碳纤维复合材料的实际应用

碳纤维是一种高性能的纤维材料，结构取决于原丝结构和碳化工艺，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，同时，碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、高比吸能（有效破坏长度内单位质量吸收的能量）等优异的综合力学性能，其质轻的特点，使其成为一种不可或缺的替代材料。在碳纤维复合材料应用领域中，对复合材料未来前景进行有效的展望是极其关键的。将碳纤维复合材料应用于汽车工业中，可以发现碳纤维复合材料的巨大应用价值；将碳纤维复合材料应用于航天航空之中，可以提高航天设备的质量；将碳纤维复合材料应用到高速动车组当中，还可以增强安全系数和质量保证，为我国的机械和材料事业的发展打下坚实的基础[1]

1碳纤维复合材料在航天航空领域的应用

高性能碳纤维复合材料具有高比模量，高比强度，耐高温，耐腐蚀，耐磨擦以及吸收波的性能优异，隔音，隔热，易成形易加工等特性，因此与航空领域契合程度极高，满足航空领域对材料的较高要求，所以在航空领域中制造的航空发动机，卫星和航空飞行器，导弹导流罩，运载火箭导流罩，精密支撑结构件等领域中，碳纤维复合材料得到了广泛的应用。除此之外在航空领域中的光学镜体也应用了碳纤维复合材料。

据统计，民航客机例如：空客A380，波音787以及中国的C919应用高性能碳纤维的质量所占比例已经达到了20%～30%。高性能碳纤维因具有质量轻，高比强度，高比刚度等特性，在机身轻量化研究中占有的优势地位[2] 。

航空航天领域所应用的主要碳纤维及其性能：

①聚丙烯腈基碳纤维的拉伸强度(>3000MPa)，密度(1.76～1.94g/cm3)，拉伸弹性模量(>207GPa)；

②沥青基碳纤维的拉伸强度(1600MPa)，密度(1.7g/cm3)，拉伸弹性模量(379GPa)；

③粘胶基碳纤维的拉伸强度(2100～2800MPa)，密度(2g/cm3)，拉伸弹性模量(441～552GPa)。

我国对于碳纤维复合材料的运用在航天领域发展得比较快，我国的航天器，比如火箭、卫星等使用周期短，碳纤维复合材料结构比重比较大，约占到20%，与国外的探究和运用水平达到了齐平的地步。我国对于碳纤维复合材料在航空航天领域的研究机构，主要以研究高校为主，比如，北航、南航、哈工大等，主要负责碳纤维复合材料研究应用的工作。产业化方面做得比较好的是中航复材。随着进一步发展，国家战略需求对这方面材料的不断增大，相关的民营企业也加入到碳纤维复合材料的探究和生产当中，其中有江苏桓神、四川新万兴等企业的加入，形成了激烈的市场竞争，相信碳纤维复合材料的研究和利用能够得到更好的发展 。

2碳纤维复合材料在汽车领域的应用

随着汽车的发展，车身尺寸不断增大、安全系数不断提高、配置越来越丰富、结构越来越复杂，又要保持合理的车重，选择合适的材料至关重要。可以说，轻量化材料的选择，真正体现了汽车品牌之间的研发核心技术差距。碳纤维复合材料的应用主要是为了能满足汽车刚性性能需求，又实现了汽车的轻量化。碳纤维不但能达到节能减排的全球性需求，也能解决消费者所关心的节能省油问题，因此碳纤维复合材料可以作为汽车的未来主流材料。

碳纤维增强复合材料是很理想的汽车覆盖件用非金属材料。它的高强度可以在保证汽车的防撞性能的同时，大大减轻车身质量。经过NIO全球测试证明，碳纤维后地板的使用让车身整体的扭转刚度更高，被动安全性能提高，整体耐久性也得到很大提升。遵循“合适的材料用到合适位置”的设计选择，碳纤维后地板嵌入到全铝车身中，比铝合金减重30%以上，与相同体积的高强度钢相比，质量仅是它的1/5 [3] 。

碳纤维复合材料“刚柔并济”，兼具碳材料和纤维的双重优良特性，具有耐腐蚀、耐高温、耐摩擦的特性，其高集成度性使得在零部件制造过程中可以减少零部件数量；由于可设计和造型自由的特性，可降低流线型曲面配件的制造成本；高效率的抗震、吸收冲击性能，可达到金属的5倍，因此可提高汽车发生交通碰撞事故车上人员安全性；在各项力学性能方面，与轻质金属合金材料相比（如高强度钢、铝合金、钛合金和镁合金），普通的碳纤维复合材料也远远优于它们。但是阻碍高端碳纤维复合材料发展的障碍是，目前其由于技术含量高、生产工艺极其复杂等原因，造成使用成本也水涨船高[4] 。

3碳纤维复合材料在体育休闲领域的应用

1972年，日本公司Olympic在展览会上，展示了用东丽碳纤维制造的鱼竿“Seiki”；同一年的太平洋高尔夫大师赛，Gay Brewers使用碳纤维球杆赢得冠军，这激发了市场购买与使用“高尔夫黑杆身(black shaft golf clubs)”的热情。世界碳纤维的发展初期，就与体育器材结下了不解之缘 [5] 。

3.1

碳纤维高尔夫球杆

高尔夫球杆要求球杆具有较高的冲击韧性，而环氧树脂基碳纤维满足这一优良性能。例如日本JNP研发的聚乙烯甲醛改良的环氧树脂基碳纤维已经成功应用于高尔夫球杆。

3.2

碳纤维竞赛自行车

碳纤维材料的自行车一般常用于竞赛中，碳纤维材料主要应用于自行车的骨架，前叉，轮组（碳刀车圈）等。由于自行车大部分使用碳纤维材料，所以其直接决定了自行车的整体性能。因碳纤维具有高比模量，高比强度等优良特征，所以使碳纤维自行车具有质量轻，强度高（屈服强度和抗拉强度）的优良性能。其次碳纤维的自行车具有很好的冲击韧性，吸收性能好，以此达到避震，减震的效果。最后碳纤维易成形，可被加工成各式各样的造型。

3.3

碳纤维网球拍

碳纤维材料的网球拍已经在各大比赛中常见的材料，因其质量轻，强度高，可机动性能优异，耐久性好而倍受网球运动员喜爱 [2] 。

4风能发电与叶片材料

中国的风能总储量估计为1.6×109千瓦，列世界第三位，有广阔的开发前景。到“十一五”期末，全国风能总装机容量将达到5GW，实际容量达到10GW～12GW，目标到2020年全国将达到20GW的风电装机容量。以千瓦造价8000人民币计算，我国未来十五年将有2400亿的风能市场；风电产业在我国进入新的大发展时期。叶片是风力发电机的核心部件，造价约占整个设备的1/4到1/3。每个叶片大约需要碳纤维1500～2000公斤，我国2020年3000万千瓦的风电规划的实现，需要大量的风机叶片，是碳纤维行业一个潜在的巨大市场 [6] 。

国际主要采用碳纤维制造风电叶片的企业是：VESTAS、GEMESASIEMENS、Nordex、Senvion、GE集团（去年并购了LM）。重要的碳纤维叶片制造商还有TPI（主要为VESTAS与Senvion提供叶片）和巴西的Tecsis（主要为GE提供叶片）。去年，TPI宣布：利用SENVION的RodPack（拉挤棒）技术为其生产叶片。我国主要的叶片制造商：洛阳双瑞科技、中材科技、重通叶片、明阳风电、中复连众、时代新材等均在积极推进碳纤维应用 [5] 。

小结

目前碳纤维复合材料的应用已从航天航空逐步拓展到人类社会的各个领域。适应市场需求，实施自主创新，对标式技术与产品研发向自主品牌创新过渡，围绕具有发展前景的大市场研发专用碳纤维技术，充分改良碳纤维的不足，提升碳纤维材料的性价比，提高复合材料的综合性能等，是国产碳纤维技术发展未来需要重点关注的问题[7]。