碳纤维复合材料的用途

第一篇：碳纤维复合材料的用途

碳纤维材料的性能

碳纤维材料的性能及应用

摘要：介绍了碳纤维及其增强复合材料，详细介绍了碳纤维复合材料的分类和特性,着重阐述了碳纤维及其复合材料在高新技术领域和能源、体育器材等民用领域的应用，并对未来碳纤维复合材料的发展趋势进行了分析。

关键词：碳纤维性能应用 0引言

碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料，不仅在国防战略武器建设中具有不可替代性，在绿色能源建设、节约能源技术发展和促进能源多样化过程中也将发挥极其重要的作用。若将先进碳纤维复合材料在国防领域的应用水平和规模视作国家安全的重要保证，则碳纤维复合材料在交通运输、风力发电、石油开采、电力输送等领域的应用将与有效减少温室气体排放、解决全球气候变暖等环境问题密切相关。随着对碳纤维复合材料认识的不断深化，以及制造技术水平的不断提升，碳纤维复合材料在相关领域的应用研究与装备不断取得进展，借鉴国际先进的碳纤维复合材料应用经验，牵引高性能碳纤维及其复合材料的国产化步伐，对于改变经济结构、节能减排具有重要的战略意义。

1碳纤维材料

1.1何为碳纤维材料

碳纤维是一种含碳量在9 2% 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不仅是21 世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。碳纤维分为聚丙烯睛基、沥青基和粘胶基3种, 其中90 % 为聚丙烯睛基碳纤维。聚丙烯睛基碳纤维的生产过程主要包括原丝生产和原丝碳化两部分。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料, 广泛应用于航空航天领域体育休闲领域以及汽车制造、新型建材、信息产业等工业领域。 1.2碳纤维的特点

碳纤维是纤维状的碳材料, 由有机纤维原丝在1 000 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~ 2 g /cm3, 相当于钢密度的1 /

4、铝合金密度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775 cm, 高强度碳纤维则为1 500 cm; ( 6) 耐高温和低温性好, 在3 000 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;

( 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、抗辐射的特性

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。 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。它的弱点是对裂纹、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。 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。 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 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。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。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。

李军《碳纤维及其复合材料的研究应用进展》辽宁化工2010年9月第39卷第9期

3碳纤维及其复合材料的应用

3.1高新技术领域

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%。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。在法国电信一号通信卫星本体结构中，带有4 条环形加强筋的中心承力筒是由CFRP 制成的，它通过螺接连接在由CFRP 制成的仪器平台上。卫星的蒙皮是由T300 CFRP 制成。由于CFRP 的比模量高，在日本JERS-1 地球资源卫星壳体内部的500 mm 的推力筒、仪器支架、8 根支撑杆和分隔环都使用了M40JB CFRP，此外，卫星的外壳、一些仪器的安装板均采用了碳纤维/环氧蜂窝夹层结构。美国空军实验室1997 年在国家导弹防御系统试验项目( BMDO CEP) 支持下，成功设计并制造了以CFRP 为加强筋的AGS 整流罩，重量仅37 kg，同类型铝合金防护罩重97 kg，运用纤维缠绕技术实现了自动化生产，工艺周期缩短88%，比同类型蜂窝夹层结构制造复合材料整流罩减重40%，成本降低20%

图3 CEP 火箭有效载荷整流罩 Fig. 3 Payload fairing of CEP launch rocket 3.2民用领域

3.2.1碳纤维复合材料在体育器材上的应用

像撑竿、高尔夫球杆、网球拍、自行车、滑雪板、皮划艇等靠人力来使其运动的体育器材，人们希望其质量越轻越好; 即使是靠人力以外的其他动力来使其运动的器材，如赛车、帆船、摩托艇等，在相同的条件下也以质轻为好。碳纤维复合材料在此方面具有不可比拟的优势，其密度为1. 76 ～1. 80 g /cm3，所制复合材料密度为1. 50 ～1. 60 g /cm3，而钢材约为7. 87 g /cm

3、铝材2. 7 g /cm

3、钛材4. 5 g /cm3。显然，CFRP 要比金属材料轻得多。 3.2.1碳纤维在新能源领域的应用

叶片是风力发电装备的关键部件，它的质量(W)随叶片长度(L)的三次方增加( W=A L3)。当风机叶片质量增长到一定程度时，叶片质量的增加幅度大于风机能量输出的增加，那么叶片长度的增加则存在一个极值。风力发电机叶片的长度尺寸、刚性以及质量代表着风电机组的发电水平，常规的玻璃纤维增强材料制备叶片已难以满足叶片尺寸加大对刚性与质量的综合要。碳纤维复合材料优异的抗疲劳特性和良好的导电特性，可有效减弱恶劣环境对叶片材料的损害，避 免雷击对叶片造成的损伤求，在全球风机装机容量快速增长的今天，提高碳 纤维复合材料用量的长叶片大容量风机将成为主要趋势。 3.2.3碳纤维在工业领域的应用

铁道部规划在3 ～ 5 年内，时速为160km / h 的车辆将达到50% 以上，约1 万5千辆，每辆车需刹车片32 片，共需约48 万片。车辆提速之前，铁路客车和货车的最高设计时速分别为120km / h 和80km / h。由于车辆速度每提高一倍，其制动功率将增加8 倍，因此对提速车辆用制动材料提出了相当严格的技术要求。理论研究和实车运营状况表明，现有的常规制动材料，无论是摩擦系数和列 车运行平稳性，还是耐磨性、导热性、制动距离等均不能满足提速车辆的需要碳纤维复合材料刹车片是国际上仍在不断研究的新型制动材料，它具有强度高、弹性模量适中、耐热性好、重量轻、膨胀系数小、耐磨损等优点，而所有这些都是提速列车制动所必需的性能，因此开发这类新型材料已被发达国家重视德国铁路部门投巨资，由KnoorBremse公司研制了高速列车用碳纤维复合材料盘型制动器; 日本、法国开发研制的碳纤维复合材料刹车片已成功地应用于新干线和TGV 高速列车制动。面对国外碳纤维复合材料高技术的发展趋势和我国铁路对高性能制动片的迫切需求，研制开发高速列车用碳纤维复合材料刹车片不仅具有重要的现实意义，而且具有巨大的推广应用价值

4碳纤维产业的前景展望

自2004年随着碳纤维在汽车应用上的起步、飞机应用及风力发电等领域的扩大，碳纤维的需求快速增加，使全球碳纤维供应呈严重短缺现象，促使世界各国 碳纤维生产厂家纷纷加大资金投入、扩大产能，碳纤维的生产进入高速发展时期。由于全球对碳纤维需求的持续增长，预计未来碳纤维还将以超过10%年增长率 速度持续增长。目前世界碳纤维生产和技术主要集中在日本、美国等少数几个国家，其中日本占全球产能的50%以上，美国占全球产能的27.5%。尽管我国从20世纪60年代后期就开始PAN基碳纤维研究工作，且与国外开始的时间相差不远;但由于在原丝与碳化的关键技术及设备上一直未能取得突破，特别是PAN原丝技术停滞不前，因此与世界上碳纤维生产先进水平的国家相比，在数量和质量上差距越拉越大。尽管我国的碳纤维生产发展缓慢，但消费量却与 日俱增，市场需求旺盛。随着市场需求的增加，特别是国防、军工、航空航天、体育用品等方面需求的增长，每年从国外进口的碳纤维越来越多。这就要求我们必需加快研究、生产步伐，抓住发展机遇，尽快实现和提高我国碳纤维国产化生产水平。

第二篇：碳纤维增强树脂基复合材料性能的研究

摘 要：碳纤维增强树脂基复合材料以其优异的综合性能成为当今世界材料学科研究的 重点。本文介绍了的碳纤维增强复合材料的性能，简述了增强机理、成型工艺及其应用领 域和发展趋势。

新材料的研究、发展与应用一直是当代高新技术 的重要内容之一。其中复合材料，特别是先进复合材料 在新材料技术领域占有重要的地位，对促进世界各国 军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的 作用，因此近年来倍受重视。

复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。【1】

碳纤维增强复合材料(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， ，而这些优 异的性能可使碳纤维成为一种十分良好的增强材 料。目前，碳纤维大部分应用于碳纤维增强树脂基 复 合 材 料 ( Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite，简称CFRP)。是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。因为环氧树脂的热机械 性能、抗蠕变性能、粘接性能优异而且吸湿性好; 固化收缩率和线膨胀系数小;固化温度较低;较高 温度下稳定性好;尺寸稳定性、综合性能好[2];而 且又与有机材料的浸润性能好等优点，所以近年来 应用最多的就是碳纤维增强环氧树脂复合材料。目 前为止，CFRP 可以应用于航空、航天，体育用品， 交通工具，建筑材料等多个领域。无论是军用还 是民用，随着研究的不断深入和工厂的大规模生产， 其应用领域更为广阔。

碳纤维增强树脂基复合材料的性能【10】

碳纤维增强树脂基复合材料具有一系列的优异性能, 主要表现在以下几个方面。

(1)具有高的比强度和比模量。CFRP的密度仅为 钢材的 1/5，钛合金的 1/3，比铝合金和玻璃钢(GFRP) 还轻，使其比强度(强度 / 密度)是高强度钢、超硬铝、 钛合金的4倍左右，玻璃钢的2倍左右;比模量(模量/ 密度)是它们的3倍以上。CFRP轻而刚、刚而强的特性 是其广泛用于宇航结构材料最基本的性能。

(2)耐疲劳。在静态下，CFRP 循环 105 次、承受 90%的极限强度应力时才被破坏，而钢材只能承受极 限强度的 50%左右。对于碳纤维增强树脂基复合材 料，在应力作用下呈现粘弹性材料的疲劳特性，显示出 耐疲劳特性。CFRP呈现出良好的抗蠕变性能，这可能 与碳纤维的刚性有关。

(3)热膨胀系数小。碳纤维的热膨胀系数α具有 显著的各向异性，使其复合材料的α也具有各向异 性。

(4)耐磨擦，抗磨损。CFRP 有优良的耐疲劳特 性、热膨胀系数小和热导率高的特性，具耐磨擦、抗磨 损的基本性能。再加之碳纤维具有乱层石墨结构，自 润滑性好，适用于摩擦磨损材料。比磨耗量可用以下 三式表示。

Wr=KLª

a=(b+2)/ 3

N=(So /S )/ b

式中Wr 为比磨耗量; K为比例常数; S为循环作 用的应力; So 为材料的拉伸强度; N为断裂时的循环次 数。 CFRP具有高的拉伸强度，是优良的摩擦材料。

(5)耐蚀性。碳纤维的耐蚀性非常优异，在酸、碱、 盐和溶剂中长期浸泡不会溶胀变质。CFRP 的耐蚀性 主要取决于基体树脂。长期在酸、碱、盐和有机溶剂环 境中，刻蚀、溶胀等使其变性、腐蚀，导致复合材料性能 下降。

(6)耐水性好。碳纤维复合材料的耐水性好，可长 期在潮湿环境和水中使用。一般沿纤维方向(0° )的强度 保持率较高，垂直于纤维方向(90º)的保持率较低。这可 能与基体树脂的吸湿、溶胀有关。

(7)导电性好。碳纤维具有导电性能。对于 CFRP 导电性能来自碳纤维，基体树脂是绝缘体。因此，CFRP 的导电性能也具有各向异性。

(8)射线透过性。CFRP对 X射线透过率大，吸收 率小，可在医疗器材(如 X光机)方面应用。

2 增强机理 碳纤维增强树脂基复合材料是以聚合物为基体 (连续相)，纤维为增强材料(分散相)组成的复合材料。 纤维材料的强度和模量一般比基体材料高得多，使它 成为主要的承载体。但是必须有一种粘接性能好的基 体材料把纤维牢固地粘接起来。同时，基体材料又能起到使外加载荷均匀分布，并传递给纤维的作用【11】。

这种复合材料的特点是，在应力作用下，使纤维的 应变与基体树脂的应变归于相等，但由于基体树脂的 弹性模量比纤维小得多，且易塑性屈服，因而当纤维和 基体处在相同应变时，纤维中的应力要比基体中的应 力大得多，致使一些有裂口的纤维先断头，然而由于断 头部分受到粘着它的基体的塑性流动的阻碍，断纤维 在稍离断头的未断部分仍然与其周围未断纤维一样承 担相同的负荷。复合增强的另一原因是基体抑制裂纹 的效应，柔软基体依靠切变作用使裂纹不沿垂直方向 发展而发生偏斜，导致断裂能有很大一部分用于抵抗 基体对纤维的粘着力，从而使银纹在 CFRP 整个体积 内得到一致，而使抵抗裂纹产生、生长、断裂以及裂纹 传播的能力都大为提高。因此，CFRP的力学性能得到 很大的改善和提高【12】。

1 实验部分

1.1 实验原料

碳纤维(12K/T-300)：台湾台塑厂;环氧树脂 E51：星辰化工无锡树脂厂;固化剂：二乙烯三胺 (DETA)分析纯，国药集团化学试剂有限公司;活 性稀释剂：市售。

1.2 实验仪器及设备 电子天平：H10KS，上海仪器总厂;电热恒温 鼓风干燥箱：DHG-9030 型，上海精密实验设备有 限公司;搅拌器：DF-1 型，荣华仪器制造有限公 司;模具：自制。

1.3 复合材料的制备

(1)将碳纤维干燥，条件为：150 ℃/2 h; (2)按规定配比配制树脂胶液;

(3)采用手糊成型工艺制作层合板，并固化， 固化条件为 100 ℃/3 h + 150 ℃/2 h;

(4)用万能制样机切割标准样条;

其中制作的层合板长宽为 200 mm×200 mm， 厚度为 5 mm 的方形板材，基体树脂每层用量为 20 g，碳纤维每层平铺，一共为 8 层，层与层之间的碳 纤维丝束成十字交叉排列。

试验结果与讨论

2. 1 碳纤维含量对硬度的影响 显微硬度试验结果示于图 1。可以看出, 随着 碳纤维含量的增加, 试样的硬度呈现 S 形增加趋 势, 增加幅度由小到大又由大到小。碳纤维是脆性 材料, 具有高的强度和比模量, 所以加入碳纤维能提 高试样的硬度[ 5] 。基体是树脂材料, 其硬度较低, 当 碳纤维含量较低时, 由于在基体中较分散, 所以对显 微硬度的贡献较小; 当碳纤维含量> 10%, 碳纤维的 作用变的非常明显, 所以硬度有较大幅度的增加; 但 是, 当碳纤维含量> 25% , 碳纤维的增强作用逐渐达 到饱和, 硬度的增加速度开始下降。总之, 碳纤维的 加入对硬度的提高非常明显。

图y为不同碳纤维含量样品的电导率。从中可 以看出, 当碳纤维含量< 10%时, 电阻随纤维含量的 增加急剧下降; 当碳纤维含量> 10%时, 体积电阻的 变化趋于平缓, 电阻值的下降与碳纤维含量的增加 并不成正比, 有一个渗滤阀值, 这个渗滤阀值约为 15% 。这表明, 碳纤维/ 酚醛树脂复合体系在碳纤维 含量为 15%以上, 试样具有一定的导电性能[ 6] 。

上述结果可用以下理论解释, 当复合体系中导 电填料的含量在达到一个临界值前, 其电阻率急剧 下降, 在电阻率导电填料含量曲线上出现一个狭窄 的突变区域。在此区域内, 导电填料含量的任何细 微变化均会导致电阻率的显著改变, 这种现象通常 称为渗滤现象, 导电填料的临界含量称为渗滤阀值。 在突变区域之后, 即使导电填料含量继续提高, 复合 材料的电阻率变化甚小, 这反映在突变点附近导电 填料的分布开始形成导电通路网络。导电高分子材 料的导电现象是由导电填料的直接接触和填料间隙 之间的隧道效应的综合作用产生的; 或者说是由导 电通道、隧道效应和场致发射三种导电机理竞相作 用的结果。在低导电填料含量及低外加电压下, 导 电粒子间距较大, 形成链状导电通道的几率极小, 这 时隧道效应起主要作用; 在低导电填料含量和高外 加电压时, 场致发射理论变得显著; 在高导电填料含 量下, 导电粒子的间距小, 形成链状导电通道几率较 大, 这时导电通道机理的作用明显增大[ 7] 。

碳纤维含量对耐磨性的影响

试样磨损完毕后, 每个试样磨损前、后的质量磨 损量与碳纤维含量的关系如图 3 所示。从图 3 可以 看出, 随着碳纤维含量的增加, 复合材料的磨损率下 降、耐磨性能提高, 且提高程度随着碳纤维含量的增加而减小, 最后趋于不变。

综上所述，碳纤维增强树脂基复合材料品种结构 变化繁多，加工成型技术不断更新，基础理论研究方兴 未艾，应用领域相当广泛，这些事实充分证明了这一材料在工程塑料中的领先地位。随着基础研究和应用研 究的不断深入，该材料在取代金属、节约能源、特殊专 用等方面将发挥独特的作用，其巨大的潜力必将得到 进一步挖掘。

总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面: 4.1 航空航天领域的应用[13] 碳纤维复合材料与钢材相比其质量减轻 75%，而 强度却提高 4 倍，其最早最成熟的应用当属在航空航 天领域，如军用飞机、无人战斗机及导弹、火箭、人造卫 星等。早在 1970 年代初期，美国军用 F-14 战斗机就部 分采用碳纤维复合材料作为主承力结构。在民用航空 领域，如波音 767 和空中客车 A310 中，碳纤维复合材 料也占到了结构质量的 3%和 5%左右。近几年随着碳 纤维工业技术和航空航天事业的不断发展，碳纤维在 这一领域的应用更加广泛，如用于制造人造卫星支架、 卫星天线、航天飞机的机翼、火箭的喷焰口、战略导弹 的末级助推器、机器人的外壳等。

4.2 体育休闲领域的应用 体育休闲用品是碳纤维复合材料应用的另一个重 要领域，如高尔夫球杆、滑雪板、滑雪车、网球拍、钓鱼 竿等。用碳纤维复合材料制成的球拍与传统的铝合金 球拍相比，其质量更轻、手感和硬度更好、对震荡和振 动的吸收也更好，且使用寿命大大延长。同时由于复合 材料本身的可设计性，使得制造商在球拍的硬度、弹 性、球感、击球性能的设计上，有了更大的想象空间。而 碳纤维钓鱼竿由于其良好的韧性与耐用性，更是被广 泛青睐。近年来，碳纤维复合材料在运动及休闲型自行 车零组件方面的应用也非常广泛。

4.3 交通运输领域 碳纤维增强复合材料在交通运输方面主要是汽车 骨架、螺旋桨芯轴、轮毂、缓冲器、弹簧片、引擎零件、船 舶的增强材料等，尤其在汽车方面的应用更是潜力巨 大。早在 1979 年，福特汽车公司就在实验车上作了试 验，将其车身、框架等 160 个部件用碳纤维复合材料制 造，结果整车减重 33%，汽油的利用率提高了 44%，同 时大大降低了振动和噪音。

4.5 其他工业领域 防弹产品方面，包括防弹头盔、防弹服、防弹运钞 车和防弹汽车等;电子工业方面，包括各种反射面天 线、印刷电路板、壳架等;生物工程和人体医学方面， 包括人造关节、骨骼、CT扫瞄床板等;地铁车辆、发热 材料和电热用品以及机械制造工业等复合材料产品 多种多样，层出不穷，充分体现了其应用多元化的趋 势和特点。

【1】360百科

[2] 张金祥.新型 BMI/环氧树脂共固化体系的研究[D]. 大连：大连理 工大学，2011.

10张晓虎,孟宇,张炜.碳纤维增强复合材料技术发展现状及趋 势.纤维复合材料,2004,30(1):50～58.

11 王汝敏,郑水蓉,郑亚萍.聚合物基复合材料及工艺.北京:科学 出版社,2004.

12彭树文.碳纤维增强尼龙66的研究.工程塑料应用 13 苏小萍.碳纤维增强复合材料的应用现状.高科技纤维与应 用, 2004,29(5):34～36.

第三篇：碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

林德春

潘

鼎

高

健

陈尚开

(上海市复合材料学会)

(东华大学)

(连云港鹰游纺机集团公司)

碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在 90%以上。具有十分优异的力学性能，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。

可以明显看出，在航空航天领域碳纤维的用量有大幅度增加，2006年比2001年增长约40%，2008年增长约76%，2010年和2001年相比增长超过100%。

本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在航空航天领域应用的新进展。

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。

(1)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。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材。

美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料：F-22的结构重量系数为27.8%，先进复合材料的用量已达到25%以上， 军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人驾驶的“星舟”轻型机，结构质量约1800kg，其中复合材料用量超过1200kg。1986年美生产的“旅行者”号轻型飞机，其90%以上的结构采用了碳纤维复合材料，创下了不着陆连续九天进行环球飞行的世界记录。Boeing公司用GF / PPS制造海军巡航导弹的壳体，Du Pont公司用GF、KF / PA、PPS，制造军机的零部件。

由于碳纤维增强复合材料不但是轻质高强的结构材料，还具有隐身的重要功能，如

CF/PEEK 或 CF/PPS具有极好的宽峰吸收性能，能有效地吸收雷达波。美国已用来制造最新 型的隐形轰炸机。 美国的P-22 超音速飞机的主要结构就是采用了中等模量的碳纤维增强的特种工程塑料。幻影III战斗机的减速降落伞盖和弹射的弹射装置也由这种材料制成。已成功地用于飞机的肋条、蒙皮及一些连接件、紧固件等雷达波的吸收件。战斧式巡航导弹壳体、B-2隐型轰炸机的机身基材，F117A隐型飞机的局部也都采用了碳纤维改性的高分子吸波材料。

英国ICI公司用GF/PA生产战斗机上的阀门，使飞机阀门在很宽的温度范围内与燃料长 期接触也能保持其性能和形状的稳定;其它国家的飞机F/A-

18、 RAH-6

6、A330 / A340、 B7

7、Y-22上面也都采用了这种材质来制造机翼、蒙皮、主承力结构、中央冀盒、地板、尾 冀、设备箱体及结构件。

大量采用碳纤维复合材料为部件的中国新型号的军机“飞豹”飞机总长约22.3米，翼展约12.7米，最大起飞重量28.4吨，最大外挂重量约6.5吨，最大M数1.70，转场航程约3600公里。该机的攻击威力已超过“美洲虎”、“旋风”、苏-24等飞机，具备了第三代战斗机的特点。

(2)民品

在民用领域，555座的世界最大飞机A380由于CFRP的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。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), 3%为首次用于民用飞机的GLARE纤维-金属板(铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构) 。这些部件包括：减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、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%，成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。

航天领域新进展

(1) 火箭、导弹

以高性能碳(石墨)纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、 功能或结构/功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。 碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上，碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料，在美国侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用，美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料，如美国三叉戟-2 导弹、战斧式巡航导弹、大力神一 4 火箭、法国的阿里安一 2火箭改型、日本的 M-5火箭等发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为 5.3GPa 的IM-7 碳纤维，性能最高的是东丽 T-800 纤维，抗拉强度 5.65Gpa、杨氏模量 300GPa。

我国各类战略和战术导弹上也大量采用碳纤维复合材料作为发动机喷管、 整流罩防热材料。我国九十年代后期开展了纤维增强复合材料材料壳体的研究，进行了 T300 CFRP 固体火箭发动机壳体的基础试验、壳体结构强度试验、点火试车等全程考核;完成了 12K T700 CFRP壳体结构强度试验，开展了 T800 碳纤维 CFRP多种壳体的预研实验。

(2)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℃。

从 1996 年 11 月 20 日的“神州一号”升空开始到“神州六号”上天，中国在八年多的时间里六次飞天。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。 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。

第四篇：碳纤维复合材料的应用及其在电线电缆中的发展建议

一、碳纤维复合材料的发展和战略地位

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。

二、碳纤维复合材料的性能和用途

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。

3、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：

(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。

三、碳纤维复合材料在电线电缆中的应用

碳纤维以其固有的特性赋予了其复合材料优异的性能，它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、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，从而为其在电线电缆行业中的应用提供了可能和必然。

(一)碳纤维加热电缆的开发和应用

人们早就知道，以金属材料为发热体的电加热技术已在各个领域得到了广泛的应用。但是金属丝在高温状态下表面易氧化，由于氧化层不断的增厚，造成了有效通过电流的面积减小，增大了电流的负荷，因此易烧断。在相同的允许的电流负荷面积下，金属丝的强度比碳纤维低6-10倍，在使用过程中易折断。

碳纤维是一种石墨的六方晶格层状结构组成，是一种全黑体材料，因此在电热应用中，表现出来的电热转换效率高。在特定的条件下，高温不氧化，单位面积的电流的负荷强度和机械强度不发生改变。

目前碳纤维加热电缆的应用如下：

低温辐射发热电缆地板采暖系统。

恒温育雏箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保温采暖。

道路化雪、机场跑道化雪：用于混凝土结构中楼面加热的理想产品，也可以用在融雪装置中，对屋面雨水和排水管进行防霜，还可以用于土壤加热。

管道、罐体保温防冻：电伴热产品近几年在中国得到了大力的推广和广泛的应用。其应用领域主要集中在石油、化工、电力、铁路和民用或商业建筑等。随着中国电力工业的发展，以清洁、无二次污染的电能为主要能源的电伴热产品市场前景非常广阔，同时，也为电伴热产品的性能提出了更高的要求。

足球场草坪、公共绿地土壤保温：太阳能热水器电能补充加热器，主要用于在长期阴雨天或寒冬季节，因光照不足而导致太阳能热水器水温不能满足生活、工程需要时，为补充热能而设计的。它具有较强的耐酷暑、严寒和高温潮湿环境的性能，并具有防干烧的功能。即使偶尔水箱缺水误通电，也不至于烧坏电加热器和水箱，故能确保安全使用。

(二)碳纤维复合芯导线的开发和应用

我国是个缺电的国家，不仅发电业的发展滞后，输电业的弊端也凸现出来，输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求，由于过负荷造成的停电、断电故障频频发生，电力传输成为电力工业发展的“瓶颈”，各国均在研究新型架空输电路用导线，以取代传统的钢芯铝绞线，碳纤维复合芯导线由此应运而生。 与钢芯铝绞线相比，碳纤维复合芯导线具有以下优点：

1、和同样直径的ACSR电缆相比，可以提供双倍的载流容量。 2、有效解决电缆下垂问题。

3、可以在更高的温度下工作，最高可达200摄氏度。 4、线芯可以抗腐蚀，而且没有双金属间腐蚀问题。

5、因为可以提供更高的载流容量，所以同时也有效的降低了工程成本。 6、与相同直径传统电缆相比可以多容纳28%的导体。

7、高强度线芯可以有效减少电缆架的数量，或降低电缆架的高度。 8、有效减少电缆下垂，使地面生物更加安全 。

除了上述提及的优点外，还可减少传输中电力的损耗，减少20%的塔杆，节省用地，减少有色金属资源消耗，有助于构造安全、环保、高效节约型输电网络。

目前世界上只有美国和日本开发出这种新型导线，他们还达成默契：不向第三国输出，日本一家碳纤维导线企业的产量就占到世界40%左右。

目前我国电线电缆研究所、电力建筑研究院以及国家电网有限公司都已经开始了对ACCC导线的试验研究工作。国内电缆厂家也加大与外方合作，将这种新型电缆引进到中国生产，积极推动我国架空输电线路的技术革命。最近福建电网已经将该新型导线架设运行。

(三)在高低温、腐蚀等苛刻环境应用的可能

碳纤维细如蛛丝，三型碳纤维比强度是钢的62倍以上，成形工艺性好，是一代新型工程材料，其弹性量高，抗变性能力比钢大2倍多，抗拉强度30～40t/cm2pa,而比重还不到钢的四分之一，是铝合金的二分之一，高弹模量比钢铁大16倍，比铝合金大12倍。且碳纤维比钢等柔软。因此，碳纤维可用于要求能承重、不易损伤内部元件的电缆的加强芯，如海底光缆等。 碳纤维可以耐-180℃的低温，在此条件下，许多材料都变的很脆，连坚固的钢铁也变的比玻璃还容易碎，而碳纤维在此条件下依旧很柔软。因此，碳纤维复合芯可用于极寒(如南极考察研究等)条件下输电载体的设计和制造。

碳纤维又可以耐3000℃～3500℃的高温，在此高温下最好的耐热钢也变成钢水，但在没有氧气的情况下，碳纤维没有变化。碳纤维即使从3000℃的高温快速冷却到室温也不会炸裂，因而可在急冷急热的环境中工作。这为钢铁、冶金、锅炉等行业中高温特高温场合电缆的设计提供了可能。此外，碳纤维纱、碳纤维绳、碳纤维布都可用于消防电缆产品的设计选用。

碳纤维有超强的耐腐蚀性。金属中耐腐蚀性最强的是黄金和铂，在一份硝酸(浓度70%)和三份硫酸(浓度39%)配成的称“王水”的溶液中黄金、铂会被腐蚀的千疮百孔，而“王水”中的碳纤维却安然无恙。为各种化学环境下轻型耐化学腐蚀电缆的设计提供了新的思路。

四、发展建议

碳纤维材料的产业化是实现碳纤维导线在国内输电行业的产业化的前提和保证。碳纤维材料价格则是制约产业化应用的关键。

我国从八十年代初期开始起步，加大了对碳纤维材料的研究和开发力度，并也着力于碳纤维材料产业化基地的建设，但由于国外设备、技术封锁，至今未见重大突破，产品质量不稳定性，预计今后每年至少一万吨的缺口。

2000年前碳纤维材料的价格水平为5万美圆/吨左右，比铝的价格要高20倍多。但是近两年，由于国际政治形势和军事格局的变化，碳纤维材料价格受其影响，大幅度上升。这无疑都将对我国现代化的建设成本形成巨大的压力和负担。最近，我国福建电网从美国复合材料工程公司(CTC)购置了60公里ACCC导线(铝导体复合芯架空导线)应用在福建省厦门和福州电网中，其价格水平为15万元人民币/公里。这比我们一直使用的钢芯铝绞线的价格要高几倍。

各科研院所应进一步加大碳纤维材料的基础应用研究和开发，建立我国自主知识产权，实现碳纤维材料的质量稳定，降低成本。同时要采用国家投入和民间投入相结合的方式，加大碳纤维在航天和军工以外的民品应用，有助于碳纤维产业的健康持续发展。

最近，我国国内碳纤维产业发展面临重大机遇。辽宁圣华科技有限公司落户抚顺经济开发区后，可以把现有抚顺部分企业培育成碳纤维及复合材料的龙头企业，发挥其带动和辐射功能，把抚顺建设成为全国碳纤维研发基地和产业基地。

目前我国电线电缆研究所、电力建筑研究院以及国家电网有限公司都已经开始了对ACCC导线的试验研究工作。 希望国内同行积极研究和开发，为加快碳纤维复合材料在我国线缆行业应用和产业化发展共同努力。

第五篇：碳纤维增强复合材料在汽车上的应用终结版综述

碳纤维增强复合材料在汽车中的应用

摘要

随着汽车工业的飞速发展，减少燃料消耗和降低对环境的污染已成为汽车工业发展和社会可持续发展急需解决的关键问题。汽车的燃料消耗和二氧化碳废气的排放量与汽车重量存在密切的关系，寻找较轻且性能良好的材料代替钢制汽车零件成为一个重要的研究方向。碳纤维增强复合材料具有强度高、重量轻、耐高温、耐腐蚀、热力学性能优良等特点，碳纤维增强复合材料用于制造汽车车身、发动机零件等，可有效降低汽车自重并提高汽车性能，是当前汽车材料轻量化的重要研究发展方向之一。本文介绍了碳纤维增强复合材料的特点、成型工艺及在汽车行业的应用情况，以及碳纤维增强复合材料在汽车应用中存在的问题。

关键词：碳纤维 增强 汽车 应用

1 前言

现在社会汽车已成为人民出行必不可少的交通工具，在汽车给人类带来方便的同时也给环境带来了污染，汽车的燃料消耗和二氧化碳废气的排放量与汽车重量存在密切的关系，美国能源部相关研究表明，美国现有的汽车，如减重25%，每天可节省750,000桶燃油，每年二氧化碳的排放量可减少1.01亿吨，因此汽车轻量化已成为汽车工业技术发展的重要方向。除了对汽车各种零部件结构进行优化设计和改进外，采用高性能轻质材料是实现汽车轻量化的一条重要途径。如选用铝、镁、钛、高强度钢、工程塑料和复合材料等，用以制造汽车车身、底盘、发动机等零部件，可以有效的减轻汽车自重，提高发动机效率。

碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料，是目前最先进的复合材料之一。它以其质量轻、强度高 、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腐蚀材料，是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。纤维增强复合材料具有高强度、高模量，已在航天航空等领域广泛使用，是制造卫星、导弹、飞机的重要结构零部件的关键结构材料，同时也受到汽车工业广泛重视，碳纤维增强复合材料在汽车方面主要是汽车骨架、缓冲器、弹簧片、引擎零件等，早在1979年，福特汽车公司就在实验车上作了试验，将其车身、框架等160个部件用碳纤维复合材料制造，结果整车减重33%，汽油的利用率提高了44%，同时大大降低了振动和噪音。

碳纤维具有比重小、强度高、模量高、耐腐蚀等特点，可用于制造碳纤维增强聚合物、金属、陶瓷基复合材料，是先进复合材料最重要的增强体。碳纤维增强复合材料用于制造汽车车身、发动机零件等，可有效降低汽车自重并提高汽车性能。本文将简述碳纤维增强复合材料的性能特点，及其在汽车工业应用的前景和存在的问题。由于碳纤维增强复合材料的价格昂贵，严重影响其在汽车工业中的应用。因此，发展廉价的碳纤维和高效率碳纤维增强复合材料的生产方法和工艺已成为汽车轻量化材料研究中的关键课题，美国、日本等已将其列为汽车轻量化材料的研究计划。

2 碳纤维增强复合材料的特性

碳纤维增强复合材料以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。 复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。

碳纤维增强复合材料的成型加工技术包括碳纤维的坯体制造、碳基体的制造和基体与纤维的复合。首先，将碳纤维或碳纤维织物制成坯体，根据原料形式不同分为：长纤维缠绕法;碳毡短纤维模压或喷射成型;石墨布叠层。目前，其坯体研制以三向织物为主，三向织物以X、Y、Z方向互成90度正交排列，各方向的碳纤维在织物中保持准直，因此能较好的发挥纤维的力学性能。其次，制作复合材料的基体。碳-碳复合材料的基体有树脂碳和热解碳两种，树脂碳是由合成树脂或沥青经碳化和石墨化获得，热解碳是由烃类气体的气相沉积获得。最后，把坯体与基体复合成型。

碳纤维增强复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。

(1)具有很高的强度和弹性模量(刚性)。它的比重一般为1.70～1.80g/cm3，密度低(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2200oC时可保留室温强度，强度为1200～7000MPa，;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。

(2)热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异

(3)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。

3 碳纤维增强复合材料在汽车行业的应用情况

碳纤维增强复合材料具有高强度、高模量，已在航天航空等领域广泛使用，是制造卫星、导弹、飞机的重要结构零部件的关键结构材料。由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，它也是适用于制造汽车主结构――车身、底盘最轻的材料，受到汽车工业广泛重视。主要的应用有：发动机系统中的推杆、连杆、摇杆、水泵叶轮，传动系统中的传动轴、离合器片、加速装置及其罩等，底盘系统中的悬置件、弹簧片、框架、散热器等，车体上的车顶内外衬、地板、侧门等。自从1953年第一辆全复合材料车身的汽车问世以来，复合材料在汽车上的应用不断增多。如今在汽车车身、尾翼、汽车底盘，发动机罩、汽车内饰等各个地方我们都能够发现碳纤维复合材料的身影。

碳纤维增强复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重量40～60%，相当于钢结构重量的1/3～1/6。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，结果表明碳纤维增强聚合物材料车身重172kg，而钢制车身重量为368kg，减重约50%。但由于碳纤维成本过高，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用有限，仅在一些F1赛车、高级轿车、小批量车型上有所应用，如BMW公司的Z-22的车身，福特公司的GT40车身、保时捷GT3承载式车身等，碳纤维增强复合材料以其优异的性能取得了飞速发展并且在社会各领域得到了越来越广泛的应用.增强纤维作为纤维增强复合材料的一个重要组分,其性能如何将直接影响着复合材料的应用层次,而且高性能增强纤维作为高竞争性、高赢利性品种一直是世界各大生产商乐于巨额投资的研发项目品种,它的发展及其在先进复合材料中的适应程度在目前乃至将来都有许多值得探索的地方.在先进复合材料中, 碳纤维增强复合材料是目前最常应用的高性能增强纤维之一，碳纤维复合材料具有足够的强度和刚度以及优良的综合性能，它的应用将可大幅度降低汽车自重达40～60%，对汽车轻量化具有十分重要的意义，已成为汽车轻量化材料的重要发展方向。为提高碳纤维增强复合材料的用量，美国、欧洲、日本等通过加紧研究廉价碳纤维的原丝(高品级聚丙烯晴丝)和碳纤维的低成本、高速率的生产工艺，使碳纤维的价格降低到约3美元/磅。目前碳纤维增强复合材料已用于赛车、重卡、混合动力车的各种零部件的生产。

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，抗拉强度却达到钢的7-9倍，以其制造的汽车可以节约燃油30%。碳纤维最初只应用于军事、航空航天等高科技领域，随着近年来碳纤维行业的逐步发展，才慢慢向汽车以及其他民用领域扩展。

1992年通用汽车公司介绍了超轻概念车(Ultralite Concept Car)，该车的车身采用碳纤维复合材料，由手铺碳纤维预浸料工艺制造，整体车身的质量为191kg。用碳纤维取代钢材制造车身和底盘构件，可减轻质量 68%，从而节约汽油消耗40%。

丰田设计的“1/X”混合动力车，由于车身骨架采用碳纤维材料，创造出百公里耗油仅2.7升的超低燃耗记录。此外，三菱EVO X极致轻量化的车身改造，均缘于大量碳纤维套件的使用，如牌照框、导风罩、散热孔罩等构件均采用碳纤维材料。

卓尔泰克(Zoltek)，是美国碳纤维领先制造商，已成立一个新的子公司，称为 Zoltek Automotive(卓尔泰克汽车公司)，加快对轻质碳纤维在汽车业大幅应用的领域。这个新子公司将由两位在汽车复合材料应用方面德高望重的专家领导，并有超过12名来自卓尔泰克已有业务中的工程技术人员及其面向全球的销售人员加盟。

卓尔泰克公司董事长兼首席执行官Zsolt Rumy表示：“我们一直把汽车行业看作是我们的低成本、高性能碳纤维的最大的一个潜在市场。虽然我们已积极开发车用碳纤维很多年了，Zoltek Automotive的成立则是我们将产品开发与潜在市场需求更紧密联系的一个新的开始。我们将通过Zoltek Automotive的专业技术，开发新的生产方式，帮汽车行业客户制造性价比更高的碳纤维加工产品，使碳纤维技术的应用和流程更简易高效。”

日本帝人集团的总裁，也同样对进军碳纤维市场充满信心，认为通过未来几年在车辆中使用碳纤维增强塑料(CFRP)，能够帮助电动汽车车身减重一半以上。

碳纤维复合材料具有比金属材料更高的刚性和抗冲击性能，还具有极佳的能量吸收能力，进一步保证了碳纤维复合材料汽车的安全性。据介绍，碳纤维复合材料的能量吸收能力比金属材料高4-5倍左右。数年来，F1车队一直采用碳纤维复合材料制造其赛车的碰撞缓冲构件，从而显着减少了这顶级汽车运动项目中的重伤事故。

4 碳纤维增强复合材料在汽车中的应用存在的问题

虽然碳纤维增强复合材料具有高强度、高模量、比重小、耐腐蚀且具有较高的强度和硬度，但碳纤维增强复合材料的价格昂贵，大批量、高效率生产汽车零部件的工艺方法仍需要进一步发展、完善，严重影响其在汽车工业中的应用。除了价格因素之外，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用还存着在一些问题需要解决。存在的问题如下：

1. 成本问题。碳纤维增强复合材料所用的纤维和基体材料价格高，是该材料在汽车工业广泛使用最大的障碍。生产碳纤维的原丝――聚丙烯晴丝较贵，美国正在研究以纺织商品级的聚丙烯晴丝为原丝并能够快速生产廉价碳纤维的工艺，可望将碳纤维的价格降至3美元/磅。

2. 缺乏大批量、高生产效率的碳纤维复合材料汽车零部件的生产方法。

需研究能够生产多种形状和性能的汽车零部件工艺方法，由于汽车行业特点，要求工艺成本要低，生产率要高。研究发展高效、低成本的复合材料零件生产工艺意义重大。

3. 缺乏复合材料的快速、大批量连接技术。 4. 复合材料汽车零部件的回收再利用问题。

5. 碳纤维增强热固性树脂基复合材料的回收尚存在一定问题，有待解决。 6. 复合材料汽车零件的设计数据、试验方法、分析工具、碰撞模型等尚不完善。

结束语

碳纤维增强复合材料如此昂贵，还有发展空间吗?答案是肯定的。目前碳纤维增强复合材料在技术等各方面都取得了长足的进展，应用领域也在不断扩展，从以前主要集中在航空航天及代表科技前沿的军事领域，逐步拓展到工业应用领域，特别是近几年以来，碳纤维增强复合材料在土木工程、交通运输、纺织机械等方面的应用大幅增长，尤其在汽车上的应用大幅增加，据相关部门预测，世界碳纤维需求每年将以大约13%的速度飞速增长。谁先掌握先机的技术，研究出高效率，成本低的生产先进工艺就能占领整个市场，因此而获得巨大的经济效益。目前我们需要做的是研究高效、低成本的生产工艺，研究快速、大批量的链接技术，研究回收复合材料的回收再利用技术，完善复合材料汽车零件的设计数据、实验方法、分析工具、碰撞模型等，从这几个方面入手，碳纤维增强复合材料的成本会大大降低。

目前碳纤维材料在民用量产汽车，尤其是中档产品应用也十分广泛，很多厂商也已经开始提供碳纤维材料的小组件，如后视镜壳、内饰门板、门把手、排挡杆、赛车座椅、空气套件等，同时可以原装位安装到发动机舱的风箱、进气歧管等碳纤维改装件也是品种繁多。碳纤维材料在汽车领域的应用越来越多也越来越广泛，相信在不久的未来，汽车排放越来越“低碳”，而汽车本身则会越来越“高碳”。随着碳纤维行业的不断成熟与发展，以及节能减排和汽车轻量化大方向的指引，碳纤维材料或成汽车界“瘦身革命”的领导者。可以预见，碳纤维轻量车身必将掀起一股新的变革潮流，一个新的市场突破点正在形成。

国际上已将碳纤维复合材料在汽车中的应用列为汽车轻量化材料发展计划的关键内容，并取得了重大进展国际碳纤维市场发展迅速，需求量的不断增长也给中国碳纤维行业提供了难得的发展机遇。随着应用研究的进一步深入，未来碳纤维产品将趋向于高性能化，民用、工业用量将继续保持大幅增长趋势。受益于庞大的内需市场，碳纤维增强材料汽车零部件这一细分市场必将有巨大的增长空间。

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