材料與人類文明論文·碳纖維材料的性能及其應(yīng)用簡介

1、碳纖維材料的性能及其應(yīng)用簡介自動化12 仲秋晨 一、 引言 碳纖維是在生活中應(yīng)用非常廣泛的一種材料，它的強(qiáng)度甚至可以與“太空金屬”鈦相媲美，但密度卻不及鈦的一般。無論是在民用的自行車架、羽毛球拍還是在軍用的航天、航空領(lǐng)域，碳纖維都是極為理想的材料。碳纖維材料屬于材料密集型材料，頗有政治敏感度，其重要性可見一斑。中國目前的碳纖維生產(chǎn)水平不容樂觀，只有少量的利用自主技術(shù)研發(fā)的產(chǎn)品能達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。正因為碳纖維材料重要而又特殊的地位，我希望能夠在這篇文章中對碳纖維材料的性能及其應(yīng)用方面的簡單介紹，讓大家能夠?qū)μ祭w維材料及其價值有一個全面的了解。二、 碳纖維材料簡介1、 碳纖維的特性碳纖維主要是

2、由碳元素組成的一種特種纖維，既具有一般碳素材料的特性，又有其獨(dú)特的性質(zhì)。碳纖維主要具有以下特性：(1) 密度小、質(zhì)量輕,碳纖維的密度為1.5-2g/cm3,相當(dāng)于鋼密度的1/4、鋁合金密度的1/2；(2) 強(qiáng)度、彈性模量高,其強(qiáng)度比鋼大4-5倍,彈性回復(fù)為100%； (3) 熱膨脹系數(shù)小, 導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降,耐驟冷、急熱,即使從幾千攝氏度的高溫突然降到常溫也不會炸裂；(4) 摩擦系數(shù)小,并具有潤滑性；(5) 導(dǎo)電性好, 25時高模量碳纖維的比電阻為775cm,高強(qiáng)度碳纖維則為1500cm；(6) 耐高溫和低溫性好,在3000非氧化氣氛下不熔化、不軟化，在液氮溫度下依舊很柔軟也，不脆化；(

3、7)耐酸性好，對酸呈惰性，能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕。除此之外，碳纖維還具有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和使中子減速等特性。2、 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與金屬材料不同，盡管碳纖維可單獨(dú)發(fā)揮某些功能，然而它屬于脆性材料，只有將它與基底材料結(jié)合在一起時才能充分利用其優(yōu)異的性能。根據(jù)使用目的的不同可選用各種基底材料和復(fù)合方式，而目前使用最多的最廣泛的就是樹脂基復(fù)合材料。（1） 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料著重表現(xiàn)了在力學(xué)性強(qiáng)、熱物理性能以及熱燒蝕性能三個方面，如密度低、高溫強(qiáng)度好、能儲存大量熱能、耐燒蝕性能好等。（2） 加工方法及工藝 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一直被區(qū)分為長纖維和短纖維來

4、加工的。從典型的300400mm到幾個毫米分為不同的等級。人們一直在探索和改進(jìn)各種碳纖維材料的加工方法。目前的加工方法主要有樹脂傳遞模塑RTM、噴射成型、注射成型、纖維纏繞成型、拉擠成型等。三、 碳纖維材料的應(yīng)用由于碳纖維及其復(fù)合材料具有高強(qiáng)、高模、耐高溫、耐疲勞、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特性，因此被廣泛應(yīng)用于土木建筑、航空航天、汽車、體育休閑用品、能源以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。1、 航空航天領(lǐng)域 在航天航空領(lǐng)域，碳纖維材料的應(yīng)用主要是利用其“輕而強(qiáng)”和“輕而硬”的特性。因為航天飛行器的質(zhì)量每減少1kg。就可使運(yùn)載火箭減輕500kg。因此在航天領(lǐng)域，碳纖維材料倍受青睞據(jù)報道，美國航天飛機(jī)上3只火箭推進(jìn)器的關(guān)鍵部

5、件以及先進(jìn)的MX導(dǎo)彈發(fā)射管等，都是用先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料制成的碳纖維是一種纖維狀碳材料。2010年1月，采用碳纖維和鈦材料制造的波音787夢幻客機(jī)試飛成功。波音787機(jī)身80%由合成材料制造，其中碳纖維增強(qiáng)材料達(dá)到35噸，因此可大大減輕飛機(jī)重量。這種客機(jī)油耗少，減少碳排放效果顯著，維護(hù)方便，能夠給航空公司節(jié)省燃料和維護(hù)費(fèi)用，一經(jīng)試飛就引起世界各國的關(guān)注。2、 汽車制造領(lǐng)域 在汽車制造領(lǐng)域中，碳纖維材料現(xiàn)已成為汽車制造商青睞的材料，在汽車內(nèi)外裝飾中開始大量采用。據(jù)悉，福特和保時捷生產(chǎn)的GT型賽車發(fā)動機(jī)機(jī)罩已全部采用碳纖維材料。我曾經(jīng)在網(wǎng)上看到看到蘭博基尼的一輛概念車，車架通體由碳纖維做成，極其威

6、猛霸氣，極大地提高了蘭博基尼車的各項性能，是蘭博基尼的“野性”得到充分的發(fā)揮。當(dāng)然，其造價也比一般的蘭博基尼高了許多。3、 土木建筑領(lǐng)域20世紀(jì)80年代末90年代初在發(fā)達(dá)國家興起了一種以碳纖維布加固修復(fù)鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)。我國從20世紀(jì)90年代也開始研究和應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)取得一定的研究成果。碳纖維與傳統(tǒng)的加大混凝土截面或粘鋼混凝土補(bǔ)強(qiáng)相比，具有節(jié)省空間，施工簡便，不需要現(xiàn)場固定設(shè)施，施工質(zhì)量易保證，基本不增加結(jié)構(gòu)尺寸及自重，耐腐蝕、耐久性能好等特點(diǎn)。另外，采用該工法，可大大提高建筑物的使用壽命，降低加固成本。因此，碳素纖維作為劃時代的補(bǔ)強(qiáng)材料，而備受青睞和關(guān)注。4、 體育休閑用品體育休

7、閑用品是應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的一個極其重要的領(lǐng)域。2003年和2004年世界碳纖維總消耗量分別為19210t和20680t，而用于體育休閑用品的碳纖維都超過5000t，占世界碳纖維總消耗量的25左右。碳纖維材料在體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用主要在釣魚竿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、羽毛球拍等方面。據(jù)統(tǒng)計，釣魚桿現(xiàn)年產(chǎn)量約1200萬只，年碳纖維用量1200t；高爾夫球桿隨著輕量化和長尺寸化的要求，現(xiàn)已占碳纖維體育用品用途的50，年碳纖維用量為2000t；網(wǎng)球拍的年市場規(guī)模約為450萬只，年碳纖維用量約500t。5、 能源領(lǐng)域 隨著人類環(huán)保意識提高，大型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)正在迅速興起。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有效捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部

8、件。在發(fā)電機(jī)功率確定的條件下，葉片的材料越輕、強(qiáng)度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強(qiáng)，葉片就可以做得越大，它的捕風(fēng)能力也就越強(qiáng)。因此，輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性好的玻璃纖維和碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成為目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的首選。四、 總結(jié)以及展望 雖然我們上面列出了碳纖維的種種好處與應(yīng)用，也確實看到了它作為材料不可估量的價值，但是我們不得不正視碳纖維存在的弱點(diǎn)。首先，就碳纖維材料本身的性質(zhì)來說，雖然碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量很高，但其耐沖擊性較差，容易損傷，就是平時人們所說的“脆”。即使是碳纖維復(fù)合材料也并沒有完全解決這個問題。就我比較熟悉的羽毛球拍來講，一般羽毛球拍的材料要么是鋁合金，要么是碳纖維。鋁

9、合金的拍子如果受到損傷會“彎了”，用力拗直了說不定還能用；而碳纖維的拍子一旦損傷，一般都是“斷了”，無法修補(bǔ)。這是碳纖維最大的缺點(diǎn)。其次，相對于其他很多材料來說，碳纖維材料最明顯的特征就是“貴”。就體育用品而言，碳纖維網(wǎng)球拍價格在1000元左右，高爾夫球桿3000元左右，自行車最低檔的40005000元，稍好的上萬甚至數(shù)萬。更別提碳纖維車天文數(shù)字的價格了。高昂的價格以及供不應(yīng)求的市場限制了碳纖維材料的普及。于是，我們會問：為什么碳纖維材料這么貴呢？正如前面所說，碳纖維材料是一種技術(shù)密集型和政治敏感的關(guān)鍵材料，而不僅僅是 “碳”那么簡單。目前世界上只有美、日、韓、德等國的少數(shù)企業(yè)掌握碳纖維生產(chǎn)的

10、核心技術(shù)。但國外尤其是碳纖維生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)先的日韓等國對中國的碳纖維材料及其制品的出口一直保持相當(dāng)謹(jǐn)慎的態(tài)度。因此，中國只能繼續(xù)自力更生發(fā)展碳纖維工業(yè)。中國對碳纖維材料的研究始于20世紀(jì)60年代，起步很早但是發(fā)展緩慢，直到進(jìn)入21世紀(jì)才有較快發(fā)展。只是與發(fā)達(dá)國家仍有較大差距。不過令人欣慰的是，國家已經(jīng)意識到碳纖維材料的重要性了，碳纖維已被列為國家化纖行業(yè)重點(diǎn)扶植的產(chǎn)品。雖然對碳纖維材料的研究可能困難重重，但是我相信，在國家的大力扶持下，在不久的將來，中國一定能夠打破發(fā)達(dá)國家的封鎖，生產(chǎn)出一大批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高質(zhì)量碳纖維材料以增強(qiáng)我國的綜合國力，同時方便人們的生活。我覺得在對碳纖維材料的研究上，一方面需要開發(fā)最高端的高性能碳纖維材料以供軍用，另一方面也應(yīng)該進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)降低生產(chǎn)成本，讓碳纖維材料能夠進(jìn)入千家萬戶