材料与人类文明论文·碳纤维材料的性能及其应用简介

1、碳纤维材料的性能及其应用简介自动化12 仲秋晨 一、 引言 碳纤维是在生活中应用非常广泛的一种材料，它的强度甚至可以与“太空金属”钛相媲美，但密度却不及钛的一般。无论是在民用的自行车架、羽毛球拍还是在军用的航天、航空领域，碳纤维都是极为理想的材料。碳纤维材料属于材料密集型材料，颇有政治敏感度，其重要性可见一斑。中国目前的碳纤维生产水平不容乐观，只有少量的利用自主技术研发的产品能达到国际同类产品水平。正因为碳纤维材料重要而又特殊的地位，我希望能够在这篇文章中对碳纤维材料的性能及其应用方面的简单介绍，让大家能够对碳纤维材料及其价值有一个全面的了解。二、 碳纤维材料简介1、 碳纤维的特性碳纤维主要是

2、由碳元素组成的一种特种纤维，既具有一般碳素材料的特性，又有其独特的性质。碳纤维主要具有以下特性：(1) 密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5-2g/cm3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2；(2) 强度、弹性模量高,其强度比钢大4-5倍,弹性回复为100%； (3) 热膨胀系数小, 导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂；(4) 摩擦系数小,并具有润滑性；(5) 导电性好, 25时高模量碳纤维的比电阻为775cm,高强度碳纤维则为1500cm；(6) 耐高温和低温性好,在3000非氧化气氛下不熔化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软也，不脆化；(

3、7)耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。除此之外，碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。2、 碳纤维增强复合材料与金属材料不同，尽管碳纤维可单独发挥某些功能，然而它属于脆性材料，只有将它与基底材料结合在一起时才能充分利用其优异的性能。根据使用目的的不同可选用各种基底材料和复合方式，而目前使用最多的最广泛的就是树脂基复合材料。（1） 碳纤维增强复合材料的性能碳纤维增强复合材料着重表现了在力学性强、热物理性能以及热烧蚀性能三个方面，如密度低、高温强度好、能储存大量热能、耐烧蚀性能好等。（2） 加工方法及工艺 碳纤维增强复合材料一直被区分为长纤维和短纤维来

4、加工的。从典型的300400mm到几个毫米分为不同的等级。人们一直在探索和改进各种碳纤维材料的加工方法。目前的加工方法主要有树脂传递模塑RTM、喷射成型、注射成型、纤维缠绕成型、拉挤成型等。三、 碳纤维材料的应用由于碳纤维及其复合材料具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性，因此被广泛应用于土木建筑、航空航天、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域。1、 航空航天领域 在航天航空领域，碳纤维材料的应用主要是利用其“轻而强”和“轻而硬”的特性。因为航天飞行器的质量每减少1kg。就可使运载火箭减轻500kg。因此在航天领域，碳纤维材料倍受青睐据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部

5、件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的碳纤维是一种纤维状碳材料。2010年1月，采用碳纤维和钛材料制造的波音787梦幻客机试飞成功。波音787机身80%由合成材料制造，其中碳纤维增强材料达到35吨，因此可大大减轻飞机重量。这种客机油耗少，减少碳排放效果显著，维护方便，能够给航空公司节省燃料和维护费用，一经试飞就引起世界各国的关注。2、 汽车制造领域 在汽车制造领域中，碳纤维材料现已成为汽车制造商青睐的材料，在汽车内外装饰中开始大量采用。据悉，福特和保时捷生产的GT型赛车发动机机罩已全部采用碳纤维材料。我曾经在网上看到看到兰博基尼的一辆概念车，车架通体由碳纤维做成，极其威

6、猛霸气，极大地提高了兰博基尼车的各项性能，是兰博基尼的“野性”得到充分的发挥。当然，其造价也比一般的兰博基尼高了许多。3、 土木建筑领域20世纪80年代末90年代初在发达国家兴起了一种以碳纤维布加固修复钢筋混凝土的结构补强加固技术。我国从20世纪90年代也开始研究和应用，现在已经取得一定的研究成果。碳纤维与传统的加大混凝土截面或粘钢混凝土补强相比，具有节省空间，施工简便，不需要现场固定设施，施工质量易保证，基本不增加结构尺寸及自重，耐腐蚀、耐久性能好等特点。另外，采用该工法，可大大提高建筑物的使用寿命，降低加固成本。因此，碳素纤维作为划时代的补强材料，而备受青睐和关注。4、 体育休闲用品体育休

7、闲用品是应用碳纤维复合材料的一个极其重要的领域。2003年和2004年世界碳纤维总消耗量分别为19210t和20680t，而用于体育休闲用品的碳纤维都超过5000t，占世界碳纤维总消耗量的25左右。碳纤维材料在体育用品领域的应用主要在钓鱼竿、高尔夫球杆、网球拍、羽毛球拍等方面。据统计，钓鱼杆现年产量约1200万只，年碳纤维用量1200t；高尔夫球杆随着轻量化和长尺寸化的要求，现已占碳纤维体育用品用途的50，年碳纤维用量为2000t；网球拍的年市场规模约为450万只，年碳纤维用量约500t。5、 能源领域 随着人类环保意识提高，大型风力发电产业正在迅速兴起。叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部

8、件。在发电机功率确定的条件下，叶片的材料越轻、强度和刚度越高，叶片抵御载荷的能力就越强，叶片就可以做得越大，它的捕风能力也就越强。因此，轻质高强、耐久性好的玻璃纤维和碳纤维混杂复合材料结构成为目前大型风力发电机叶片的首选。四、 总结以及展望 虽然我们上面列出了碳纤维的种种好处与应用，也确实看到了它作为材料不可估量的价值，但是我们不得不正视碳纤维存在的弱点。首先，就碳纤维材料本身的性质来说，虽然碳纤维的轴向强度和模量很高，但其耐冲击性较差，容易损伤，就是平时人们所说的“脆”。即使是碳纤维复合材料也并没有完全解决这个问题。就我比较熟悉的羽毛球拍来讲，一般羽毛球拍的材料要么是铝合金，要么是碳纤维。铝

9、合金的拍子如果受到损伤会“弯了”，用力拗直了说不定还能用；而碳纤维的拍子一旦损伤，一般都是“断了”，无法修补。这是碳纤维最大的缺点。其次，相对于其他很多材料来说，碳纤维材料最明显的特征就是“贵”。就体育用品而言，碳纤维网球拍价格在1000元左右，高尔夫球杆3000元左右，自行车最低档的40005000元，稍好的上万甚至数万。更别提碳纤维车天文数字的价格了。高昂的价格以及供不应求的市场限制了碳纤维材料的普及。于是，我们会问：为什么碳纤维材料这么贵呢？正如前面所说，碳纤维材料是一种技术密集型和政治敏感的关键材料，而不仅仅是 “碳”那么简单。目前世界上只有美、日、韩、德等国的少数企业掌握碳纤维生产的

10、核心技术。但国外尤其是碳纤维生产技术领先的日韩等国对中国的碳纤维材料及其制品的出口一直保持相当谨慎的态度。因此，中国只能继续自力更生发展碳纤维工业。中国对碳纤维材料的研究始于20世纪60年代，起步很早但是发展缓慢，直到进入21世纪才有较快发展。只是与发达国家仍有较大差距。不过令人欣慰的是，国家已经意识到碳纤维材料的重要性了，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶植的产品。虽然对碳纤维材料的研究可能困难重重，但是我相信，在国家的大力扶持下，在不久的将来，中国一定能够打破发达国家的封锁，生产出一大批具有自主知识产权的高质量碳纤维材料以增强我国的综合国力，同时方便人们的生活。我觉得在对碳纤维材料的研究上，一方面需要开发最高端的高性能碳纤维材料以供军用，另一方面也应该进生产技术降低生产成本，让碳纤维材料能够进入千家万户