碳纖維復合材料應(yīng)用研究報告

1、碳纖維復合材料應(yīng)用研究報告摘要：本文對碳纖維復合材料的應(yīng)用進行了綜述，介紹了目前碳纖維復合材料的優(yōu)異性能、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢及在其所應(yīng)用領(lǐng)域中的發(fā)展前景。同時，也指出了碳纖維復合材料在應(yīng)用和發(fā)展中所存在的問題，并給出了解決這些問題的對策及建議。關(guān)鍵字：碳纖維，復合材料，應(yīng)用前景1前言碳纖維復合材料是以碳纖維為增強體與樹脂、陶瓷及金屬等基體復合而成的結(jié)構(gòu)材料。碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上。它是利用各種有機纖維在惰性氣體中、高溫狀態(tài)下碳化而制得。碳纖維除了具有十分優(yōu)異的力學性能外，碳纖維還具有低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、震動衰減性高、電及熱傳導性高、熱膨脹系數(shù)低、穿透

2、性高 等優(yōu)良性能1?；诖?，到目前為止，用碳纖維與其他基體復合而成的先進基復合材料是目 前用得最多，也是最重要的一種結(jié)構(gòu)復合材料。碳纖維復合材料與金屬材料或其他工程材料相比有許多優(yōu)良的性能，如表1-1所示2 :表1-1各材料性能比較材料密度P/( g?cm-3)彈性模 量E/GPa抗拉強 度b /MPa比模量(E/ P )/ GPa/( g? cm-3)比強度(b / P )/ GPa/( g? cm-3)最高使用 溫度 / C鋼 SAE1010(冷軋)7.8720736526.300.05500650鋁6061-T62.7068.931025.520.11150250高強度碳纖維環(huán)氧基（單向

3、）1.55137.8155088.901.0080215高模量碳纖維環(huán)氧基（單向）1.632151240131.900.7680 215碳纖維環(huán)氧基 （準各向同 性）1.5545.557929.350.3780 215通過比較可知，（1）碳纖維復合材料比強度是鋼 SAE1010（冷軋）的近20倍，是鋁6061-T6 的近10倍；其比模量則超過這些鋼和鋁材的3倍。因此其具有高的比強度和比模量。（2）大多數(shù)碳纖維復合材料可通過設(shè)計增強纖維的取向及用量來對結(jié)構(gòu)材料的性能實行剪裁，達到性能最佳。（3）碳纖維復合材料密度低，質(zhì)量輕，能有效減輕構(gòu)件重量。除此之外，碳纖 維復合材料還有多選擇性成型工藝、良好

4、的耐疲勞性能及良好的抗腐蝕性等。由于碳纖維復合材料具有優(yōu)于其他材料的性能，世界各國都在大力發(fā)展碳纖維復合材料。2013年碳纖維復合材料總產(chǎn)值 147億美元，其中CFR產(chǎn)彳194億美元，約占64%碳纖維復 合材料白需求7.2萬t, 2020年預計需求量將達14.6萬t （圖1-1 ）, 20102020年全球碳纖維復合材料年均增長率都將超過11%34 O2016、2020年的需求量為預測值。圖1-1 2011 2020年全球碳纖維和碳纖維復合材料的需求量其中，歐洲的碳纖維復合材料需求占全球市場的40 %美國占25 %中國占20 %其他國家與地區(qū)的碳纖維復合材料占市場份額在15 %t下。其中中國市

5、場對碳纖維的需求每年也在逐步增加，中國碳纖維復合材料市場需求如圖1-2所示：圖1-2中國碳纖維復合材料市場需求2015年，碳纖維制造商日本帝人公司擴大碳纖維復合材料合作領(lǐng)域，其目標是將他們的熱塑性碳纖維復合材料 Sereebo應(yīng)用到量產(chǎn)車的零部件上。美國運用基于ImpossibleObjects的復合型增強材制造出碳纖維零件。2015年10月，寶馬將推出全新碳纖維復合材 料車，全新BMW源打造了 Carbon Core高強度碳纖維，內(nèi)核，碳纖維增強復合材料被用于加 固車頂橫梁結(jié)構(gòu)以及 班和C柱、底部側(cè)圍、中央通道和后部支撐。與上一代車型相比，最大 減重達130 kg6。隨著世界各國對碳纖維復合

6、材料的廣泛應(yīng)用，各國將會重視并大力發(fā)展碳 纖維復合材料且其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V闊。2碳纖維復合材料的應(yīng)用前景碳纖維復合材料主要應(yīng)用到航天航空、汽車、船舶、風力發(fā)電、運動休閑、土木建筑、壓力容器等領(lǐng)域，其各個領(lǐng)域所占市場份額如圖2-1所示7啦至就天破葉片23.e%圖2-12014年全球各種碳纖維復合材料市場需求份額百分比在中國，隨著航天航空、汽車、船舶、風力發(fā)電、運動休閑等大力的發(fā)展，碳纖維及其 復合材料的應(yīng)用占全世界 1/4,航天航空、汽車、船舶、風力發(fā)電、運動休閑、土木建筑、 壓力容器等領(lǐng)域所占份額如圖 2-2所示。運動休閑圖2-22014年中國各種碳纖維復合材料市場需求份額百分比2.1 在航天

7、航空領(lǐng)域的應(yīng)用通常，先進復合材料首先應(yīng)用于航天航空等國防工業(yè)領(lǐng)域，然后隨著技術(shù)的成熟， 慢慢向民用領(lǐng)域發(fā)展。以高性能碳纖維復合材料為代表的先進復合材料作為結(jié)構(gòu)、功能一體化材料，在民用飛機、導彈等航空航天領(lǐng)域發(fā)揮著不可估量的作用8。2.1.1 民用飛機碳纖維復合材料與鋼材相比其質(zhì)量減輕75 %,而強度卻提高4倍，其在航空航天復合材料上的使用，大大改善了大型商用飛機的燃油效率，空客A38R A400M和波音787中碳纖維復合材料 的使用量均已超過50 %。其機身、機尾翼采用碳纖維層合結(jié)構(gòu)，升降舵、方向舵 保留碳纖維夾芯機構(gòu)。 大量應(yīng)用復合材料獲得的低油耗、高巡航速度使其得以實現(xiàn)更多的點對點不經(jīng)停直

8、飛航線。碳復合材料具有耐高溫、抗磨損、比熱容大等特點，是制造飛機制動裝置的優(yōu)異材料。用其制作的飛機制動盤同金屬制動盤相比可節(jié)省40%勺結(jié)構(gòu)重量，使用壽命是金屬制動盤的57倍9。2.1 . 2軍用飛機及火箭在20世紀80年代，碳纖維復合材料作為主承力結(jié)構(gòu)材料在軍用飛機的主翼、機身等部位使用。近幾年隨著碳纖維工業(yè)技術(shù)和航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，碳纖維在這一領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛，如用于制造人造衛(wèi)星支架、衛(wèi)星天線、航天飛機的機翼、火箭的噴焰口、戰(zhàn)略導彈 的末級助推器、機器人的外殼等 10。固體火箭發(fā)動機是各種導彈武器的主要動力裝置，在其殼體應(yīng)用碳纖維復合材料可大大減輕火箭和導彈的發(fā)射質(zhì)量、節(jié)省發(fā)射費用，或

9、攜帶更重的彈頭、或增加有效射程和落點精 度。由于戰(zhàn)略導彈對自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的要求非常嚴格，采用先進碳纖維復合材料 對提高精度、增大射程意義重大。發(fā)動機和彈頭質(zhì)量每減少1 kg ,可使洲際導彈射程增大 20 km,故碳纖維復合材料在導彈上的應(yīng)用會極大提升戰(zhàn)略導彈的作戰(zhàn)性能11。2.2 在汽車及一般工業(yè)的應(yīng)用碳纖維復合材料用于汽車部件上不僅可以實現(xiàn)汽車輕量化，而且在安全性與乘用舒適性等方面也有很大提高，因此越來越受到汽車工業(yè)的重視，對碳纖維復合材料的需求量也逐年 增多(如圖2-1 )。很多汽車制造商生產(chǎn)的高檔、豪華轎車幾乎都開始試用或已經(jīng)采用了各 種碳纖維復合材料12。年加年 圖2-1 2004-20

10、20年汽車領(lǐng)域?qū)μ祭w維復合材料的需求量(1)碳纖維復合材料應(yīng)用于汽車車身、底盤及承力部件，在保證安全性的同時具有十分明顯的減重效果。英國材料系統(tǒng)實驗室的研究結(jié)果表明，在各種材料制造的車身中碳纖維復合材料是最輕的，尤其是與鋼制車身相比，輕量化效果達53%A上。根據(jù)世界鋁業(yè)協(xié)會的報告，汽車質(zhì)量每減少10%油耗可降低6%8%排放減少5%6%每降低消耗1 L燃油，將減少2.45 kg的CO排放量，可見在汽車上使用碳纖維復合材料，提高燃油經(jīng)濟性，節(jié)能環(huán)保的 作用非常明顯13。(2)碳纖維復合材料具有良好的抗沖擊性和能量吸收能力，用于車身及其結(jié)構(gòu)件具有良好的碰撞安全性。碳纖維復合材料質(zhì)量僅有鋼的50吐右，

11、在碰撞時吸收能量的能力卻是鋼或鋁的45倍，使汽車碰撞安全性顯著提高 13。(3)碳纖維復合材料振動衰減系數(shù)大，吸振能力強，用于傳動系統(tǒng)和發(fā)動機部件，不僅 能減輕車的質(zhì)量，還可以減少振動、降低噪聲，從而增加乘坐舒適度14。除此之外，碳纖維復合材料還能省去復雜的金屬模具、沖壓、焊接及噴涂投資，降低綜合生產(chǎn)成本。2.3 在風力發(fā)電風輪翼方面的應(yīng)用隨著風力發(fā)電設(shè)備的大型化，要求減輕 設(shè)備負荷，減少葉片變形，為此要求在主承 力件如軸和葉片某些部位采用適應(yīng)于大型葉 片輕量化和高剛性化的碳纖維復合材料15碳纖維復合材料作為發(fā)電機葉片的首 選材料，可以提高葉片的捕風能力。用于對 材料強度和剛度要求高的翼緣部位

12、，不但可以提高葉片的承載能力，促進風力發(fā)電的發(fā) 展，而且碳纖維的導電性可避免雷擊損傷.據(jù)分析，采用碳纖維葉片可減重 20%40%6 . 2.4在土建領(lǐng)域的應(yīng)用在土建領(lǐng)域，使用碳纖維材料加固 結(jié)構(gòu)的主要目的是提高建筑工程承載能 力或改善其功能。圖2-2碳纖維在風力發(fā)電風輪翼的應(yīng)用圖2-3碳纖維筋索柵欄管制品碳纖維型材以及衍生出的碳纖維復合材料構(gòu)件和目前，建筑工程中廣泛使用的碳纖 維及其復合材料產(chǎn)品具有多種形式，常 用的碳纖維筋、碳纖維索、碳纖維型材 以及衍生出的碳纖維復合材料構(gòu)件和結(jié) 構(gòu)等(如圖2-3)。其中，碳纖維筋主要 用于混凝土結(jié)構(gòu)中替代鋼筋，在腐蝕環(huán) 境下可以減少因鋼筋銹蝕所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)

13、損傷或破壞，提高結(jié)構(gòu)壽命。碳纖維索 主要用于橋梁等大跨度結(jié)構(gòu)建設(shè)中的拉 索或吊索，也可以用于錨索，用以減輕 結(jié)構(gòu)自重、提高抗拉能力、改善耐久性二結(jié)構(gòu)主要用于制造結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件或局部結(jié)構(gòu)單體，以改善構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的性能，適應(yīng)不同環(huán)境或工況要求，還可以利用碳纖維材料的優(yōu)良性能形成多樣化的新型、智能結(jié)構(gòu)17。2.5 在運動休閑領(lǐng)域的應(yīng)用出于對安全、減重的需要，碳纖維復合材料用于生產(chǎn)自行車、釣魚竿、沖浪板、滑雪板、高爾夫球桿、羽毛球拍和網(wǎng)球拍等，是我國目前消耗量最大的碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域。用碳纖維復合材料制成的高爾夫球棒可減輕重量約10% -40 %。由碳纖維復合材料制成的釣魚竿竹竿要輕得多，使其在撒竿時消耗能量

14、少，而且撒竿距比后者遠20%左右，且剛性大，釣魚竿在彎曲之后能迅速復原使其傳遞誘餌的感覺較為靈敏18。2013年碳纖維復合材料在運動休閑領(lǐng)域產(chǎn)值達14.7億美元，其中高爾夫桿等產(chǎn)品產(chǎn)值 5.6億美元，占38%網(wǎng)球和羽毛球球拍占21% 自行車占14%運動休閑用碳纖維消耗量最大在亞洲，特別是中國，高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、 釣魚竿、自行車架、船槳、公路賽車等都用到碳纖維。由于成本問題，制約碳纖維在該領(lǐng)域 的快速發(fā)展，預計2015年全球運動休閑領(lǐng)域?qū)μ祭w維需求增長依然保持在4就右19。2.6 其他領(lǐng)域的應(yīng)用(1)壓力容器方面：壓縮的液化天然氣具有成本低、效益高、無污染和使用方便等特點，在生活燃料、 汽車動

15、力等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。碳纖維復合材料產(chǎn)品具有輕質(zhì)高強、耐疲勞性能更好、耐破損安全性佳以及減震性能優(yōu)等特點，故其推廣和應(yīng)用越來越受到重視。豐田公司也將于2015年發(fā)售燃料電池車。此外，新能源頁巖氣罐也用碳纖維復合材料制造。(2)深海石油平臺：深海采油，由于海上空氣濕度大，海水的鹽堿度高。而傳統(tǒng)金屬 石油平臺質(zhì)量大、耐腐蝕性和抗疲勞性能較差。如果不能及時對金屬石油平臺進行維護，則可能在采油過程中發(fā)生事故。碳纖維復合材料有輕質(zhì)高強、耐腐蝕、 耐疲勞、 耐高溫等優(yōu)異性能，憑借此優(yōu)異性能，碳纖維復合材料可以在此方面實現(xiàn)其應(yīng)用價值。(3)高速鐵路：高速加超重不光消耗巨大的能源，更大幅度增加了軌道設(shè)施的基

16、礎(chǔ)建 設(shè)成本。所以，高鐵的輕量化勢在必行。國際上各大高鐵技術(shù)公司都在研制高鐵用碳纖維復 合材料，諸如轉(zhuǎn)型架、車頭、地板等部件的開發(fā)，國外均有碳纖維復合材料的研發(fā)。3碳纖維樹脂基復合材料存在的問題及改善對策(1)組織技術(shù)攻關(guān)。碳纖維復合材料生產(chǎn)工藝流程長、技術(shù)關(guān)鍵點多，是多學科、多 技術(shù)的集成。在國內(nèi)起步較晚，可采用消化吸收引進技術(shù)與自主創(chuàng)新相結(jié)合辦法，盡快實現(xiàn)規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。首先必須解決原絲質(zhì)量問題，同時還需要加強預氧化、碳化、石墨化設(shè)備及表面處理工程技術(shù)研究開發(fā)，并重點解決T300級等中低端碳纖維產(chǎn)品穩(wěn)定性，加快T700系列、T800系列等中高端碳纖維產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化及高模量碳纖維研發(fā)。(2)價格

17、是制約碳纖維復合材料發(fā)展的主要因素。世界上碳纖維復合材料生產(chǎn)廠商都在致力于降低碳纖維生產(chǎn)成本。在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上降低成本，許多工業(yè)應(yīng)用才有實用價值。為廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件，才能帶來碳纖維工業(yè)的高速發(fā)展。降低成本的主要措施有降低碳纖維的成本及新型節(jié)能技術(shù)及裝備的采用等。(3)碳纖維復合材料的應(yīng)用難度大。碳纖維復合材料的應(yīng)用具有設(shè)計一制造一應(yīng)用一體化的特點，碳纖維每一個中間產(chǎn)品或復合材料產(chǎn)品的應(yīng)用，都需要專有技術(shù)、專門的設(shè)備、專用的樹脂，都需要生產(chǎn)企業(yè)和應(yīng)用企業(yè)點對點定向開發(fā)。參考文獻1唐見茂.碳纖維樹脂基復合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望J.航天器環(huán)境工程，2010,27(3):269-280.2張家杰.

18、國內(nèi)外碳纖維生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J.化工技術(shù)經(jīng)濟，2005,23(4):12-15,19.3蘆長椿.聚合物復合材料技術(shù)的現(xiàn)狀與新動向J.合成Zf維，2014,43(12):33-37,52.4井冢淑父.碳纖維復合材料應(yīng)用的新動向J.國外化纖技術(shù)，2013,42(9):51-54.5化專.帝人集團擴大碳纖維復合材料合作領(lǐng)域J.高科技纖維與應(yīng)用,2015,4(5):66-67.6鄭寧來.寶馬將推出全新碳纖維復合材料車J.合成Zf維，2015,44(10):52.7林剛等.全球碳纖維及其復合材料市場現(xiàn)狀和展望J.高科技纖維與應(yīng)用，2015,40(2) : 1-12,22.8彭金濤等.碳纖維增強樹脂基復合材料的最新應(yīng)用現(xiàn)狀J.中國膠粘劑，2014,23(8):48-529董博.復合材料及碳纖維復合材料應(yīng)用現(xiàn)狀J.遼寧化工，2013,42(5):552-554,562.10蘇小萍.碳纖維增強復合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀J.高科技纖維與應(yīng)用,2004,29(5):38-39.11孫崇強等.碳纖維增強樹脂基復合材料的最新應(yīng)用現(xiàn)狀J.大科技，2015,(11):302.12王東川等.碳纖維增強復合材料在汽車上的應(yīng)用J.汽車工藝與材料,2005(4):33-36.13趙艷榮等.碳纖維復合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用J.合成樹脂及塑