回復為100%； (3) 熱膨脹系數(shù)小, 導熱率隨溫度升高而下降,耐驟冷、急熱,即使從幾千攝氏度的高溫突然降到常溫也不會炸裂；(4) 摩擦系數(shù)小,并具有潤滑性；(5) 導電性好, 25時高模量碳纖維的比電阻為775cm,高強度碳纖維則為1500cm；(6) 耐高溫和低溫性好,在3000非氧化氣氛下不熔化、不軟化，在液氮溫度下依舊很柔軟也，不脆化；(

3、7)耐酸性好，對酸呈惰性，能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕。除此之外，碳纖維還具有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和使中子減速等特性。2、 碳纖維增強復合材料與金屬材料不同，盡管碳纖維可單獨發(fā)揮某些功能，然而它屬于脆性材料，只有將它與基底材料結(jié)合在一起時才能充分利用其優(yōu)異的性能。根據(jù)使用目的的不同可選用各種基底材料和復合方式，而目前使用最多的最廣泛的就是樹脂基復合材料。（1） 碳纖維增強復合材料的性能碳纖維增強復合材料著重表現(xiàn)了在力學性強、熱物理性能以及熱燒蝕性能三個方面，如密度低、高溫強度好、能儲存大量熱能、耐燒蝕性能好等。（2） 加工方法及工藝 碳纖維增強復合材料一直被區(qū)分為長纖維和短纖維來

4、加工的。從典型的300400mm到幾個毫米分為不同的等級。人們一直在探索和改進各種碳纖維材料的加工方法。目前的加工方法主要有樹脂傳遞模塑RTM、噴射成型、注射成型、纖維纏繞成型、拉擠成型等。三、 碳纖維材料的應用由于碳纖維及其復合材料具有高強、高模、耐高溫、耐疲勞、導電、導熱等特性，因此被廣泛應用于土木建筑、航空航天、汽車、體育休閑用品、能源以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。1、 航空航天領(lǐng)域 在航天航空領(lǐng)域，碳纖維材料的應用主要是利用其“輕而強”和“輕而硬”的特性。因為航天飛行器的質(zhì)量每減少1kg。就可使運載火箭減輕500kg。因此在航天領(lǐng)域，碳纖維材料倍受青睞據(jù)報道，美國航天飛機上3只火箭推進器的關(guān)鍵部

5、件以及先進的MX導彈發(fā)射管等，都是用先進的碳纖維復合材料制成的碳纖維是一種纖維狀碳材料。2010年1月，采用碳纖維和鈦材料制造的波音787夢幻客機試飛成功。波音787機身80%由合成材料制造，其中碳纖維增強材料達到35噸，因此可大大減輕飛機重量。這種客機油耗少，減少碳排放效果顯著，維護方便，能夠給航空公司節(jié)省燃料和維護費用，一經(jīng)試飛就引起世界各國的關(guān)注。2、 汽車制造領(lǐng)域 在汽車制造領(lǐng)域中，碳纖維材料現(xiàn)已成為汽車制造商青睞的材料，在汽車內(nèi)外裝飾中開始大量采用。據(jù)悉，福特和保時捷生產(chǎn)的GT型賽車發(fā)動機機罩已全部采用碳纖維材料。我曾經(jīng)在網(wǎng)上看到看到蘭博基尼的一輛概念車，車架通體由碳纖維做成，極其威

6、猛霸氣，極大地提高了蘭博基尼車的各項性能，是蘭博基尼的“野性”得到充分的發(fā)揮。當然，其造價也比一般的蘭博基尼高了許多。3、 土木建筑領(lǐng)域20世紀80年代末90年代初在發(fā)達國家興起了一種以碳纖維布加固修復鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)補強加固技術(shù)。我國從20世紀90年代也開始研究和應用，現(xiàn)在已經(jīng)取得一定的研究成果。碳纖維與傳統(tǒng)的加大混凝土截面或粘鋼混凝土補強相比，具有節(jié)省空間，施工簡便，不需要現(xiàn)場固定設施，施工質(zhì)量易保證，基本不增加結(jié)構(gòu)尺寸及自重，耐腐蝕、耐久性能好等特點。另外，采用該工法，可大大提高建筑物的使用壽命，降低加固成本。因此，碳素纖維作為劃時代的補強材料，而備受青睞和關(guān)注。4、 體育休閑用品體育休

7、閑用品是應用碳纖維復合材料的一個極其重要的領(lǐng)域。2003年和2004年世界碳纖維總消耗量分別為19210t和20680t，而用于體育休閑用品的碳纖維都超過5000t，占世界碳纖維總消耗量的25左右。碳纖維材料在體育用品領(lǐng)域的應用主要在釣魚竿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、羽毛球拍等方面。據(jù)統(tǒng)計，釣魚桿現(xiàn)年產(chǎn)量約1200萬只，年碳纖維用量1200t；高爾夫球桿隨著輕量化和長尺寸化的要求，現(xiàn)已占碳纖維體育用品用途的50，年碳纖維用量為2000t；網(wǎng)球拍的年市場規(guī)模約為450萬只，年碳纖維用量約500t。5、 能源領(lǐng)域 隨著人類環(huán)保意識提高，大型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)正在迅速興起。葉片是風力發(fā)電機組有效捕獲風能的關(guān)鍵部

8、件。在發(fā)電機功率確定的條件下，葉片的材料越輕、強度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強，葉片就可以做得越大，它的捕風能力也就越強。因此，輕質(zhì)高強、耐久性好的玻璃纖維和碳纖維混雜復合材料結(jié)構(gòu)成為目前大型風力發(fā)電機葉片的首選。四、 總結(jié)以及展望 雖然我們上面列出了碳纖維的種種好處與應用，也確實看到了它作為材料不可估量的價值，但是我們不得不正視碳纖維存在的弱點。首先，就碳纖維材料本身的性質(zhì)來說，雖然碳纖維的軸向強度和模量很高，但其耐沖擊性較差，容易損傷，就是平時人們所說的“脆”。即使是碳纖維復合材料也并沒有完全解決這個問題。就我比較熟悉的羽毛球拍來講，一般羽毛球拍的材料要么是鋁合金，要么是碳纖維。鋁

9、合金的拍子如果受到損傷會“彎了”，用力拗直了說不定還能用；而碳纖維的拍子一旦損傷，一般都是“斷了”，無法修補。這是碳纖維最大的缺點。其次，相對于其他很多材料來說，碳纖維材料最明顯的特征就是“貴”。就體育用品而言，碳纖維網(wǎng)球拍價格在1000元左右，高爾夫球桿3000元左右，自行車最低檔的40005000元，稍好的上萬甚至數(shù)萬。更別提碳纖維車天文數(shù)字的價格了。高昂的價格以及供不應求的市場限制了碳纖維材料的普及。于是，我們會問：為什么碳纖維材料這么貴呢？正如前面所說，碳纖維材料是一種技術(shù)密集型和政治敏感的關(guān)鍵材料，而不僅僅是 “碳”那么簡單。目前世界上只有美、日、韓、德等國的少數(shù)企業(yè)掌握碳纖維生產(chǎn)的

10、核心技術(shù)。但國外尤其是碳纖維生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)先的日韓等國對中國的碳纖維材料及其制品的出口一直保持相當謹慎的態(tài)度。因此，中國只能繼續(xù)自力更生發(fā)展碳纖維工業(yè)。中國對碳纖維材料的研究始于20世紀60年代，起步很早但是發(fā)展緩慢，直到進入21世紀才有較快發(fā)展。只是與發(fā)達國家仍有較大差距。不過令人欣慰的是，國家已經(jīng)意識到碳纖維材料的重要性了，碳纖維已被列為國家化纖行業(yè)重點扶植的產(chǎn)品。雖然對碳纖維材料的研究可能困難重重，但是我相信，在國家的大力扶持下，在不久的將來，中國一定能夠打破發(fā)達國家的封鎖，生產(chǎn)出一大批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高質(zhì)量碳纖維材料以增強我國的綜合國力，同時方便人們的生活。我覺得在對碳纖維材料的研究上，一方面需要開發(fā)最高端的高性能碳纖維材料以供軍用，另一方面也應該進生產(chǎn)技術(shù)降低生產(chǎn)成本，讓碳纖維材料能夠進入千家萬戶