试论碳纤维复合材料

　　摘 要：主要介绍了碳纤维复合材料的基本概述，并对它的一些结构性能、应用（主要在航空领域的应用）、发展，并分析了目前我国碳纤维复合材料的研究进展和应用前景。
　　关键词：碳纤维复合材料；碳纤维树脂基复合材料；碳/碳复合材料；结构性能；发展；航空领域。
　　1、碳纤维复合材料的性能及主要用途
　　由于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。
　　总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面
　　（1）航天领域
　　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%。
　　（a）碳纤维树脂基复合材料
　　碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有质量轻
　　等一系列突出的性能，在对重量、刚度、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具有很大优势。碳纤维增强树脂基复合材料已成为生产武器装备的
　　重要材料。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。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。
　　直升飞机上碳纤维增强树脂基复合材料的用量更是与日俱增。武装了驻港部队并参加了2007 年上海合作组织在俄罗斯反恐军演的直-9 型直升飞机，是我国先进的直升飞机。该机复合材料用量已占到60%左右，主要是CFRP。此外，日本生产的OH-1 “忍者”直升飞机，机身的40%是用CFRP，桨叶等也用CFRP 制造。
　　在民用领域，世界最大的飞机A380 由于CFRP 的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。这种飞机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）。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。
　　（b）碳/ 碳復合材料
　　碳/ 碳复合材料是以碳纤维及其制品（碳毡或碳布）作为增强材料的复合材料。因为它的组成元素只有一个（即碳元素），因而碳/碳复合材料具有许多碳和石墨材料的优点，如密度低（石墨的理论密度为2.3g/cm3）和优异的热性能，即高的热导率、低热膨胀系数，能承受极高的温度和极大的热加速率，有极强的抗热冲击，在高温和超高温环境下具有高强度、高模量和高化学惰性。凭借着轻质难熔的优良特性，碳纤维增强基体的（C/C）复合摩擦材料在航空航天工业中得到了广泛应用。航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料，都会选用碳碳复合材料。另外还大量用作高超音速飞机的刹车片，目前，国际上大多数军用和民用干线飞机采均用碳纤维增强基体的复合材料刹车副。这种刹车副不仅质量轻、抗热冲击性好、摩擦系数稳定、使用寿命长，更为方便的是可设计性强，性能便于调节。还可制作发热元件和机械紧固件、涡轮发动机叶片和内燃机活塞等。
　　2.我国碳纤维复合材料发展现状
　　现代的碳纤维是以聚丙烯腈、人造丝或木质素为原丝，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起高温分解并且碳化后得到的，还不能直接用碳或石墨来制取。
　　据了解，目前全球碳纤维产能约3.5万吨，我国市场年需求量6500吨左右，属于碳纤维消费大国。在以“高性能聚丙烯腈碳纤维制备的基础科学问题”为主题的第335次香山科学会议上，会议执行主席、国家自然科学基金委员会师绪院士指出，与国外技术相比，我国碳纤维领域还存在较大差距。2007年，我国碳纤维产能仅200吨左右，而且主要是低性能产品。由于缺少具有自主知识产权的技术支撑，目前国内企业尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。这就使得我国碳纤维在质量、技术和生产规模等方面均与国外存在很大差距，绝大部分高性能增强材料都长期依赖进口，价格非常昂贵。由于缺乏创新与集成和应用领域的拓展，极大地制约了我国碳纤维复合材料工业的发展。
　　基于我国高性能碳纤维复合材料产业尚不能满足国民经济快速、健康、持续发展的需求，国家发展改革委2008～2009 年组织实施高性能纤维复合材料高技术产业化专项，重点支持碳纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维及其高性能复合材料的生产技术及关键装备的产业化示范，以满足国民经济以及航空航天等高技术产业发展的需求，培育一批具有国际竞争力的龙头企业。这一举措将为我国从材料大国转变为材料强国奠定坚实的基础。今年5月，由鹰游纺机自主研发的碳纤维生产线和神鹰碳纤维项目通过国家级验收，标志着我国碳纤维生产已成功实现国产化和产业化。
　　参考文献
　　[1] 贺福.碳纤维及其应用技术[M].北京：化学工业出版社，2004.
　　[2] 益小苏.先进复合材料技术研究与发展[M].北京：国防工业出版社，2006.
　　[3] 胡保全，牛晋川.先进复合材料[M].北京：国防工业出版社，2006.
　　作者简介
　　郑泓宇（1996-），男，汉族，江西景德镇人，邵阳学院本科在读，邵阳学院，专业方向：材料成型及控制工程
　　申爱玲，指导老师，当前任职邵阳学院
　　（作者单位：邵阳学院）

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