碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用研究報(bào)告

1、碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用研究報(bào)告摘 要：本文對(duì)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，介紹了目前碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)及在其所應(yīng)用領(lǐng)域中的發(fā)展前景。同時(shí)，也指出了碳纖維復(fù)合材料在應(yīng)用和發(fā)展中所存在的問(wèn)題，并給出了解決這些問(wèn)題的對(duì)策及建議。關(guān)鍵字：碳纖維，復(fù)合材料，應(yīng)用前景 1 前言碳纖維復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)體與樹(shù)脂、陶瓷及金屬等基體復(fù)合而成的結(jié)構(gòu)材料。碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在90% 以上。它是利用各種有機(jī)纖維在惰性氣體中、高溫狀態(tài)下碳化而制得。碳纖維除了具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能外，碳纖維還具有低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、震動(dòng)衰減性高、電及熱傳導(dǎo)性高、熱膨脹系數(shù)

2、低、穿透性高等優(yōu)良性能1?；诖?，到目前為止，用碳纖維與其他基體復(fù)合而成的先進(jìn)基復(fù)合材料是目前用得最多，也是最重要的一種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料與金屬材料或其他工程材料相比有許多優(yōu)良的性能，如表1-1所示2：表1-1 各材料性能比較材料密度/(gcm-3)彈性模量E/GPa抗拉強(qiáng)度/MPa比模量(E/)/ GPa/(gcm-3)比強(qiáng)度(/)/ GPa/(gcm-3)最高使用溫度/鋼SAE1010（冷軋）7.8720736526.300.05500650鋁6061-T62.7068.931025.520.11150250高強(qiáng)度碳纖維環(huán)氧基（單向）1.55137.8155088.901.008

3、0215高模量碳纖維環(huán)氧基（單向）1.632151240131.900.7680215碳纖維環(huán)氧基（準(zhǔn)各向同性）1.5545.557929.350.3780215通過(guò)比較可知，（1）碳纖維復(fù)合材料比強(qiáng)度是鋼SAE1010（冷軋）的近20倍，是鋁6061-T6 的近10倍；其比模量則超過(guò)這些鋼和鋁材的3倍。因此其具有高的比強(qiáng)度和比模量。（2）大多數(shù)碳纖維復(fù)合材料可通過(guò)設(shè)計(jì)增強(qiáng)纖維的取向及用量來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)材料的性能實(shí)行剪裁，達(dá)到性能最佳。（3）碳纖維復(fù)合材料密度低，質(zhì)量輕，能有效減輕構(gòu)件重量。除此之外，碳纖維復(fù)合材料還有多選擇性成型工藝、良好的耐疲勞性能及良好的抗腐蝕性等。 由于碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)于

4、其他材料的性能，世界各國(guó)都在大力發(fā)展碳纖維復(fù)合材料。2013年碳纖維復(fù)合材料總產(chǎn)值147億美元，其中CFRP產(chǎn)值94億美元，約占64%。碳纖維復(fù)合材料的需求7.2萬(wàn)t，2020年預(yù)計(jì)需求量將達(dá)14.6萬(wàn)t（圖1-1），20102020年全球碳纖維復(fù)合材料年均增長(zhǎng)率都將超過(guò)11%34。 2016、2020年的需求量為預(yù)測(cè)值。圖1-1 20112020年全球碳纖維和碳纖維復(fù)合材料的需求量其中，歐洲的碳纖維復(fù)合材料需求占全球市場(chǎng)的40 %，美國(guó)占25 %，中國(guó)占20 %，其他國(guó)家與地區(qū)的碳纖維復(fù)合材料占市場(chǎng)份額在15 %上下。其中中國(guó)市場(chǎng)對(duì)碳纖維的需求每年也在逐步增加，中國(guó)碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)需求如圖

5、1-2所示：圖1-2 中國(guó)碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)需求2015年，碳纖維制造商日本帝人公司擴(kuò)大碳纖維復(fù)合材料合作領(lǐng)域，其目標(biāo)是將他們的熱塑性碳纖維復(fù)合材料Sereebo應(yīng)用到量產(chǎn)車(chē)的零部件上。美國(guó)運(yùn)用基于Impossible Objects的復(fù)合型增強(qiáng)材制造出碳纖維零件5。2015年10月，寶馬將推出全新碳纖維復(fù)合材料車(chē)，全新BMW 7系打造了Carbon Core高強(qiáng)度碳纖維,內(nèi)核，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料被用于加固車(chē)頂橫梁結(jié)構(gòu)以及B柱和C柱、底部側(cè)圍、中央通道和后部支撐。與上一代車(chē)型相比，最大減重達(dá)130 kg6。隨著世界各國(guó)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，各國(guó)將會(huì)重視并大力發(fā)展碳纖維復(fù)合材料且其應(yīng)用領(lǐng)域

6、將更加廣闊。2 碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用前景碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用到航天航空、汽車(chē)、船舶、風(fēng)力發(fā)電、運(yùn)動(dòng)休閑、土木建筑、壓力容器等領(lǐng)域，其各個(gè)領(lǐng)域所占市場(chǎng)份額如圖2-1所示7圖2-1 2014年全球各種碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)需求份額百分比在中國(guó)，隨著航天航空、汽車(chē)、船舶、風(fēng)力發(fā)電、運(yùn)動(dòng)休閑等大力的發(fā)展，碳纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用占全世界1/4，航天航空、汽車(chē)、船舶、風(fēng)力發(fā)電、運(yùn)動(dòng)休閑、土木建筑、壓力容器等領(lǐng)域所占份額如圖2-2所示。圖2-2 2014年中國(guó)各種碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)需求份額百分比2.1 在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用通常，先進(jìn)復(fù)合材料首先應(yīng)用于航天航空等國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域，然后隨著技術(shù)的成熟，慢慢向民用領(lǐng)域

7、發(fā)展。以高性能碳纖維復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、功能一體化材料，在民用飛機(jī)、導(dǎo)彈等航空航天領(lǐng)域發(fā)揮著不可估量的作用8。2.1.1 民用飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料與鋼材相比其質(zhì)量減輕75 %，而強(qiáng)度卻提高4倍，其在航空航天復(fù)合材料上的使用，大大改善了大型商用飛機(jī)的燃油效率，空客A380、A400M 和波音787 中碳纖維復(fù)合材料 的使用量均已超過(guò)50 %。其機(jī)身、機(jī)尾翼采用碳纖維層合結(jié)構(gòu)，升降舵、方向舵保留碳纖維夾芯機(jī)構(gòu)。大量應(yīng)用復(fù)合材料獲得的低油耗、高巡航速度使其得以實(shí)現(xiàn)更多的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)不經(jīng)停直飛航線。碳復(fù)合材料具有耐高溫、抗磨損、比熱容大等特點(diǎn)，是制造飛機(jī)制動(dòng)裝置的優(yōu)異材料。用其制作的飛機(jī)制動(dòng)

8、盤(pán)同金屬制動(dòng)盤(pán)相比可節(jié)省40%的結(jié)構(gòu)重量，使用壽命是金屬制動(dòng)盤(pán)的57 倍9。2.12 軍用飛機(jī)及火箭在20世紀(jì)80年代，碳纖維復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)材料在軍用飛機(jī)的主翼、機(jī)身等部位使用。近幾年隨著碳纖維工業(yè)技術(shù)和航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，碳纖維在這一領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛，如用于制造人造衛(wèi)星支架、衛(wèi)星天線、航天飛機(jī)的機(jī)翼、火箭的噴焰口、戰(zhàn)略導(dǎo)彈的末級(jí)助推器、機(jī)器人的外殼等10。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是各種導(dǎo)彈武器的主要?jiǎng)恿ρb置，在其殼體應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料可大大減輕火箭和導(dǎo)彈的發(fā)射質(zhì)量、節(jié)省發(fā)射費(fèi)用，或攜帶更重的彈頭、或增加有效射程和落點(diǎn)精度。由于戰(zhàn)略導(dǎo)彈對(duì)自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的要求非常嚴(yán)格，采用先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料

9、對(duì)提高精度、增大射程意義重大。發(fā)動(dòng)機(jī)和彈頭質(zhì)量每減少1 kg，可使洲際導(dǎo)彈射程增大20 km，故碳纖維復(fù)合材料在導(dǎo)彈上的應(yīng)用會(huì)極大提升戰(zhàn)略導(dǎo)彈的作戰(zhàn)性能11。2.2 在汽車(chē)及一般工業(yè)的應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料用于汽車(chē)部件上不僅可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，而且在安全性與乘用舒適性等方面也有很大提高，因此越來(lái)越受到汽車(chē)工業(yè)的重視，對(duì)碳纖維復(fù)合材料的需求量也逐年增多（如圖2-1）。很多汽車(chē)制造商生產(chǎn)的高檔、豪華轎車(chē)幾乎都開(kāi)始試用或已經(jīng)采用了各種碳纖維復(fù)合材料12。圖2-1 2004-2020年汽車(chē)領(lǐng)域?qū)μ祭w維復(fù)合材料的需求量（1）碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)及承力部件，在保證安全性的同時(shí)具有十分明顯的減重效

10、果。英國(guó)材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果表明，在各種材料制造的車(chē)身中碳纖維復(fù)合材料是最輕的，尤其是與鋼制車(chē)身相比，輕量化效果達(dá)53%以上。根據(jù)世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告，汽車(chē)質(zhì)量每減少10%，油耗可降低6%8%，排放減少5%6%，每降低消耗1 L燃油，將減少2.45 kg的CO2排放量，可見(jiàn)在汽車(chē)上使用碳纖維復(fù)合材料，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，節(jié)能環(huán)保的作用非常明顯13。（2）碳纖維復(fù)合材料具有良好的抗沖擊性和能量吸收能力，用于車(chē)身及其結(jié)構(gòu)件具有良好的碰撞安全性。碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量?jī)H有鋼的50%左右，在碰撞時(shí)吸收能量的能力卻是鋼或鋁的45倍，使汽車(chē)碰撞安全性顯著提高13。(3)碳纖維復(fù)合材料振動(dòng)衰減系數(shù)大，吸振能力強(qiáng)，

11、用于傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)部件，不僅能減輕車(chē)的質(zhì)量，還可以減少振動(dòng)、降低噪聲，從而增加乘坐舒適度14。除此之外，碳纖維復(fù)合材料還能省去復(fù)雜的金屬模具、沖壓、焊接及噴涂投資，降低綜合生產(chǎn)成本。2.3 在風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪翼方面的應(yīng)用隨著風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的大型化，要求減輕設(shè)備負(fù)荷，減少葉片變形，為此要求在主承力件如軸和葉片某些部位采用適應(yīng)于大型葉片輕量化和高剛性化的碳纖維復(fù)合材料15。碳纖維復(fù)合材料作為發(fā)電機(jī)葉片的首選材料,可以提高葉片的捕風(fēng)能力。用于對(duì)材料強(qiáng)度和剛度要求高的翼緣部位,不但可以提高葉片的承載能力,促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展,而且碳纖維的導(dǎo)電性可避免雷擊損傷. 圖2-2碳纖維在風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪翼的應(yīng)用據(jù)分析,采

12、用碳纖維葉片可減重20%40%16.2.4 在土建領(lǐng)域的應(yīng)用在土建領(lǐng)域，使用碳纖維材料加固結(jié)構(gòu)的主要目的是提高建筑工程承載能力或改善其功能。目前，建筑工程中廣泛使用的碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)品具有多種形式，常用的碳纖維筋、碳纖維索、碳纖維型材以及衍生出的碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件和結(jié)構(gòu)等（如圖2-3）。其中，碳纖維筋主要用于混凝土結(jié)構(gòu)中替代鋼筋，在腐蝕環(huán)境下可以減少因鋼筋銹蝕所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷或破壞，提高結(jié)構(gòu)壽命。碳纖維索主要用于橋梁等大跨度結(jié)構(gòu)建設(shè)中的拉索或吊索，也可以用于錨索，用以減輕 圖2-3 碳纖維筋 索 柵欄 管制品結(jié)構(gòu)自重、提高抗拉能力、改善耐久性等。碳纖維型材以及衍生出的碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件和結(jié)

13、構(gòu)主要用于制造結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件或局部結(jié)構(gòu)單體，以改善構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的性能，適應(yīng)不同環(huán)境或工況要求，還可以利用碳纖維材料的優(yōu)良性能形成多樣化的新型、智能結(jié)構(gòu)17。2.5 在運(yùn)動(dòng)休閑領(lǐng)域的應(yīng)用出于對(duì)安全、減重的需要，碳纖維復(fù)合材料用于生產(chǎn)自行車(chē)、釣魚(yú)竿、沖浪板、滑雪板、高爾夫球桿、羽毛球拍和網(wǎng)球拍等，是我國(guó)目前消耗量最大的碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域。用碳纖維復(fù)合材料制成的高爾夫球棒可減輕重量約10% -40 %。由碳纖維復(fù)合材料制成的釣魚(yú)竿竹竿要輕得多，使其在撒竿時(shí)消耗能量少，而且撒竿距比后者遠(yuǎn)20% 左右，且剛性大，釣魚(yú)竿在彎曲之后能迅速?gòu)?fù)原使其傳遞誘餌的感覺(jué)較為靈敏18。2013年碳纖維復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)休閑領(lǐng)域產(chǎn)值

14、達(dá)14.7億美元，其中高爾夫桿等產(chǎn)品產(chǎn)值5.6億美元，占38%，網(wǎng)球和羽毛球球拍占21%，自行車(chē)占14%。運(yùn)動(dòng)休閑用碳纖維消耗量最大在亞洲，特別是中國(guó)，高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、釣魚(yú)竿、自行車(chē)架、船槳、公路賽車(chē)等都用到碳纖維。由于成本問(wèn)題，制約碳纖維在該領(lǐng)域的快速發(fā)展，預(yù)計(jì)2015年全球運(yùn)動(dòng)休閑領(lǐng)域?qū)μ祭w維需求增長(zhǎng)依然保持在4%左右19。2.6 其他領(lǐng)域的應(yīng)用（1）壓力容器方面：壓縮的液化天然氣具有成本低、 效益高、 無(wú)污染和使用方便等特點(diǎn)， 在生活燃料、 汽車(chē)動(dòng)力等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品具有輕質(zhì)高強(qiáng)、 耐疲勞性能更好、耐破損安全性佳以及減震性能優(yōu)等特點(diǎn)，故其推廣和應(yīng)用越來(lái)越受到重視

15、。豐田公司也將于2015年發(fā)售燃料電池車(chē)。此外，新能源頁(yè)巖氣罐也用碳纖維復(fù)合材料制造。（2）深海石油平臺(tái)：深海采油，由于海上空氣濕度大，海水的鹽堿度高。而傳統(tǒng)金屬石油平臺(tái)質(zhì)量大、耐腐蝕性和抗疲勞性能較差。如果不能及時(shí)對(duì)金屬石油平臺(tái)進(jìn)行維護(hù)， 則可能在采油過(guò)程中發(fā)生事故。碳纖維復(fù)合材料有輕質(zhì)高強(qiáng)、 耐腐蝕、 耐疲勞、 耐高溫等優(yōu)異性能,憑借此優(yōu)異性能，碳纖維復(fù)合材料可以在此方面實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值。（3）高速鐵路：高速加超重不光消耗巨大的能源，更大幅度增加了軌道設(shè)施的基礎(chǔ)建設(shè)成本。所以，高鐵的輕量化勢(shì)在必行。國(guó)際上各大高鐵技術(shù)公司都在研制高鐵用碳纖維復(fù)合材料，諸如轉(zhuǎn)型架、車(chē)頭、地板等部件的開(kāi)發(fā)，國(guó)外均

16、有碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)。3 碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料存在的問(wèn)題及改善對(duì)策（1）組織技術(shù)攻關(guān)。碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)、技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)多，是多學(xué)科、多技術(shù)的集成。在國(guó)內(nèi)起步較晚，可采用消化吸收引進(jìn)技術(shù)與自主創(chuàng)新相結(jié)合辦法，盡快實(shí)現(xiàn)規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。首先必須解決原絲質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)還需要加強(qiáng)預(yù)氧化、碳化、 石墨化設(shè)備及表面處理工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)，并重點(diǎn)解決T300級(jí)等中低端碳纖維產(chǎn)品穩(wěn)定性，加快T700系列、T800系列等中高端碳纖維產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化及高模量碳纖維研發(fā)。（2）價(jià)格是制約碳纖維復(fù)合材料發(fā)展的主要因素。 世界上碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)廠商都在致力于降低碳纖維生產(chǎn)成本。在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上降低成本，許多工業(yè)應(yīng)用

17、才有實(shí)用價(jià)值。為廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件，才能帶來(lái)碳纖維工業(yè)的高速發(fā)展。降低成本的主要措施有降低碳纖維的成本及新型節(jié)能技術(shù)及裝備的采用等。（3）碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用難度大。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用具有設(shè)計(jì)制造應(yīng)用一體化的特點(diǎn)，碳纖維每一個(gè)中間產(chǎn)品或復(fù)合材料產(chǎn)品的應(yīng)用，都需要專(zhuān)有技術(shù)、專(zhuān)門(mén)的設(shè)備、專(zhuān)用的樹(shù)脂，都需要生產(chǎn)企業(yè)和應(yīng)用企業(yè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定向開(kāi)發(fā)。參考文獻(xiàn) 1 唐見(jiàn)茂.碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望J.航天器環(huán)境工程,2010,27(3):269-280.2 張家杰.國(guó)內(nèi)外碳纖維生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J.化工技術(shù)經(jīng)濟(jì),2005,23(4):12-15,19.3 蘆長(zhǎng)椿.聚合物復(fù)合材料技術(shù)的現(xiàn)狀與新動(dòng)向

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