碳及碳纤维复合材料5则范文

第一篇：碳及碳纤维复合材料

碳及碳纤维复合材料

碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁语为：Carbonium，意为“煤，木炭”。汉字的“碳”字由木炭的“炭”字加石字旁构成，从“炭”字音。

碳是一种非金属元素，无臭无味的固体?。无定形碳有焦炭?，木炭?…等，晶体碳有金刚石和石墨。冶铁和炼钢都需要焦炭。在工业上和医药上，碳和它的化合物用途极为广泛。

碳是一种很常见的元素，它以多种形式广泛地存在于大气和地壳之中。

碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。碳能在化学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都含有碳元素。

碳也是生铁、熟铁和钢的成分之一。

碳单质很早就被人类认识和利用，如：金刚石、石墨（如：铅笔芯、干电池芯）…等。

碳纤维(carbon fiber)，碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。

碳材料主要有：碳碳复合材料、碳纳米材料、碳纤维材料、新型碳材料?…等。

低碳材料（Low Carbon Materials）：意指能够在确保使用性能的前提下降低不可再生自然原材料的使用量。制造过程低能耗、低污染、低排放, 使用寿命长，使用过程中不会产生有害物质，并可以回收再生产的新型材料。

低碳材料在生产、使用全过程实现节能减排，是可持续和面向未来的材料。

在复合材料的大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。

结构

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。

碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。

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，抗拉弹性模量为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。

碳纤维作为一种高性能纤维，因具有比强度高、比模量高、热膨胀系数小、摩擦系数低、耐低温性能良好…等特性而成为近年来树脂基复合材料最重要的增强材料。

用途

碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷…等基体复合，制成结构材料---碳纤维增强环氧树脂复合材料（碳纤维树脂），其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。

碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。

由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。

现在的F1（世界一级方程锦标赛）赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和结构强度

碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。

人造卫星和飞机部件都需碳纤维：据了解，碳纤维材料是一种具有很高强力和模量的耐高温纤维，是化纤的高端品种。用碳纤维制造的复合材料具有质地强而轻、耐高温、防辐射、耐水、耐腐蚀等众多优点。碳纤维复合材料中的CFRP“碳纤维增强塑料”则更是具有一般材料无法比拟的特性：它的比重是铁的五分之一，强度却是铁的10倍，刚性是铁的7倍，抗疲劳强度是铁的2倍。同时，还具有热膨胀系数小、导电性强、耐振、耐水、耐腐蚀、不易生锈、拉伸强度和抗压强度大，韧性优异等特点。

“正是因为碳纤维有这么多的优点，所以它既能用来制造航天飞机，也能用来作为iphone等高端手机的外壳。”日本超级树脂工业株式会社营业部(相当于中国企业的业务部)部长古闲森淳告诉记者。诸多优点使碳纤维复合材料被广泛应用于机械、航空航天、船舶、压力容器、医疗设备、建筑材料、机车赛车、风电叶片、油田开发、体育娱乐用品等民用以及军事领域。

在这些领域，碳纤维都可以取代金属，我们熟知的波音747客机，50%以上的材料为碳纤维，这种轻便材料的采用，可节省大量燃油。未来，汽车、赛车、摩托等零部件也将实现碳纤维材料的替换。中国科学院先进材料领域战略研究小组在就中国先进材料研究的未来方向的探讨中也提到：“2020年，高性能碳纤维主要应用于大型飞机、宇宙飞船、风力发电用叶片等领域。”

碳纤维复合材料的现实应用主要有以下几个方面：

(1)宇航工业用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层;卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件;航天飞机机头,机翼前缘和舱门等制件;哈勃太空望远镜的测量构架,太阳能电池板和无线电天线。

(2)航空工业用作主承力结构材料,如主翼、尾翼和机体;次承力构件,如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等,此外还有C/C刹车片。

(3)交通运输用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件;船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇,以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆;海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。

(4)运动器材用作网球、羽毛球和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。

(5)土木建筑幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。

(6)其它工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐;催化剂,吸附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。

优势

1、高强度（是钢铁的5倍）

2、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)

3、出色的抗热冲击性，抗热冲击和热摩擦的性能优异。

4、低热膨胀系数(变形量小)

5、热容量小（节能），比热容高，能储存大量的热能，导热率低。

6、比重小（钢的1/5，密度1.7g/cm3左右），在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200℃时可保留室温强度；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。

7、优秀的抗腐蚀与辐射性能，8、耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。

目前世界上最轻的固体材料——碳海绵

2013年3月，浙江大学高分子系高超教授的课题组制造出一种超轻物质，取名“碳海绵”，这是一种气凝胶，世界上最轻的一类物质，它的内部有很多孔隙，充满空气。

“碳海绵”可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。

2011年，美国科学家合作制造了一种镍构成的气凝胶，密度为0.9毫克/立方厘米，是当时最轻的固体材料。把这种材料放在蒲公英花朵上，蒲公英茸毛几乎没变形。高超课题组这些年一直从事石墨烯宏观材料的研发。他们用石墨烯制造出了气凝胶——“碳海绵”。“碳海绵”每立方厘米重0.16毫克，比氦气还要轻，约是同体积大小氢气重量的两倍。从当时公开的报道看，“碳海绵”是世界上最轻的固体。

这种“碳海绵”是用石墨烯制造的，研究称它可以用来处理海上原油泄漏事件，还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔前景。

“碳海绵”可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。现有吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”能吸收250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。

“碳海绵”这一特性可用来处理海上原油泄漏事件——把“碳海绵”撒在海面上，就能把漏油迅速吸进来，因为有弹性，吸进的油又挤出来回收，碳海绵也可以重新使用。

另外，“碳海绵”还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔前景。

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参考网址：

碳纤维世界

中国碳素材料网

中国碳纤维网

复材在线

复材论坛

第二篇：碳纤维材料简介

碳纤维材料简介

从爱迪生首先将竹子纤维碳化成丝制成电灯灯丝.开启了碳纤维应用的先河, 一直到今天碳纤维假肢力助'`刀锋战士'`皮斯托瑞斯让他在伦敦奥运会的赛场上大放异彩碳纤维这种一直被认为是非常神秘的高科技材料如今正逐渐走入大众的生活之中.我们周遭的很多产品上都或多或少地采用了这种材料,比如钓鱼竿、网球拍自行车、汽车零部件等目前国外设计师也已经开始尝试将这种高科技材料应用到家具产品中去, 给传统的家具行业注入了新的活力。1 概述

碳纤维(C arb o n F.b e r.C F)是一种具有高强度和高模量的耐高温纤维是化纤的高端品种, 一般按原料 的不同可将碳纤维分为聚丙烯晴基(po lva er丫Ion ,tr, le)碳纤维、沥青(P lteh)基碳纤维和粘胶基(Vi so os e一ba sed)碳纤维等。其中聚丙烯晴基碳纤维由于碳化率较高(4 0 % 一4 5 %), 且生产过程和本相对后两者要简单低廉因此他的产量也是最大的.是目前世界碳纤维 的主流。但不论是哪种碳纤维, 其制造工艺都是十分复杂的简单来说以聚丙烯晴基碳纤维为例制备需完成以下两个基本过程:(1)热稳定氧化处理

纤维原丝通过含有氧气的高温炉体(20 0 ℃ 一3 0 0 C)材料受热软化.内部结构由原先的聚丙烯睛的线状结构, 转成较稳定且坚固的六角形排列。(2)碳化或石墨化

经过氧化处理后的原丝在惰性气体保护下加热至I0 0 0 C 以上的高温, 这时高分子结构中的氧、氢等元素会因受不了高温纷纷夺门而出.最后遗留下来的就只剩碳了。

制备完成后的碳纤维束一方面具有一般碳素材料的共有特性.如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等另一方面.从原子层面看碳纤维跟石墨很相似.是由一层层以六角型排列的碳原子所构成两者之间的差别在于石墨是晶体结构它的层间连结松散.而碳纤维层间连结是不规则的这样就可以防止层间的滑移.从而使碳纤维在沿纤维轴方 向表现出很高的强度。2 材料特点

从以上对碳纤维材料的制备介绍我们可以知道材料的独特结构使其具有非常优异的物理化学性能碳纤维最优异的性能是比强度(抗拉强度/ 密度)和比模量(弹性模量/ 密度)超过一般的增强纤维。通常材料的比强度越高则构件自重愈小:比模量越高.则构件的刚度愈大.而碳纤维和树脂形成的复合材料的比强度和比模量比钢和铝合金还高出几倍, 这也是为什么现在越来越多需要高强度轻量化的产品都会使用这种材料的原因, 碳纤维也因此成为了`'轻量化“的代名词。

此外.碳纤维材料还具有以下一些特性

（1）极佳的耐热性(可耐20 0 0 c 的高温)和尺寸稳定性(热膨胀系数小)（2）由于碳纤维与基体复合可缓和破坏裂纹的扩展因此其疲劳强度非常高，(3)良好的耐腐蚀性和导电性以及电传导及电磁波屏蔽性

(4)具有纤维般的柔曲性可编织和缠绕成型可加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等多种材料中制成复合材料应用灵活。《家具》2 0 1 2 年第6 期

第三篇：如何粘贴碳纤维材料

如何粘贴碳纤维材料？

粘贴碳纤维材料是碳纤维施工中非常重要的一部分。粘贴的好坏直接影响到施工的质量，如何粘贴才是最好的呢?

在粘贴碳纤维材料之前，首先应确认粘贴表面干燥。气温在-10℃以上，相对湿度RH>85%时，如无有效措施不得施工。为防止碳纤维受损，在碳纤维材料运输、储存、裁切和粘贴过程中。应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸切断碳纤维材料，每段长度一般以不超过6m为宜。为防止材料在保管过程中损坏，材料的裁切数量应按当天的用量裁切为准。碳纤维纵向接头必须搭接20cm以上。该部位应多涂树脂，碳纤维横向不需要搭接。其施工工艺要点如下：

(1)粘贴树脂的主剂、固化催促剂和固化剂应按规定的比例称量准确，装入容器，用搅拌器搅拌均匀。一次调和量应以在可使用时间内用完为准。

(2)粘贴时，在碳纤维和树脂之间尽量不要有空气。可用罗拉(专用工具)沿着纤维方向在碳纤维材料上滚压多次，使树脂渗浸入碳纤维中。

粘贴碳纤维材料后，需自然养护1-2小时达到初期固化，应保证固化期间不受外界干扰和碰撞，这样加固之后才会非常的牢固。

第四篇：碳纤维论文

长春工业大学材料设计概论结业论文

论述碳纤维的制造技术及在航天发射领域的应用

王晓刚

20090573 1.摘要:碳纤维是一种力学性能优异的新材，在过去的二三十年里得到广泛的研究。其含碳量在90%以上，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性、纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能，被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。

关键词:碳纤维,制造,航天领域,应用 2.碳纤维的制造 2.1发展历程

碳纤维主要是由沥青、人造丝和聚丙烯腈为主要原料而制造的，目前结构材料中主要使用PAN碳纤维。

1950年，美国Wright-Patterson空军基地开始研制粘胶基碳纤维。1959年，最早上市的粘胶基碳纤维Thornel-25就是美国联合碳化物公司(UCC)的产品。与此同时，日本研究人员也在1959年发明了用聚丙烯腈(PAN)基原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上，英国皇家航空研究院开发出了制造高性能PAN基碳纤维的技术流程，使其发展驶入了快车道，PAN基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流，产量占世界总产量的90%左右。20世纪70年代中期，UCC在美国空军和海军的资金支持下，研发高性能中间相沥青基碳纤维；1975年研发成功Thornel P-55(P-55)，在1980～1982年之间，又研发成功P-75、P-100和P-120，年产量为230t。P-120的模最高达965GPa，是理论值的94%，热导率是铜的1.6倍，线膨胀系数仅为-1.33×10-6/K，且在375℃空气中加热1000h仅失重0.3%~1.0%，显示出优异的抗氧化性能。它们已广泛用于火箭喷管、导弹鼻锥、卫星构件、舰艇材料等方面。在20世纪80年代早期，碳纤维开始被广泛地用在客机和航空飞行器上作为结构材料，主要在欧洲和北美进行应用。然后，人们提高了对碳纤维的认识，开始把它当成一种高质量的材料，并在20世纪80年代中期得到了飞速的增长在80年代中期，欧洲空客公司开始将CFRP(碳纤维增强塑料)作为首要的结构材料应用在飞机上，而且，随着在网球和新的体育项目的应用，碳纤维市场得到了稳步的扩展。

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2.2PAN基碳纤维

PAN基碳纤维的制造分为两步进行，长春工业大学材料设计概论结业论文

2.3沥青基碳纤维

沥青基碳纤维是仅次于PAN积极的

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硝酸、硫酸、高锰酸和过氧化氢等溶液。氧化温度一般为200～400℃。在预氧化过程中，要求纤维氧化均匀，不应该形成中心过低、边缘过高的皮芯结构。3.碳纤维的应用

3.1 航空领域应用的新进展

T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的为拉伸强度达到5.5GPa，断裂应变高出T300 碳纤维的30％的高强度中模量碳纤维T800H纤维。军品

碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标――结构重量系数来衡量，国外

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方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。继A340对碳纤维龙骨梁和复合材料后密封框――复合材料用于飞机的密封禁区发起挑战后，A380又一次对连接机翼与机身主体结构中央翼盒新的禁区发起了成功挑战。仅此一项就比最先进的铝合金材料减轻重量1.5吨。由于CFRP的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。从而大大减少了油耗和排放，燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%--20%，成为

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美国WaterburyFiberCote Industries 公司以有充分来源的非航天级粘胶原丝新原料开发成功名为RaycarbC2TM 的新型纤维素碳布，并经受了美军方包括加工、热/结构性质及火焰冲刷试验在内的全部资格测试，在固体发动机的全部静态试验中都证明该替代品合格，2004 年十一月，该碳布/酚醛复合材料已用于阿里安娜V Flight164上成功飞行。

图 4: 法国阿里安娜V 型导弹

卫星、航天飞机及载人飞船

高模量碳纤维质轻，刚性，尺寸稳定性和导热性好，因此很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作，而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料。

碳纤维增强树脂基复合材料被作航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。美国发现号航天飞机的热瓦，十分关键，可以保证其能安全地重复飞行。一共有8 种：低温重复使用表面绝热材料LRSI；高温重复使用表面绝热材料HRSI；柔性重复使用表面绝热材料FRSI；高级柔性重复使用表面绝热材料AFRI；高温耐熔纤维复合材料FRIC―HRSI；增强碳/碳材料RCC；金属；二氧化硅织物。其中增强碳/碳材料RCC，最为要的，它可以使航天飞机承受大气层所经受的最高温度1700℃。

随着科学技术的进步，碳纤维的产量不断增大，质量逐渐提高，而生产成本稳步下降。各种性能优异的碳纤维复合材料将会越来越多地出现在航空航天领域中，为世界航空航天技术的发展作出更大的贡献。

4.结语

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碳纤维的优异性能使得其在国防和民用领域均有广泛的应用。作为未来最有发展前景的新型结构材料，可以肯定碳纤维在21世纪将步入新的飞跃，应用领域也将更加广泛。参考文献

[1]周明英 碳纤维及其应用[J]山东纺织科技，2003（3）：48 [2]高瑞林 沈曾民 中国科学院山西煤炭化学研究所 基础知识讲座

[3]陈达军 聚丙烯腈基碳纤维工厂设计实验[J].江苏纺织，2008，（8）：50-54.[4]汪家铭 聚丙烯腈基碳纤维发展与应用[J].化工新型材料，2009，37（8）：17.[5]毛德君 基碳纤维生产及应用[J].炼油与化工，2002，13（4）：3-12.[6]毛立新,陈献桃,廖德仲等.氨基磺酸均相催化合成柠檬酸三丁酯[J].湖南理工学院学报(自然科学版),2005,18(2):36～38 [7]林德春 潘鼎 高健 陈尚开 碳纤维复合材料在航空航天领域的应用 [8]赵嫁祥 2008年世界碳纤维前景会[J].高科技纤维与应用，2008，33（5）：1-6

第五篇：碳纤维复合材料

碳纤维复合材料

摘要:主要介绍了碳纤维复合材料的基本概述，并对它的一些结构性能、应用（主要在航空领域的应用）、发展，并分析了目前我国碳纤维复合材料的研究进展和应用前景。

关键字：碳纤维复合材料、碳纤维树脂基复合材料、碳／碳复合材料、结构性能、发展、航空领域。

1、引言

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的“比强度”。碳纤维属于聚合物碳，是有机纤维经固相反应转变为纤维状的无机碳化合物。碳纤维是一种新型非金属材料，它和它的复合材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、比重小和热胀胀系数小等优异性能，碳纤维单独使用时主要是利用其耐热性、耐蚀性、导电性和其它性质。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，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP（即碳纤维复合材料）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。目前，碳纤维不仅广泛应用军事工业，而且在汽车构件、风力发电叶片、核电、油田钻探、体育用品、碳纤维复合芯电缆以及建筑补强材料领域也存在巨大应用空间，而其在航空领域的光辉业绩尤为引人注目。

2、碳纤维的发展

碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能，正逐步征服和取代传统材料。现已广泛应用于航天、航空和军事领域。世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。

碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。经过二十多年的发展，碳纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期，其工业地位已基本确立，美、日、英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分，并已逐步形成垄断优势。

我国对碳纤维的研究由于起步较晚，技术力量薄弱，虽然碳纤维及其复合材料在我国已被纳入国家“863”和“973”计划，但总体情况不尽理想，我国仍不具备成熟的碳纤维工业化生产技术，国防和民用碳纤维产品基本依赖进口。

3、碳纤维复合材料的性能及主要用途

由于碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工性好，沿纤维轴方向表现出很高的强度，且碳纤维比重小。（1）碳纤维的化学性能

碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。这是历史上最早就被人类认识的碳素材料的特征之一。除强氧化性酸等特殊物质外，在常温常压附近，几乎为化学惰性。可以认为在普通的工作温度≤250℃环境下使用，很难观察到碳纤维发生化学变化。根据有关资料介绍，从碳素材料的化学性质分析，在≤250℃环境下，碳素材料既没有明显的氧化发生，也没有生成碳化物和层间化合物生成。由于碳素材料具有气孔结构，因此气孔率高达25％左右，在加热过程易产生吸附气体脱气情况，这样的过程更有利于我们稳定电气性能和在电热领域的应用。（2）碳纤维的物理性能（a）热学性质

碳素材料因石墨晶体的高度各向异性，而不同于一般固体物质与温度的依存性，从工业的应用角度来看，碳素材料比热大体上是恒定的。几乎不随石墨化度和碳素材料的种类而变化（b）导热性质

碳素材料热传导机理并不依赖于电子，而是依靠晶格振动导热，因此，不符合金属所遵循的维德曼—夫兰兹定律。根据有关资料介绍，普通的碳素材料导热系数极高，平行于晶粒方向的导热系数可与黄铜媲美(c)电学性质

碳素材料电学性质主要与石墨晶体的电子行为和不同的处理温度有关，石墨的电子能带结构和载流子的种类及其扩散机理决定了上述性质。碳素材料这类电学性质具有本征半导体所具备的特征，电阻率变化主要与载流子的数量变化有关。

碳纤维的主要用途：

与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。最神奇的应用是采用长碳纤维制成的“纳米绳”可以将“太空电梯”由理想变为现实，太空电梯将可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上，也可以用这种“纳米绳”将太空中发射平台与地面固定在一起，在这样的发射平台上发射人造卫星和太空探测器就可以大大降低发射成本。

总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面

（一）航天领域

碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在航空领越特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70％~80％，在军用飞机上占30％~40％，在大型客机上占15％~50％。（a）碳纤维树脂基复合材料 碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有质量轻

等一系列突出的性能，在对重量、刚度、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具有很大优势。碳纤维增强树脂基复合材料已成为生产武器装备的

重要材料。AV—8B 改型“鹞”式飞机是美国军用飞机中使用复合材料最多的机种，其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部件，全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的26％，使整机减重9％，有效载荷比AV—8A飞机增加了一倍。数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22 为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。

直升飞机上碳纤维增强树脂基复合材料的用量更是与日俱增。武装了驻港部队并参加了2007 年上海合作组织在俄罗斯反恐军演的直-9 型直升飞机，是我国先进的直升飞机。该机复合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生产的OH-1 “忍者”直升飞机，机身的40％是用CFRP，桨叶等也用CFRP 制造。在民用领域，世界最大的飞机A380 由于CFRP 的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。这种飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP)。由于CFRP 的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损，从而大大减少了油耗和排放。燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%~20%，成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。(b)碳／碳复合材料

碳／碳复合材料是以碳纤维及其制品（碳毡或碳布）作为增强材料的复合材料。因为它的组成元素只有一个（即碳元素）,因而碳／碳复合材料具有许多碳和石墨材料的优点，如密度低（石墨的理论密度为2.3g/cm3）和优异的热性能,即高的热导率、低热膨胀系数,能承受极高的温度和极大的热加速率，有极强的抗热冲击,在高温和超高温环境下具有高强度、高模量和高化学惰性。凭借着轻质难熔的优良特性，碳纤维增强基体的（C／C）复合摩擦材料在航空航天工业中得到了广泛应用。航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料，都会选用碳碳复合材料。另外还大量用作高超音速飞机的刹车片，目前，国际上大多数军用和民用干线飞机采均用碳纤维增强基体的复合材料刹车副。这种刹车副不仅质量轻、抗热冲击性好、摩擦系数稳定、使用寿命长，更为方便的是可设计性强，性能便于调节。还可制作发热元件和机械紧固件、涡轮发动机叶片和内燃机活塞等。

（二）、其他领域 1)、高尔夫球棒

用CFRP制成的高尔夫球棒、可减轻重量约10一40％。根据动量守恒定律，可使球获得较大的初速度。另一方面．CFRP具有高的阻尼特性，可使击球时间延长,球被击得更远。2)、钓鱼竿

碳纤维增强复合材料制成的钓鱼竿比GFRP制品或竹竿都要轻得多，使其在撒竿时消耗能量少，而且撤竿距比后者远20%左右。CFRP所制的钓鱼竿长而好，刚性大，钓鱼竿在弯曲之后能迅速复原，使其传递诱饵的感觉较为灵敏。现在已有商品销售，用碳纤维增强塑料还可以制成渔具的卷铀，其重量不超过l40克，但它的疲劳强度高，耐摩擦，因而使用寿命长。3)、赛车

用石墨纤维长丝制成的管材可用来制造比赛车或通用自行车的车架,其特点是重量轻，比钢制架可减重50%左右，使自行车的总重量减轻15%。

碳纤维与玻璃纤维混合增强复合材料可用来制造越野赛汽车，它的特点是重量轻。用金属材料制造的同样车体的总重量为226.8公斤，用CFRP制造时为63.5公斤，用CF／GPRP制造时重量可减轻到31.8至36.5公斤。

在赛车领域，碳纤维复合材料最著名的运用无疑是F1车身。为了使重量保持最小，所有车队都广泛使用碳纤材料，而这些材料的强固性足以支撑车子的重量。

4.我国碳纤维复合材料发展现状

现代的碳纤维是以聚丙烯腈、人造丝或木质素为原丝，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起高温分解并且碳化后得到的，还不能直接用碳或石墨来制取。

据了解，目前全球碳纤维产能约3.5万吨，我国市场年需求量6500吨左右，属于碳纤维消费大国。在以“高性能聚丙烯腈碳纤维制备的基础科学问题”为主题的第335次香山科学会议上，会议执行主席、国家自然科学基金委员会师绪院士指出，与国外技术相比，我国碳纤维领域还存在较大差距。2007年，我国碳纤维产能仅200吨左右，而且主要是低性能产品。由于缺少具有自主知识产权的技术支撑，目前国内企业尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。这就使得我国碳纤维在质量、技术和生产规模等方面均与国外存在很大差距，绝大部分高性能增强材料都长期依赖进口，价格非常昂贵。由于缺乏创新与集成和应用领域的拓展，极大地制约了我国碳纤维复合材料工业的发展。

基于我国高性能碳纤维复合材料产业尚不能满足国民经济快速、健康、持续发展的需求，国家发展改革委2008~2009 年组织实施高性能纤维复合材料高技术产业化专项，重点支持碳纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维及其高性能复合材料的生产技术及关键装备的产业化示范，以满足国民经济以及航空航天等高技术产业发展的需求，培育一批具有国际竞争力的龙头企业。这一举措将为我国从材料大国转变为材料强国奠定坚实的基础。今年5月，由鹰游纺机自主研发的碳纤维生产线和神鹰碳纤维项目通过国家级验收，标志着我国碳纤维生产已成功实现国产化和产业化。