杜云峰 張廣城 沙學鋒

【摘要】碳纖維復(fù)合材料自20世紀50年代面世以來，以其獨特的性能，應(yīng)用于尖端科學技術(shù)方面。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；復(fù)合材料；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。隨著碳纖維復(fù)合材料性能的不斷完善和提高，目前在土木工程、航空航天、石油化工、交通運輸、體育產(chǎn)品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。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。

二、碳纖維復(fù)合材料的性能

（一）比強度和比模量高

碳纖維是一種力學性能優(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。

（二）良好的抗腐蝕性

CFRP具有良好的耐酸、耐堿及耐其他化學腐蝕性介質(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

（一）土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

水泥在土木建材領(lǐng)域中用量最大，但水泥也有諸如脆性大、抗拉強度低等缺點，而現(xiàn)在用混凝土或水泥做基體制成的碳纖維增強復(fù)合材料，克服了水泥強度低、在混凝土中易開裂、易受到氯鹽、硫酸鹽等侵蝕的缺點，在冬季及寒冷地區(qū)有很大的應(yīng)用空間。在大型建筑中，鋼筋的使用量相當驚人，國家體育場“鳥巢”的鋼筋綁扎量達到5.2萬噸，施工量大，運輸、安裝費時費力，如果采用自身較輕的碳纖維，可以大大降低建筑結(jié)構(gòu)的重量，方便施工，減少安裝時間，降低施工周期。用碳纖維和樹脂制成的碳纖維復(fù)合材料片，拉伸模量高、拉伸強度大，廣泛應(yīng)用于加固受損的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物，用在石油平臺上可使石油平臺壁的耐沖擊性能大大增強。

（二）在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用主要是以滿足航空航天領(lǐng)域而發(fā)展起來的，例如在航天飛機機頭和機翼前緣和艙門等制件；衛(wèi)星構(gòu)架、天線、太陽能翼片底板、衛(wèi)星一火箭結(jié)合部件；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等。

（三）在新能源方面的應(yīng)用

目前全球的石油資源緊缺局面進一步加劇，如何開發(fā)和利用新能源是擺在我們面前的難題。而風能的開發(fā)和利用己形成全球的共識。MW級的風機葉片長度在40m以上，IOMW級的風機葉片長度達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。

（四）在運動休閑領(lǐng)域中的應(yīng)用

像球桿、釣魚竿、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、自行車、滑雪杖、滑雪板、帆板桅桿、航海船體等運動用品都是碳纖維的主要用戶之一。體育應(yīng)用中的重要應(yīng)用為球棒和球拍框架，全世界40%的球棒都是由碳纖維制成的，全世界碳纖維釣魚竿的產(chǎn)量約為每年2000萬副，網(wǎng)球拍框架的市場容量約為每年600萬副，碳纖維還應(yīng)用在劃船、賽艇等其他海洋運動中。日常用品中音響、浴霸、取暖器，遠紅外理療產(chǎn)品等家用電器以及手機、筆記本電腦等電子產(chǎn)品都會應(yīng)用到碳纖維。

四、總結(jié)

目前我國碳纖維復(fù)合材料發(fā)展迅速，在大飛機、高速列車等項目上都有著巨大的需求，但我國碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展與發(fā)達國家相比還有很大差距，碳纖維復(fù)合材料還需要大量進口，在碳纖維的低成本上和復(fù)合材料成型技術(shù)上我們還要花很大的力氣。