碳纤维复合材料的应用研究

杜云峰 张广城 沙学锋

【摘要】碳纤维复合材料自20世纪50年代面世以来，以其独特的性能，应用于尖端科学技术方面。本文比较分析了碳纤维复合材料具有的优良性能，分析碳纤维复合材料在航天航空领域以及在能源、汽车及其他工业部门的应用情况。

【关键词】碳纤维；复合材料；航空；应用

一、引言

碳纤维是近几十年发展起来的一种新型材料，它是碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成的结构材料。其直径6～8μm之内，它是一种直径极细的连续细丝材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维两大类，分别用聚丙烯腈原丝、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。随着碳纤维复合材料性能的不断完善和提高，目前在土木工程、航空航天、石油化工、交通运输、体育产品等领域得到广泛应用。本文比较分析了碳纤维复合材料具有的优良性能，分析碳纤维复合材料在航天航空领域以及在能源、汽车及其他工业部门的应用情况。

二、碳纤维复合材料的性能

（一）比强度和比模量高

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍，抗拉彈性模量为23000-43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/（g/cm₃）以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/（ g/cm3）左右，其比模量也比钢高。

（二）良好的抗腐蚀性

CFRP具有良好的耐酸、耐碱及耐其他化学腐蚀性介质的性能，这是因为其表面具有一层高性能的环氧树脂或其他树脂塑料。该优点使得其更具有竞争力，特别是在未来的电动汽车或其他有抗腐蚀要求的领域上。

三、碳纤维复合材料的应用

（一）土木建筑领域的应用

水泥在土木建材领域中用量最大，但水泥也有诸如脆性大、抗拉强度低等缺点，而现在用混凝土或水泥做基体制成的碳纤维增强复合材料，克服了水泥强度低、在混凝土中易开裂、易受到氯盐、硫酸盐等侵蚀的缺点，在冬季及寒冷地区有很大的应用空间。在大型建筑中，钢筋的使用量相当惊人，国家体育场“鸟巢”的钢筋绑扎量达到5.2万吨，施工量大，运输、安装费时费力，如果采用自身较轻的碳纤维，可以大大降低建筑结构的重量，方便施工，减少安装时间，降低施工周期。用碳纤维和树脂制成的碳纤维复合材料片，拉伸模量高、拉伸强度大，广泛应用于加固受损的钢筋混凝土结构物，用在石油平台上可使石油平台壁的耐冲击性能大大增强。

（二）在航天领域的应用

碳纤维复合材料的应用主要是以满足航空航天领域而发展起来的，例如在航天飞机机头和机翼前缘和舱门等制件；卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星一火箭结合部件；哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无线电天线等。

（三）在新能源方面的应用

目前全球的石油资源紧缺局面进一步加剧，如何开发和利用新能源是摆在我们面前的难题。而风能的开发和利用己形成全球的共识。MW级的风机叶片长度在40m以上，IOMW级的风机叶片长度达60m，采用碳纤维复合材料能满足叶片轻质、高强度和高模量的要求。

（四）在运动休闲领域中的应用

像球杆、钓鱼竿、网球拍、羽毛球拍、自行车、滑雪杖、滑雪板、帆板桅杆、航海船体等运动用品都是碳纤维的主要用户之一。体育应用中的重要应用为球棒和球拍框架，全世界40%的球棒都是由碳纤维制成的，全世界碳纤维钓鱼竿的产量约为每年2000万副，网球拍框架的市场容量约为每年600万副，碳纤维还应用在划船、赛艇等其他海洋运动中。日常用品中音响、浴霸、取暖器，远红外理疗产品等家用电器以及手机、笔记本电脑等电子产品都会应用到碳纤维。

四、总结

目前我国碳纤维复合材料发展迅速，在大飞机、高速列车等项目上都有着巨大的需求，但我国碳纤维复合材料的发展与发达国家相比还有很大差距，碳纤维复合材料还需要大量进口，在碳纤维的低成本上和复合材料成型技术上我们还要花很大的力气。