碳纤维及其复合材料的发展及应用_上官倩芡
碳纤维复合材料的研究及其应用前景
碳纤维复合材料的研究及其应用前景近年来，碳纤维复合材料（CFRP）以其轻量、高强、耐腐蚀等优良特性逐渐成为工业领域的热门材料之一，其广泛的应用涵盖航空、汽车、建筑等众多领域，成为工程设计的必备选择。
本文旨在介绍CFRP的研究情况以及其应用前景。
1.CFRP的研究历程CFRP的开始可以追溯到20世纪60年代，当时美国和欧洲的研究人员为提高航空航天的燃料效率，开始研究一种轻质、高强度的材料。
此后，CFRP不断被改良和拓展，各大工业领域纷纷尝试使用。
CFRP是由碳纤维和树脂组成的一种复合材料。
其中，碳纤维是一种高强度、高模量的材料，具有纤维方向上的优异力学性能，而树脂则为其提供了耐久性和成型特性。
CFRP的成品不仅具有高强度、高刚度、轻质等优良特点，而且可以依据应用的具体需求进行各种形状的加工和制造。
2.应用前景（1）航空航天领域在航空领域，CFRP被广泛应用于飞机、导弹和卫星等组件的制造。
相比传统金属材料，CFRP能够降低构件的重量和阻力，提高飞行性能，达到环保和节能的效果。
其中，波音787客机就采用了50%的CFRP材料，使得飞机的油耗显著降低，从而带来了较大的经济效益。
（2）汽车制造在汽车领域，CFRP被广泛用于轻量化设计，即通过将材料本身的重量减轻来提高汽车的油耗和性能。
例如，宝马公司推出了i3和i8两款车型，其中大量采用了CFRP材料，其车身重量仅有传统汽车的1/3，从而提高了燃料利用率、动力性能和行驶舒适度。
（3）建筑领域在建筑领域，CFRP广泛应用于桥梁和构造物的加固和修复。
由于CFRP具有超强的耐久性和防腐蚀性能，使其可以延长桥梁的使用寿命，降低维修费用。
此外，CFRP还可以实现建筑构造的轻质化设计，增强抗震能力。
（4）其他领域除了上述领域，CFRP还被应用于船舶制造、体育器材、医疗设备等领域，拓展了其应用范围和市场规模。
3.总结综上所述，CFRP作为一种具有广泛应用前景的高科技材料，能够在航空航天、汽车、建筑等领域带来显著的改善。
碳纤维及其复合材料的发展和应用
制 造 碳 纤 维 的 新 方 法 。 紧 接 着 英 国 皇 家 航 空 研 究 院 研 究
了高 性 能 Ｐ Ｎ 基碳 纤维 的技 术 流程 ，使 Ｐ Ｎ 基碳 纤 维 Ａ Ａ 成 为 碳 纤维 工 业 的 主 流 。２ ０世 纪 ７ ０年 代 中 期 ．美 国联 合 碳 化公 司在美 国空 军 和海 军 的资 金 支持 下 。研 发高 性 能 沥 青 基 碳 纤 维 。碳 纤 维 的 民用 商 业 化 也 正 是 始 于 ７ ０ 年 代 。 日本 东 丽公 司 最早 于 １ ７ ９ １年 开 始 生 产 钓 鱼 杆 和 高 尔夫 球棒 。１ ７ ９ ４年 ，美 国最 早把 碳纤 维用 于 网球 。接 着 羽 毛 球 拍 也 都 实 现 了 Ｃ Ｒ （ ａｂ ｎ ｆ ｅ ｅ ｆｒｅ Ｆ Ｐ ｃ ｒｏ —ｉ ｒｒｉ ｏｃｄ ｂ ｎ
递 增 。 碳 纤 维 的 主 要 性 能 见 表 １ 表 ２是 不 同 领 域 碳 纤 。 维 的 需 求 及 预 测 见 表 ２ 。
１ 碳 纤 维 的 发 展 史
１１ 国外碳 纤 维的 发展 历史 ．
２ ０世 纪 ５ ０年 代 美 国 开 始 研 究 粘 胶 基 碳 纤 维 ， １５ ９９ 年 生 产 出 了 粘 胶 基 纤 维 Ｔ ｏｍ ｌ２ ｈ ｒ ｅ一 ５，这 是 最 早 的 碳 纤 维 产 品 。 同 一 年 ， 日本 发 明 了 用 聚 丙 烯 腈 基 （ＡＮ） 原 丝 Ｐ
摘
要 ：介 绍 了碳 纤 维 的 性 能及 其 特 性 ，概 述 了碳 纤 维 的 发 展 史 ， 包括 国 外 和 国 内 。 分 析 了碳 纤 维 复 合 材 料 的 特 性 和 应 用 ， 着 重 说 明 了碳 纤 维 增 加 金 属 基 复 合 材 料 的 相 关 性 能 ，并 指 出 了 其 研 究 前 景 。
碳纤维复合材料的种类、环境应用及其发展趋势
碳纤维复合材料是一种由碳纤维和树脂组成的复合材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、运动器材、建筑材料等领域。
随着对环境友好材料的需求不断增加，碳纤维复合材料的环境应用也呈现出日益重要的趋势。
一、碳纤维复合材料的种类1.碳纤维布碳纤维布是由碳纤维经过编织或无纺工艺而成的材料，具有高强度、高模量、轻质等特点，常用于航空航天领域。
2.碳纤维复合材料板碳纤维复合材料板是由碳纤维布经过树脂浸渍、层叠、压制而成的板状材料，具有优异的机械性能和耐腐蚀性能，常用于汽车制造领域。
3.碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料是将碳纤维与树脂等材料复合而成的新型材料，具有强度高、耐高温等特点，常用于航空航天、船舶制造领域。
二、碳纤维复合材料的环境应用1.减少能源消耗碳纤维复合材料具有轻质、高强度的特点，能够降低汽车、航空器等交通工具的重量，减少燃料消耗，有利于环境保护。
2.提高能源利用效率碳纤维复合材料具有优异的机械性能和耐腐蚀性能，能够延长设备的使用寿命，提高能源利用效率，减少资源浪费。
3.降低环境污染碳纤维复合材料具有优异的耐腐蚀性能和抗老化性能，能够降低设备的维护成本，减少环境污染。
三、碳纤维复合材料的发展趋势1.环保可持续随着环保意识的提高，碳纤维复合材料的环保性能将越来越受到重视，未来发展将更加偏向于环保可持续。
2.多领域应用碳纤维复合材料将逐渐应用于更多的领域，包括建筑材料、新能源领域等，拓展发展空间。
3.优化性能未来碳纤维复合材料将通过技术创新和工艺改进，进一步优化性能，满足不同领域的需求。
个人观点和理解作为一种高性能复合材料，碳纤维复合材料在环境应用方面具有巨大潜力。
通过不断的技术创新和工艺改进，碳纤维复合材料的性能将得到进一步提升，应用领域也将得到拓展，为环境保护和可持续发展作出更大的贡献。
总结回顾通过本文的介绍，我们了解了碳纤维复合材料的种类、环境应用及其发展趋势。
碳纤维复合材料具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点，在减少能源消耗、提高能源利用效率和降低环境污染方面具有重要的作用。
碳纤维及其复合材料的发展及应用
. 碳纤维的复合方式也会对复合材料的性能产生影响 . 在制备复合材料时, 碳
纤维大致可分为两种类型 : 连续纤维和短纤维 . 连续纤维增强的复合材料通常具有更好的机械性能, 但 由于其制造成本较高 , 并不适应于大规模的生产. 短纤维复合材料可采用与树脂基体相同的加工工艺, 如模压成型、 注射成型以及挤出成型等. 当采用适合的成型工艺时 , 短纤维复合材料甚至可以具备与连
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上海师范大学学报 ( 自然科学版 )
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续纤维复合材料相媲美的机械性能并且适宜于大规模的生产 , 因此短纤维复合材料近年来得到了广泛 [ 5] 的应用 . 碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域有着大量的应用, 如航天飞机的舱门、 仿生机械臂以及压 力容器等 , 因采用碳纤维增强树脂基复合材料而具有质量轻、 强度高的优点. 随着航空制造技术的不断发 展, 先进民用飞机在结构中大量地使用了碳纤维增强树脂基复合材料, 主要部位有: 整流包皮、 副翼、 发动 机罩、 阻力板、 扰流器、 起落架舱门、 水平和垂直尾翼、 方向舵及其他主要及次要承力结构件等. 在民用领 域, 碳纤维增强树脂基复合材料的应用也不断扩大, 如汽车结构件、 风力发电机叶片、 体育器材等. 随着碳纤维成本的降低以及复合材料制造技术的发展 , 土木建筑和海底油田将是碳纤维复合材料 应用领域的新增长点 . 以碳纤维复合材料代替传统金属材料制作建筑物的横梁、 抗震结构 , 补强、 修补或 加固桥梁, 制造油田勘探和开采器材以及平台、 油、 气储罐等将会有很大的发展.
上官倩芡, 蔡泖华
( 上海师范大学 机械 与电子工程学院 , 上海 201418)
摘 要 : 叙述了碳纤维的结构形态 、 分类以及在力学、 物理 、 化学方面的性能, 介绍了碳纤维增 强复合材料的特性, 着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类 、 选择和应用 , 指出 了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势 . 关键词 : 碳纤维 ; 复合材料 中图分类号 : O 636 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 5137( 2008) 03 0275 05
碳纤维复合材料的发展和应用
杨敏娟 陕西烽火宏声科技有限责任公司 ７ ２ １ ０ ０ ６
【 摘要 】 本文着重介绍 了 碳 纤维复合材料 的显著 特性 ， 基于其强度 高重 高 ， 碳纤维做 补强混凝 土结构 时， 不需要 增加螺栓和 铆钉固定 ，对 原
【 关键 词】 碳纤维复合材料 ； 特性； 应用
１ 引言 碳 纤维 是５ ０ 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。 主要 作为 增强材料 与树脂 、 金 属， 陶瓷等基 体复合 制成结 构材 料， 其 比强度 、 比模量 综合 指标在 现有材 料 中是最 高的 ， 力 学性 能颇具 优势 ， 所 以被 广泛应用于各 个领域 。
索 之・ ， 除强 氧化酸 以外， 能在各种 有机溶 剂 、 酸、 碱 中不 溶 不 胀 ， 不存
量轻等优越 特性而发展 迅速 ， 被广泛应用于航 空航 天、 土木建 筑， 体育及 生活 等领域 。
混凝 土结 构扰动较小 ，施 工工艺简便 。 在 运动 休闲领 域中， 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４ ０ ％的球棒 都 是由碳纤维制成的 ， 全世界 碳纤维钓鱼杆 的产量 约为每年２ ０ ０ ０ ７ ｊ ＂ 副， 网球 拍 框架 的市场容量 约为每 年６ ０ ０ 万 副， 碳纤维 还应 用在划船 、 赛艇
带、 纸及其他 材料 ・ （ ４ ） 热膨胀系数小 ， 变形量小 ， 结构尺寸稳定性 好 ， （ ５ ） 具 有极 好的纤度 ， 一般仅 约１ ９ ｇ ， 密度约为１ ． ５ － ２ ｇ ／ ｃ ｍ ， 比重
碳纤维复合材料的性能及应用
碳纤维复合材料的性能及应用首先，碳纤维复合材料具有高强度和轻质的特点。
碳纤维本身具有很高的强度和刚度，其强度可以达到钢的10倍以上，而密度却只有钢的四分之一左右。
这使得碳纤维复合材料具有优秀的比强度和比刚度，能够在保证结构强度的同时减轻整体重量，适用于要求轻质高强度的领域，如航空、航天和汽车等。
其次，碳纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。
由于碳纤维本身不易受化学物质侵蚀，所以碳纤维复合材料能够在恶劣环境下长时间使用，不易腐蚀变形。
此外，碳纤维具有良好的摩擦性能，能够承受较大的摩擦力，同时又不会产生摩擦磨损，因此适用于制造高速运动部件和耐磨材料。
另外，碳纤维复合材料还具有优异的导电性和导热性。
由于碳纤维本身是导电材料，因此碳纤维复合材料能够有效地导电，广泛应用于电子、航空航天等领域。
此外，碳纤维还具有良好的导热性能，能够迅速传热，因此适用于制造导热材料和散热结构。
此外，碳纤维复合材料还具有良好的耐高温性和隔热性。
由于碳纤维的熔点较高，所以碳纤维复合材料能够在高温环境下保持较好的性能，适用于高温工艺和高温设备。
此外，由于碳纤维的导热性较低，所以碳纤维复合材料还具有良好的隔热性能，能够隔绝热量的传导，使其广泛应用于隔热材料和保温材料领域。
总的来说，碳纤维复合材料由于其优异的性能，被广泛应用于航空航天、汽车、体育器材、建筑、电子等领域。
例如，飞机机身、航天器、汽车车身和部件、高尔夫球杆、网球拍、自行车框架等都可以采用碳纤维复合材料制造，以提高其强度、刚度和耐用性。
另外，在建筑领域，碳纤维复合材料还可以用于制造楼板、隔墙和构件等，以减轻建筑物自重和提高抗震性能。
此外，在电子领域，碳纤维复合材料还可以用于制造导热板、散热片和EMI屏蔽材料等，以提高电子产品的散热性能和抗干扰能力。
总之，碳纤维复合材料具有高强度、轻质、耐腐蚀、耐磨、导电、导热、耐高温等优异的性能，因此被广泛应用于各个领域，为现代工业的发展做出了重要贡献。
碳纤维以及复合材料的发展及应用
我 国碳纤 出产装备掉 队， 自动化水平低苈 动强度大， 出产情 况差， 而发达 国家 的封闭又使我 国没法 引进 国际上的一 、 二 流装备， 影响 了 出产水平 的进 步 ２ － ３未形成经济规模 外洋碳纤维生产规模多在 ５ ０ ０ ｔ 以上 。 而我 国以 ｌ Ｏ ｔ 摆 布 占多数 生产成 本高。 产品价格也 比人 口的高， 而机能却没 法与入 口的媲美， 故 缺少竞争能力． 失去了市场 ２ ． ４碳纤来历大部分依靠入 口 我 国利 用的碳 纤绝大部 分依托人 口． 而美 国 、 ３本等 卖给我 国的 １ 碳纤绝 不允许 用于兵工 、 航 天航 空等范畴， 仅 限于出产文体用 品， 且 产 物大部分外销 ， 因此严重地制约了我国碳纤 维应用范畴 的开辟
碳纤维纸能知足绿色能源一燃料电池的请求 ． 并且和原炭质料电极相 远 影 响 。 比， 还有 体积小 、 质量轻 、 效率高等优点。 此刻 ， 用高性能碳纤维纸建造 质子互换 膜一燃料 电池 （ Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ ） 的气体分散层 电极质料 ． 已获得各燃 【 参 考文献 】 料电池制造商的认 同， 将很快获得成长。 贮能方面和能源方 面 ， 像风力 ［ １ ］ 贺福， 王茂章． 碳纤维及其复合材料眦 】 ． 北京： 科学出版社， １ ９ ９ ５ 发电用叶片 、 电池 、 飞轮 等操纵也不断扩大Ｉ ］ ６ 。 ［ ２ ］ 张凤翻． 航空结构复合材料对碳纤 维的需求 ｌ Ｊ １ ． 材料导报， ２ ０ ０ ０ ， １ ４ （ １ １ ） ： ５ — ７ ．
１ ． 碳纤维及其复合材料 的利用
跟着科技 的成 长 ． 碳纤维 的应用 领域一 １ ３ 千里 ． 它们除普遍应用 于航空航天等 高技 术领域 ， 还可用在 军事领域 、 体育用 品 、 医疗器械 、 建筑材料 、 工业机械 、 运输车辆 等方面 。 １ ． １ 航 天领域 以高性能碳ｆ 石 墨１ 纤 维复合材料为典范代表的复合材料 ， 在导弹 、 卫星飞行器和运载火箭上也发挥着无 可取代作用 随着我国航天事 业的发展 ． 神州号上天 ． 在 飞船 、 卫星 、 返 回舱 中大量使用 的碳 纤维复 合材料 ． 为这一举世瞩 目的成就立下了汗马功 劳。 １ ． ２军事领域 新武器设备研制历 程当中的小型化 、 轻质化 、 高强度 、 长寿命 、 机 动性 、 稳定性等都 离不开碳纤维 的把 持 。 可 以说碳纤 维在国防兵工 中 有举足轻重 的影响目 １ ． ３ 体育休闲用品领域 碳纤维轻 量化 、 耐颓废 、 耐磨 、 耐腐蚀 ， 使其 很适合应用 于体 育用 品。 体育用品范畴的操纵有高尔夫球棒 、 网球拍 和钓鱼杆等 。 除此以 外， 碳纤 维在冰球棍 、 滑雪杖 、 射箭 、 自 行车、 荡 舟、 赛艇 、 冲浪等体育用 品的把持 ． 意味着对碳纤维有着不变的需求 。
碳纤维及其复合材料的发展与应用
专论与综述(273～276)碳纤维及其复合材料的发展与应用赵宗桂(中国石油兰州化学工业公司工程公司,甘肃兰州730060)摘要:介绍了碳纤维及其复合材料在世界范围内的发展、应用和需求状况,提出为了降低碳纤维的价格,扩大碳纤维的应用领域,必须大力发展大丝束碳纤维,并介绍了国内碳纤维的发展状况及存在的问题。
关键词:碳纤维;复合材料;发展;应用中图分类号:T Q342+.742 文献标识码:A 文章编号:1009-0045(2002)04-0273-04 碳纤维是先进复合材料中最重要的增强材料,由于具有高强度、高比模量、优异的热物理性能、化学稳定性、阻尼减震降噪性等优良性能,世界各国对发展碳纤维都给予了高度的重视。
碳纤维及其复合材料已广泛用于航天、航空、体育休闲和工业领域。
聚丙烯腈基碳纤维是目前世界上3种主要高性能纤维之一,是一种不同于一般纺织纤维的高性能材料,具有类石墨的化学结构,其使用温度范围在-170～2000℃。
碳纤维具有很高的抗拉强度,其抗拉强度是钢材的2倍、铝的6倍。
碳纤维模量是钢材的7倍、铝的8倍。
与树脂、橡胶、陶瓷、玻璃、金属复合后可制作各种结构材料和绝热材料,应用于宇航的火箭、卫星、导弹、飞机等高技术领域;在汽车、机械、化工、体育、医疗等行业的用途也日益扩大。
目前碳纤维和以碳纤维为增强剂的各种复合材料的用途正在日益拓展,发展十分迅速[1-2]。
1 国内外碳纤维的发展状况①1.1 世界碳纤维的发展国外聚丙烯腈基碳纤维的研究与开发开始于20世纪60年代,起初,碳纤维主要用于军工和宇航。
经过40余年的发展,其应用领域正在从航天、航空和军工向工业领域和普通民用领域扩大。
世界上聚丙烯腈基碳纤维生产厂商主要有东丽、东邦、三菱人造丝、赫克塞尔、阿莫科和卓尔泰克等公司。
在常规碳纤维(3K,6K和12K)生产中,东丽、东邦、三菱已形成垄断,其生产能力分别达到7300tΠa,5100 tΠa和3400tΠa。
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第37卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.37,N o.3 2008年6月J ou rnal of ShanghaiNor m alUn i versity(Natural S ci en ces)2008,J un碳纤维及其复合材料的发展及应用上官倩芡,蔡泖华(上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418)摘要:叙述了碳纤维的结构形态、分类以及在力学、物理、化学方面的性能,介绍了碳纤维增强复合材料的特性,着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择和应用,指出了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势.关键词:碳纤维;复合材料中图分类号:O636文献标识码:A文章编号:1000-5137(2008)03-0275-05碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能.此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1~3].碳纤维既可用作结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用.因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速.本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍.1碳纤维特性、结构及分类碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000e以上的高温下碳化形成,且含碳量在90%以上的高性能纤维材料.碳纤维主要具备以下特性:¹密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5~2g/c m3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;º强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复为100%;»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;¼摩擦系数小,并具有润滑性;½导电性好,25e时高模量碳纤维的比电阻为775L8/c m,高强度碳纤维则为1500L8/c m;¾耐高温和低温性好,在3000e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;¿耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀[4~7].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.碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向.用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构[8],如图1所示.构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面.在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为0.1421n m;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360~0.3440n m之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边缘参差不齐.处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同.层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性收稿日期:2008-01-04基金项目:上海市教委科研基金项目(06D Z034).作者简介:上官倩芡(1974-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.图1碳纤维结构示意图比较高.因此,碳纤维的表面活性与处于边缘位置的碳原子数目有关[9].碳纤维形成过程中,其表面会形成各种微小的缺陷.这是由于原丝在碳化过程中,大量的元素以及各种气体(如CO2,CO,H2O,NH3, H2,N2)的形成逸出,使纤维表面和内部形成空穴和缺陷.特别是某一阶段放出气体过于剧烈时,纤维表面和内部生产的空穴和缺陷更为严重.这些空穴和缺陷的存在,将对碳纤维的强度产生很大影响.碳纤维在受力时,应力-应变曲线是线性关系,纤维断裂是突然发生的.绝大多数纤维断裂是发生在有缺陷或裂纹的地方[10].由于原料及制法不同,所得碳纤维的性能也不一样.一般来讲,碳纤维可从以下两个方面进行分类[11~13]:(1)根据碳纤维的力学性能可分为高模量,超高模量,高强度和超高强度4种;(2)根据原丝的类型可分为聚丙烯腈基碳纤维、纤维素基碳纤维、沥青基碳纤维、酚醛基碳纤维等.1.1聚丙烯腈基碳纤维聚丙烯腈(PAN)基碳纤维由聚丙烯腈经纺丝、预氧、碳化几个阶段形成.PAN基碳纤维具有高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点,并具有很强的抗压抗弯性能,一直在增强复合材料中保持着主导地位.目前,PAN基碳纤维仍是碳纤维市场中的主流.PAN基碳纤维应用的主要领域有:航空航天工业,地面交通工具,如汽车、赛车、快速列车等,造船工业、码头和海上设施,体育用品与休闲用品,电子产品,基础设施以及造纸、纺织、医疗器械、化工、冶金、石油、机械工业等领域,要求零部件在高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作.1.2粘胶基碳纤维粘胶基碳纤维是由主要成分为纤维素的粘胶纤维经过脱水、热解然后碳化而得来的.粘胶基碳纤维的三维石墨结构不发达,导热系数小;石墨层间距大,石墨微晶取向度低,因此是理想的耐烧蚀和隔热及热防护材料.同时,粘胶基碳纤维是由天然纤维素木材或棉绒转化而来,与生物的相容性极好,又可作为良好的环保和医用卫生材料.但是,由于生产粘胶基碳纤维的工艺流程较长,工艺条件苛刻,不适宜大批量生产,成本较高;另外,粘胶基碳纤维的整体性能指标比PAN基碳纤维的要差,综合性能价格比在竞争中处于劣势,因此从20世纪60年代以来其生产规模逐渐萎缩,目前产量已不足世界碳纤维产量的1%.1.3沥青基碳纤维沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料,经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成.沥青基碳纤维的生产原料成本低于聚丙烯腈基碳纤维,但由于沥青基碳纤维的生产工艺复杂,反而使其生产成本大大增加.此外,沥青基碳纤维抗压强度比较低,其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纤维,因此其生产规模和应用领域都受到了一定限制.不过,由于沥青基碳纤维具有优良的传热、导电性能和极低的热膨胀系数,因此仍在必须要求这些性能的军工及航天领域发挥着独特作用.1.4酚醛基碳纤维酚醛基碳纤维阻燃性、绝缘性极好;可在松弛条件下碳化,加工工艺简单,碳化时间短且温度低,碳化率高,且手感柔软,但强度和模量较低.酚醛基碳纤维主要用于复写纸原料,耐腐蚀电线,以及用来制276上海师范大学学报(自然科学版)2008年造耐热、防化防毒、无尘等特种服装.2 碳纤维增强复合材料尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能,然而,它属于脆性材料,只有将它与基体材料牢固地结合在一起时,才能利用其优异的力学性能,使之更好地承载负荷.因此,碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料.根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果.碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷,而目前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料[14].2.1 碳纤维增强陶瓷基复合材料陶瓷具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性,广泛应用于工业和民用产品.但是,它的致命弱点是脆性大,并且对裂纹、气孔和夹杂物等细微的缺陷很敏感.用碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性,改变陶瓷的脆性断裂形态,同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展.目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料,因其具有优良的高温力学性能,在高温下服役不需要额外的隔热措施,因而在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域具有广泛应用[15].2.2 碳/碳复合材料碳/碳复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称,也是一种高级复合材料.它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成.碳/碳复合材料主要由各类碳组成,即纤维碳、树脂碳和沉积碳.这种完全由人工设计、制造出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能,除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外,还具有较高的断裂韧性和假塑性.特别是在高温环境中,强度高、不熔不燃,仅是均匀烧蚀.这是任何金属材料无法与其比拟的.因此广泛应用于导弹弹头,固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等高科技领域[16].2.3 碳纤维增强金属基复合材料碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维,金属为基体的复合材料.碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比,具有高的比强度和比模量;与陶瓷相比,具有高的韧性和耐冲击性能.金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等.其中,碳纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟.制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层,以防止在复合过程中损伤碳纤维,从而使复合材料的整体性能下降.目前,在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等,但因其过程复杂、成本高,限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用[17].2.4 碳纤维增强树脂复合材料碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是目前最先进的复合材料之一.它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料,是其他纤维增强复合材料所无法比拟的[18,19].碳纤维增强树脂复合材料所用的基体树脂主要分为两大类,一类是热固性树脂,另一类是热塑性树脂.热固性树脂由反应性低分子量预集体或带有活性基团高分子量聚合物组成;成型过程中,在固化剂或热作用下进行交联、缩聚,形成不熔不溶的交联体型结构.在复合材料中常采用的有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等.热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成,在一定条件下溶解熔融,只发生物理变化.常用的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等.在碳纤维增强树脂基复合材料中,碳纤维起到增强作用,而树脂基体则使复合材料成型为一承载外力的整体,并通过界面传递载荷于碳纤维,因此它对碳纤维复合材料的技术性能、成型工艺以及产品价格等都有直接的影响[20,21].碳纤维的复合方式也会对复合材料的性能产生影响.在制备复合材料时,碳纤维大致可分为两种类型:连续纤维和短纤维.连续纤维增强的复合材料通常具有更好的机械性能,但由于其制造成本较高,并不适应于大规模的生产.短纤维复合材料可采用与树脂基体相同的加工工艺,如模压成型、注射成型以及挤出成型等.当采用适合的成型工艺时,短纤维复合材料甚至可以具备与连277 第3期 上官倩芡,蔡泖华:碳纤维及其复合材料的发展及应用278上海师范大学学报(自然科学版)2008年续纤维复合材料相媲美的机械性能并且适宜于大规模的生产,因此短纤维复合材料近年来得到了广泛的应用[5].碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域有着大量的应用,如航天飞机的舱门、仿生机械臂以及压力容器等,因采用碳纤维增强树脂基复合材料而具有质量轻、强度高的优点.随着航空制造技术的不断发展,先进民用飞机在结构中大量地使用了碳纤维增强树脂基复合材料,主要部位有:整流包皮、副翼、发动机罩、阻力板、扰流器、起落架舱门、水平和垂直尾翼、方向舵及其他主要及次要承力结构件等.在民用领域,碳纤维增强树脂基复合材料的应用也不断扩大,如汽车结构件、风力发电机叶片、体育器材等.随着碳纤维成本的降低以及复合材料制造技术的发展,土木建筑和海底油田将是碳纤维复合材料应用领域的新增长点.以碳纤维复合材料代替传统金属材料制作建筑物的横梁、抗震结构,补强、修补或加固桥梁,制造油田勘探和开采器材以及平台、油、气储罐等将会有很大的发展.3总结碳纤维复合材料是一种高性能、多功能的先进复合材料.目前,国内外学者对于碳纤维复合材料的研究热点主要集中于复合材料的制备与工艺优化以及复合材料及结构的损伤破坏和承载能力分析等领域.我国在碳纤维复合材料的研究方面起步不晚,但由于在复合材料的制备、性能分析和设计等方面还比较落后,与发达国家相比,碳纤维复合材料在国内相关领域特别是航空航天领域的应用还存在较大差距.要扩大碳纤维及其复合材料的应用范围,应该一方面开发高性能的碳纤维,打破国外对我国的封锁,满足我国军事、航空航天等行业的要求;另一方面研究开发有特色的具有自主知识产权的低成本碳纤维生产技术以及成型费用低的复合材料制造新工艺.相信随着我国在碳纤维生产以及复合材料制备工艺领域的进一步发展,碳纤维及其复合材料在建筑、交通、化工等民用领域的应用前景将十分乐观,而其在航空航天及军事领域的应用也会更加广泛.参考文献:[1]贺福,王茂章.碳纤维及其复合材料[M].北京:科学出版社,1995.[2]宋焕成,赵时熙.聚合物基复合材料[M].北京:国防工业出版社,1990.[3]C HUNG D D L.C o m par ison of sub m icron-dia m eter carbon fila m ents and conventi 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and its co m pos ites i s ind i cated .K ey word s :carbon fi ber ;composite(责任编辑:顾浩然)279第3期 上官倩芡,蔡泖华:碳纤维及其复合材料的发展及应用。