彭鶴軒

（天津大學(xué) 材料學(xué)院，天津 110004）

1 碳纖維復(fù)合材料作用于汽車工業(yè)當(dāng)中

可持續(xù)發(fā)展是目前值得重視的問題，汽車的節(jié)能減排非常有必要，利用碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)的材料可以達(dá)到汽車輕量化的效果。最近這些年，能源危機(jī)每況愈下，各個(gè)國(guó)家的排放法規(guī)也慢慢嚴(yán)格起來，在保證安全和動(dòng)力的前提之下，降低油量的消耗以及減少排放是目前汽車工業(yè)當(dāng)中值得解決的問題。利用各種輕質(zhì)材料替代金屬等傳統(tǒng)的材料，讓汽車輕量化，這是做到節(jié)能減排的一個(gè)重要方法。碳纖維復(fù)合材料是國(guó)家高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展當(dāng)中的重要材料也是關(guān)鍵材料，碳纖維復(fù)合材料有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度、耐得住腐蝕等優(yōu)勢(shì)，越來越被汽車工業(yè)所重視。

與金屬材料相比較，碳纖維復(fù)合材料有很多優(yōu)點(diǎn)，在汽車工業(yè)上加以利用會(huì)有很多益處。碳纖維復(fù)合材料的密度小而且強(qiáng)度高，在車身和底盤等地方進(jìn)行應(yīng)用能夠減少車重而且同時(shí)不損失強(qiáng)度和剛度，保證車輛的安全指數(shù)。較強(qiáng)的韌性，使其具備高抗沖擊能力和吸收能量能力，有利于提升車輛的碰撞安全性能。較高的抗振性能，可以用于車身、發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)，有很好的減震和隔音的作用，讓乘客和駕駛員更加舒適。它還有耐熱、耐腐蝕和抗輻射的特點(diǎn)，車輛具備較好的性能。碳纖維復(fù)合材料在車輛當(dāng)中的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的輕量化，也能夠提高車輛的安全性和舒適程度。

在車身、底盤和承受力量的部位進(jìn)行應(yīng)用，能夠在確保車輛安全的同時(shí)為車輛減重，在各種應(yīng)用到汽車制造的材料當(dāng)中，碳纖維復(fù)合材料是最輕的，尤其是與鋼鐵進(jìn)行比較，碳纖維復(fù)合材料在重量上有更大的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)的一家汽車公司在1992年就展示了利用碳纖維復(fù)合材料制造出的超輕車輛，車身的質(zhì)量為191 kg，這種車輛整體的質(zhì)量降低68%，節(jié)油40%。2003年，戴姆勒克萊斯勒公司研制出一輛在擋板支架采用了碳纖維復(fù)合材料的跑車，每一個(gè)支架的質(zhì)量?jī)H僅只有1.93 kg，4個(gè)復(fù)合部件總共的重量為6.1 kg，與金屬制造的擋板支架系統(tǒng)相比較，質(zhì)量減少了18 kg，而剛度提高了22%。除了這些，碳纖維復(fù)合材料作為輕質(zhì)高強(qiáng)的材料，還可以運(yùn)用在高強(qiáng)度承力的結(jié)構(gòu)件上面，比如減震彈簧片等。

碳纖維復(fù)合材料的可靠、耐久、強(qiáng)度等特點(diǎn)，都決定著它有很大的使用價(jià)值。日本近幾年在制造汽車渦輪增壓器氣機(jī)葉輪時(shí)開始用碳纖維復(fù)合材料取代鋁合金，將葉輪的質(zhì)量降低了48%，使轉(zhuǎn)子慣量降低，提高加速性能，這在很大程度上縮短了渦輪增壓器的響應(yīng)滯后時(shí)間，在對(duì)碳纖維進(jìn)行了處理之后，很大幅度地提高了碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度，這也是碳纖維在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的一個(gè)很好的范例。與金屬材料相比較，使用碳纖維復(fù)合材料，可以省去復(fù)雜的金屬模具、沖壓、焊接以及噴涂時(shí)的資源消耗，用碳纖維復(fù)合材料代替金屬工藝的車身，大大降低了成本，體現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料的經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，也強(qiáng)調(diào)了環(huán)保車輛的開發(fā)。

2 碳纖維復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用

碳纖維一般不是單獨(dú)使用，而是以復(fù)合材料的形式被使用。碳纖維經(jīng)過樹脂固化變成新的材料，受力的是碳纖維，樹脂在其中起到粘接的用途。就好比鋼筋混凝土，鋼筋來承受力量，而混凝土的作用則是傳力黏結(jié)，起到保護(hù)鋼筋的效果。在20世紀(jì)四五十年代，國(guó)外就開始對(duì)碳纖維及其復(fù)合材料進(jìn)行探究研究。二戰(zhàn)之后，美國(guó)、日本和德國(guó)對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的研究也非常深入。我國(guó)對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的研究長(zhǎng)達(dá)30年。2008年，關(guān)于T300級(jí)碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)流程的關(guān)鍵技術(shù)得到了突破，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，部分產(chǎn)品能夠替代進(jìn)口產(chǎn)品。如今，T700級(jí)的碳纖維還沒有大規(guī)模投入生產(chǎn)，T800碳纖維也在研究階段，我國(guó)對(duì)于碳纖維及其復(fù)合材料的研究與國(guó)外相比，有著20～30年的差距。碳纖維首先被用于航空航天方面是在20世紀(jì)七八十年代，但是運(yùn)用的范圍很小，量也非常小，直到進(jìn)入20世紀(jì)90年代中期，第三代航空裝備和載人航天項(xiàng)目開始實(shí)施的時(shí)候，碳纖維復(fù)合材料才得到了更多運(yùn)用。但由于國(guó)內(nèi)缺少材料，需要依靠國(guó)外進(jìn)口。直到2008年，我國(guó)啟動(dòng)大飛機(jī)項(xiàng)目，碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)在國(guó)內(nèi)才有了快速發(fā)展的趨勢(shì)。雖然我國(guó)對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的研究和利用與國(guó)外還有差距，但是我國(guó)的追趕速度和發(fā)展非?？?，預(yù)計(jì)再過十幾年，我國(guó)就可以趕上國(guó)外的研究和運(yùn)用程度。

航空航天可以說是一個(gè)對(duì)于碳纖維進(jìn)行運(yùn)用的國(guó)際傳統(tǒng)市場(chǎng)，最先得到運(yùn)用的是航天領(lǐng)域，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家依次先后開發(fā)出了碳纖維-酚醛防熱復(fù)合材料、耐高溫碳纖維復(fù)合材料等一系列的產(chǎn)品，碳纖維復(fù)合材料在其中主要運(yùn)用于受力部分、耐熱的部位，比如，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的外殼、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管、火箭箭體等結(jié)構(gòu)。然后，在航空領(lǐng)域也開始運(yùn)用碳纖維復(fù)合材料，首先主要用于軍用飛機(jī)的非受力的部分，比如，舵面、整流罩等地方，接著隨著發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料被用于大的非承力部位，比如整個(gè)舵面、機(jī)頭、機(jī)身以及機(jī)翼等部分。

國(guó)外的碳纖維復(fù)合材料在戰(zhàn)斗機(jī)、無人機(jī)以及直升機(jī)上面也有很多的運(yùn)用，其用量已經(jīng)達(dá)到或者是超過了機(jī)身總質(zhì)量的50%，在軍事飛機(jī)上的運(yùn)量也達(dá)到了總質(zhì)量的30%。波音747“夢(mèng)幻航線”和空客A350XWB寬體客機(jī)上都運(yùn)用到了碳纖維復(fù)合材料，其中此結(jié)構(gòu)件質(zhì)量也已經(jīng)達(dá)到了總重量的50%。

我國(guó)在航空和航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維復(fù)合材料的運(yùn)用有不同之處，我國(guó)對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的運(yùn)用在航天領(lǐng)域發(fā)展得比較快，這與我國(guó)的探究歷史也有著一定的關(guān)系。我國(guó)的航天器，比如火箭、衛(wèi)星等使用周期短，碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比重比較大，約占到20%，與國(guó)外的探究和運(yùn)用水平達(dá)到了齊平的地步。我國(guó)對(duì)于碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)，主要以研究高校為主，比如，北航、南航、哈工大等，主要負(fù)責(zé)碳纖維復(fù)合材料研究應(yīng)用的工作。產(chǎn)業(yè)化方面做得比較好的是中航復(fù)材。隨著進(jìn)一步發(fā)展，國(guó)家戰(zhàn)略需求對(duì)這方面材料的不斷增大，相關(guān)的民營(yíng)企業(yè)也加入到碳纖維復(fù)合材料的探究和生產(chǎn)當(dāng)中，其中有江蘇桓神、四川新萬興等企業(yè)的加入，形成了激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，相信碳纖維復(fù)合材料的研究和利用能夠得到更好的發(fā)展。

3 碳纖維復(fù)合材料在高速動(dòng)車組當(dāng)中的利用

世界化經(jīng)濟(jì)貿(mào)易往來越來越頻繁，城鎮(zhèn)化水平也在一步步提高，這些都推動(dòng)了我國(guó)高速鐵路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。世界高速鐵路的發(fā)展達(dá)到了一種空前的規(guī)模。我國(guó)的高速列車運(yùn)營(yíng)里程和列車擁有量目前在世界上占到50%以上。隨著泰國(guó)、俄羅斯等國(guó)家高速列車項(xiàng)目的依次啟動(dòng)，高速列車的市場(chǎng)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，需求變得更大。為軌道交通技術(shù)的進(jìn)步以及新技術(shù)、新材料的推廣和應(yīng)用都產(chǎn)生了一個(gè)良好的機(jī)遇。隨著世界對(duì)于高速列車的不斷完善和改進(jìn)，用戶們對(duì)于個(gè)性化的定制要求也呈現(xiàn)出一種多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，用戶們?cè)趯?duì)車輛速度進(jìn)行要求的同時(shí)，也開始注意到列車的服務(wù)，比如，列車的環(huán)保節(jié)能方面、列車的舒適便捷方面等。利用金屬材料制造的傳統(tǒng)列車在提高速度的同時(shí)，也產(chǎn)生了強(qiáng)烈沖擊、振動(dòng)、噪音等問題，并且面對(duì)高原、高溫、沙漠等不利環(huán)境的時(shí)候，金屬材料制作的列車應(yīng)對(duì)這些情況的能力較弱。鋁合的列車車體存在不耐腐蝕、不易焊接等缺點(diǎn)，不銹鋼的車體存在封閉、焊接易變形等缺點(diǎn)，碳鋼車存在易腐蝕、非輕量化等缺點(diǎn)。這些傳統(tǒng)的制造材料都不能滿足現(xiàn)在的市場(chǎng)需求，不僅是因?yàn)槲ｋU(xiǎn)性高，而且制作時(shí)技術(shù)要求也比較高。

碳纖維復(fù)合材料是一種性質(zhì)穩(wěn)定、值得利用的材料，它擁有更小的密度，在輕量化方面有很大的優(yōu)勢(shì)；拉伸強(qiáng)度也比較強(qiáng)，可以滿足列車制造的各種要求。碳纖維復(fù)合材料的研制和運(yùn)用首先要能夠保證其穩(wěn)定的性能和產(chǎn)能。就目前產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析，國(guó)外對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的利用更加成熟，材料也充足。國(guó)內(nèi)對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的運(yùn)用正處在一個(gè)發(fā)展時(shí)期，部分材料研發(fā)水平達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。但部件的產(chǎn)業(yè)鏈不夠完善，學(xué)習(xí)先進(jìn)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈，合作并舉是一個(gè)很好的方法。目前，日本、韓國(guó)以及歐洲國(guó)家在高速動(dòng)車組對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行應(yīng)用方面已經(jīng)取得了不少的成績(jī)。

4 結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料在以上三大方面的應(yīng)用中要有效穩(wěn)固地展開實(shí)施，才能不斷提高我國(guó)材料行業(yè)的系統(tǒng)化水平，促進(jìn)我國(guó)碳纖維應(yīng)用手段的提升，使碳纖維領(lǐng)域的發(fā)展前景更加光明。