碳纤维及其复合材料的发展及应用_上官倩芡
碳纤维复合材料的研究及其应用前景
碳纤维复合材料的研究及其应用前景近年来，碳纤维复合材料（CFRP）以其轻量、高强、耐腐蚀等优良特性逐渐成为工业领域的热门材料之一，其广泛的应用涵盖航空、汽车、建筑等众多领域，成为工程设计的必备选择。
本文旨在介绍CFRP的研究情况以及其应用前景。
1.CFRP的研究历程CFRP的开始可以追溯到20世纪60年代，当时美国和欧洲的研究人员为提高航空航天的燃料效率，开始研究一种轻质、高强度的材料。
此后，CFRP不断被改良和拓展，各大工业领域纷纷尝试使用。
CFRP是由碳纤维和树脂组成的一种复合材料。
其中，碳纤维是一种高强度、高模量的材料，具有纤维方向上的优异力学性能，而树脂则为其提供了耐久性和成型特性。
CFRP的成品不仅具有高强度、高刚度、轻质等优良特点，而且可以依据应用的具体需求进行各种形状的加工和制造。
2.应用前景（1）航空航天领域在航空领域，CFRP被广泛应用于飞机、导弹和卫星等组件的制造。
相比传统金属材料，CFRP能够降低构件的重量和阻力，提高飞行性能，达到环保和节能的效果。
其中，波音787客机就采用了50%的CFRP材料，使得飞机的油耗显著降低，从而带来了较大的经济效益。
（2）汽车制造在汽车领域，CFRP被广泛用于轻量化设计，即通过将材料本身的重量减轻来提高汽车的油耗和性能。
例如，宝马公司推出了i3和i8两款车型，其中大量采用了CFRP材料，其车身重量仅有传统汽车的1/3，从而提高了燃料利用率、动力性能和行驶舒适度。
（3）建筑领域在建筑领域，CFRP广泛应用于桥梁和构造物的加固和修复。
由于CFRP具有超强的耐久性和防腐蚀性能，使其可以延长桥梁的使用寿命，降低维修费用。
此外，CFRP还可以实现建筑构造的轻质化设计，增强抗震能力。
（4）其他领域除了上述领域，CFRP还被应用于船舶制造、体育器材、医疗设备等领域，拓展了其应用范围和市场规模。
3.总结综上所述，CFRP作为一种具有广泛应用前景的高科技材料，能够在航空航天、汽车、建筑等领域带来显著的改善。
碳纤维及其复合材料的发展和应用
制 造 碳 纤 维 的 新 方 法 。 紧 接 着 英 国 皇 家 航 空 研 究 院 研 究
了高 性 能 Ｐ Ｎ 基碳 纤维 的技 术 流程 ，使 Ｐ Ｎ 基碳 纤 维 Ａ Ａ 成 为 碳 纤维 工 业 的 主 流 。２ ０世 纪 ７ ０年 代 中 期 ．美 国联 合 碳 化公 司在美 国空 军 和海 军 的资 金 支持 下 。研 发高 性 能 沥 青 基 碳 纤 维 。碳 纤 维 的 民用 商 业 化 也 正 是 始 于 ７ ０ 年 代 。 日本 东 丽公 司 最早 于 １ ７ ９ １年 开 始 生 产 钓 鱼 杆 和 高 尔夫 球棒 。１ ７ ９ ４年 ，美 国最 早把 碳纤 维用 于 网球 。接 着 羽 毛 球 拍 也 都 实 现 了 Ｃ Ｒ （ ａｂ ｎ ｆ ｅ ｅ ｆｒｅ Ｆ Ｐ ｃ ｒｏ —ｉ ｒｒｉ ｏｃｄ ｂ ｎ
递 增 。 碳 纤 维 的 主 要 性 能 见 表 １ 表 ２是 不 同 领 域 碳 纤 。 维 的 需 求 及 预 测 见 表 ２ 。
１ 碳 纤 维 的 发 展 史
１１ 国外碳 纤 维的 发展 历史 ．
２ ０世 纪 ５ ０年 代 美 国 开 始 研 究 粘 胶 基 碳 纤 维 ， １５ ９９ 年 生 产 出 了 粘 胶 基 纤 维 Ｔ ｏｍ ｌ２ ｈ ｒ ｅ一 ５，这 是 最 早 的 碳 纤 维 产 品 。 同 一 年 ， 日本 发 明 了 用 聚 丙 烯 腈 基 （ＡＮ） 原 丝 Ｐ
摘
要 ：介 绍 了碳 纤 维 的 性 能及 其 特 性 ，概 述 了碳 纤 维 的 发 展 史 ， 包括 国 外 和 国 内 。 分 析 了碳 纤 维 复 合 材 料 的 特 性 和 应 用 ， 着 重 说 明 了碳 纤 维 增 加 金 属 基 复 合 材 料 的 相 关 性 能 ，并 指 出 了 其 研 究 前 景 。
碳纤维复合材料的种类、环境应用及其发展趋势
碳纤维复合材料是一种由碳纤维和树脂组成的复合材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、运动器材、建筑材料等领域。
随着对环境友好材料的需求不断增加，碳纤维复合材料的环境应用也呈现出日益重要的趋势。
一、碳纤维复合材料的种类1.碳纤维布碳纤维布是由碳纤维经过编织或无纺工艺而成的材料，具有高强度、高模量、轻质等特点，常用于航空航天领域。
2.碳纤维复合材料板碳纤维复合材料板是由碳纤维布经过树脂浸渍、层叠、压制而成的板状材料，具有优异的机械性能和耐腐蚀性能，常用于汽车制造领域。
3.碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料是将碳纤维与树脂等材料复合而成的新型材料，具有强度高、耐高温等特点，常用于航空航天、船舶制造领域。
二、碳纤维复合材料的环境应用1.减少能源消耗碳纤维复合材料具有轻质、高强度的特点，能够降低汽车、航空器等交通工具的重量，减少燃料消耗，有利于环境保护。
2.提高能源利用效率碳纤维复合材料具有优异的机械性能和耐腐蚀性能，能够延长设备的使用寿命，提高能源利用效率，减少资源浪费。
3.降低环境污染碳纤维复合材料具有优异的耐腐蚀性能和抗老化性能，能够降低设备的维护成本，减少环境污染。
三、碳纤维复合材料的发展趋势1.环保可持续随着环保意识的提高，碳纤维复合材料的环保性能将越来越受到重视，未来发展将更加偏向于环保可持续。
2.多领域应用碳纤维复合材料将逐渐应用于更多的领域，包括建筑材料、新能源领域等，拓展发展空间。
3.优化性能未来碳纤维复合材料将通过技术创新和工艺改进，进一步优化性能，满足不同领域的需求。
个人观点和理解作为一种高性能复合材料，碳纤维复合材料在环境应用方面具有巨大潜力。
通过不断的技术创新和工艺改进，碳纤维复合材料的性能将得到进一步提升，应用领域也将得到拓展，为环境保护和可持续发展作出更大的贡献。
总结回顾通过本文的介绍，我们了解了碳纤维复合材料的种类、环境应用及其发展趋势。
碳纤维复合材料具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点，在减少能源消耗、提高能源利用效率和降低环境污染方面具有重要的作用。
碳纤维及其复合材料的发展及应用
. 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
278
上海师范大学学报 ( 自然科学版 )
2008年
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 [ 5] 的应用 . 碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域有着大量的应用, 如航天飞机的舱门、 仿生机械臂以及压 力容器等 , 因采用碳纤维增强树脂基复合材料而具有质量轻、 强度高的优点. 随着航空制造技术的不断发 展, 先进民用飞机在结构中大量地使用了碳纤维增强树脂基复合材料, 主要部位有: 整流包皮、 副翼、 发动 机罩、 阻力板、 扰流器、 起落架舱门、 水平和垂直尾翼、 方向舵及其他主要及次要承力结构件等. 在民用领 域, 碳纤维增强树脂基复合材料的应用也不断扩大, 如汽车结构件、 风力发电机叶片、 体育器材等. 随着碳纤维成本的降低以及复合材料制造技术的发展 , 土木建筑和海底油田将是碳纤维复合材料 应用领域的新增长点 . 以碳纤维复合材料代替传统金属材料制作建筑物的横梁、 抗震结构 , 补强、 修补或 加固桥梁, 制造油田勘探和开采器材以及平台、 油、 气储罐等将会有很大的发展.
上官倩芡, 蔡泖华
( 上海师范大学 机械 与电子工程学院 , 上海 201418)
摘 要 : 叙述了碳纤维的结构形态 、 分类以及在力学、 物理 、 化学方面的性能, 介绍了碳纤维增 强复合材料的特性, 着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类 、 选择和应用 , 指出 了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势 . 关键词 : 碳纤维 ; 复合材料 中图分类号 : O 636 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 5137( 2008) 03 0275 05
碳纤维复合材料的发展和应用
杨敏娟 陕西烽火宏声科技有限责任公司 ７ ２ １ ０ ０ ６
【 摘要 】 本文着重介绍 了 碳 纤维复合材料 的显著 特性 ， 基于其强度 高重 高 ， 碳纤维做 补强混凝 土结构 时， 不需要 增加螺栓和 铆钉固定 ，对 原
【 关键 词】 碳纤维复合材料 ； 特性； 应用
１ 引言 碳 纤维 是５ ０ 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。 主要 作为 增强材料 与树脂 、 金 属， 陶瓷等基 体复合 制成结 构材 料， 其 比强度 、 比模量 综合 指标在 现有材 料 中是最 高的 ， 力 学性 能颇具 优势 ， 所 以被 广泛应用于各 个领域 。
索 之・ ， 除强 氧化酸 以外， 能在各种 有机溶 剂 、 酸、 碱 中不 溶 不 胀 ， 不存
量轻等优越 特性而发展 迅速 ， 被广泛应用于航 空航 天、 土木建 筑， 体育及 生活 等领域 。
混凝 土结 构扰动较小 ，施 工工艺简便 。 在 运动 休闲领 域中， 像 球杆、 钓鱼竿 、 网球拍 、 羽毛球 拍 、 自 行 车、 滑 雪杖 、 滑 雪板 、 帆板桅杆 、 航海 船体 等运动用 品都 是碳 纤维的主要 用 户之一。 体育 应用中的重要 应用为球 棒和球 拍 框架 ， 全世界４ ０ ％的球棒 都 是由碳纤维制成的 ， 全世界 碳纤维钓鱼杆 的产量 约为每年２ ０ ０ ０ ７ ｊ ＂ 副， 网球 拍 框架 的市场容量 约为每 年６ ０ ０ 万 副， 碳纤维 还应 用在划船 、 赛艇
带、 纸及其他 材料 ・ （ ４ ） 热膨胀系数小 ， 变形量小 ， 结构尺寸稳定性 好 ， （ ５ ） 具 有极 好的纤度 ， 一般仅 约１ ９ ｇ ， 密度约为１ ． ５ － ２ ｇ ／ ｃ ｍ ， 比重
碳纤维复合材料的性能及应用
碳纤维复合材料的性能及应用首先，碳纤维复合材料具有高强度和轻质的特点。
碳纤维本身具有很高的强度和刚度，其强度可以达到钢的10倍以上，而密度却只有钢的四分之一左右。
这使得碳纤维复合材料具有优秀的比强度和比刚度，能够在保证结构强度的同时减轻整体重量，适用于要求轻质高强度的领域，如航空、航天和汽车等。
其次，碳纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。
由于碳纤维本身不易受化学物质侵蚀，所以碳纤维复合材料能够在恶劣环境下长时间使用，不易腐蚀变形。
此外，碳纤维具有良好的摩擦性能，能够承受较大的摩擦力，同时又不会产生摩擦磨损，因此适用于制造高速运动部件和耐磨材料。
另外，碳纤维复合材料还具有优异的导电性和导热性。
由于碳纤维本身是导电材料，因此碳纤维复合材料能够有效地导电，广泛应用于电子、航空航天等领域。
此外，碳纤维还具有良好的导热性能，能够迅速传热，因此适用于制造导热材料和散热结构。
此外，碳纤维复合材料还具有良好的耐高温性和隔热性。
由于碳纤维的熔点较高，所以碳纤维复合材料能够在高温环境下保持较好的性能，适用于高温工艺和高温设备。
此外，由于碳纤维的导热性较低，所以碳纤维复合材料还具有良好的隔热性能，能够隔绝热量的传导，使其广泛应用于隔热材料和保温材料领域。
总的来说，碳纤维复合材料由于其优异的性能，被广泛应用于航空航天、汽车、体育器材、建筑、电子等领域。
例如，飞机机身、航天器、汽车车身和部件、高尔夫球杆、网球拍、自行车框架等都可以采用碳纤维复合材料制造，以提高其强度、刚度和耐用性。
另外，在建筑领域，碳纤维复合材料还可以用于制造楼板、隔墙和构件等，以减轻建筑物自重和提高抗震性能。
此外，在电子领域，碳纤维复合材料还可以用于制造导热板、散热片和EMI屏蔽材料等，以提高电子产品的散热性能和抗干扰能力。
总之，碳纤维复合材料具有高强度、轻质、耐腐蚀、耐磨、导电、导热、耐高温等优异的性能，因此被广泛应用于各个领域，为现代工业的发展做出了重要贡献。
碳纤维以及复合材料的发展及应用
我 国碳纤 出产装备掉 队， 自动化水平低苈 动强度大， 出产情 况差， 而发达 国家 的封闭又使我 国没法 引进 国际上的一 、 二 流装备， 影响 了 出产水平 的进 步 ２ － ３未形成经济规模 外洋碳纤维生产规模多在 ５ ０ ０ ｔ 以上 。 而我 国以 ｌ Ｏ ｔ 摆 布 占多数 生产成 本高。 产品价格也 比人 口的高， 而机能却没 法与入 口的媲美， 故 缺少竞争能力． 失去了市场 ２ ． ４碳纤来历大部分依靠入 口 我 国利 用的碳 纤绝大部 分依托人 口． 而美 国 、 ３本等 卖给我 国的 １ 碳纤绝 不允许 用于兵工 、 航 天航 空等范畴， 仅 限于出产文体用 品， 且 产 物大部分外销 ， 因此严重地制约了我国碳纤 维应用范畴 的开辟
碳纤维纸能知足绿色能源一燃料电池的请求 ． 并且和原炭质料电极相 远 影 响 。 比， 还有 体积小 、 质量轻 、 效率高等优点。 此刻 ， 用高性能碳纤维纸建造 质子互换 膜一燃料 电池 （ Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ ） 的气体分散层 电极质料 ． 已获得各燃 【 参 考文献 】 料电池制造商的认 同， 将很快获得成长。 贮能方面和能源方 面 ， 像风力 ［ １ ］ 贺福， 王茂章． 碳纤维及其复合材料眦 】 ． 北京： 科学出版社， １ ９ ９ ５ 发电用叶片 、 电池 、 飞轮 等操纵也不断扩大Ｉ ］ ６ 。 ［ ２ ］ 张凤翻． 航空结构复合材料对碳纤 维的需求 ｌ Ｊ １ ． 材料导报， ２ ０ ０ ０ ， １ ４ （ １ １ ） ： ５ — ７ ．
１ ． 碳纤维及其复合材料 的利用
跟着科技 的成 长 ． 碳纤维 的应用 领域一 １ ３ 千里 ． 它们除普遍应用 于航空航天等 高技 术领域 ， 还可用在 军事领域 、 体育用 品 、 医疗器械 、 建筑材料 、 工业机械 、 运输车辆 等方面 。 １ ． １ 航 天领域 以高性能碳ｆ 石 墨１ 纤 维复合材料为典范代表的复合材料 ， 在导弹 、 卫星飞行器和运载火箭上也发挥着无 可取代作用 随着我国航天事 业的发展 ． 神州号上天 ． 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。 １ ． ２军事领域 新武器设备研制历 程当中的小型化 、 轻质化 、 高强度 、 长寿命 、 机 动性 、 稳定性等都 离不开碳纤维 的把 持 。 可 以说碳纤 维在国防兵工 中 有举足轻重 的影响目 １ ． ３ 体育休闲用品领域 碳纤维轻 量化 、 耐颓废 、 耐磨 、 耐腐蚀 ， 使其 很适合应用 于体 育用 品。 体育用品范畴的操纵有高尔夫球棒 、 网球拍 和钓鱼杆等 。 除此以 外， 碳纤 维在冰球棍 、 滑雪杖 、 射箭 、 自 行车、 荡 舟、 赛艇 、 冲浪等体育用 品的把持 ． 意味着对碳纤维有着不变的需求 。
碳纤维及其复合材料的发展与应用
专论与综述(273～276)碳纤维及其复合材料的发展与应用赵宗桂(中国石油兰州化学工业公司工程公司,甘肃兰州730060)摘要:介绍了碳纤维及其复合材料在世界范围内的发展、应用和需求状况,提出为了降低碳纤维的价格,扩大碳纤维的应用领域,必须大力发展大丝束碳纤维,并介绍了国内碳纤维的发展状况及存在的问题。
关键词:碳纤维;复合材料;发展;应用中图分类号:T Q342+.742 文献标识码:A 文章编号:1009-0045(2002)04-0273-04 碳纤维是先进复合材料中最重要的增强材料,由于具有高强度、高比模量、优异的热物理性能、化学稳定性、阻尼减震降噪性等优良性能,世界各国对发展碳纤维都给予了高度的重视。
碳纤维及其复合材料已广泛用于航天、航空、体育休闲和工业领域。
聚丙烯腈基碳纤维是目前世界上3种主要高性能纤维之一,是一种不同于一般纺织纤维的高性能材料,具有类石墨的化学结构,其使用温度范围在-170～2000℃。
碳纤维具有很高的抗拉强度,其抗拉强度是钢材的2倍、铝的6倍。
碳纤维模量是钢材的7倍、铝的8倍。
与树脂、橡胶、陶瓷、玻璃、金属复合后可制作各种结构材料和绝热材料,应用于宇航的火箭、卫星、导弹、飞机等高技术领域;在汽车、机械、化工、体育、医疗等行业的用途也日益扩大。
目前碳纤维和以碳纤维为增强剂的各种复合材料的用途正在日益拓展,发展十分迅速[1-2]。
1 国内外碳纤维的发展状况①1.1 世界碳纤维的发展国外聚丙烯腈基碳纤维的研究与开发开始于20世纪60年代,起初,碳纤维主要用于军工和宇航。
经过40余年的发展,其应用领域正在从航天、航空和军工向工业领域和普通民用领域扩大。
世界上聚丙烯腈基碳纤维生产厂商主要有东丽、东邦、三菱人造丝、赫克塞尔、阿莫科和卓尔泰克等公司。
在常规碳纤维(3K,6K和12K)生产中,东丽、东邦、三菱已形成垄断,其生产能力分别达到7300tΠa,5100 tΠa和3400tΠa。
碳纤维复合材料的研究进展及其应用
碳纤维复合材料的研究进展及其应用碳纤维复合材料是一种由高强度的碳纤维与树脂基体组成的复合材料。
由于具有高强度、低密度、优异的耐高温性能以及良好的耐腐蚀性等特点，碳纤维复合材料在航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域有着广泛的应用。
本文将对碳纤维复合材料的研究进展及其应用进行探讨。
首先，碳纤维复合材料的研究进展主要集中在材料的改性与强化方面。
目前的研究包括改进纤维表面处理技术、改善树脂基体的改性方法以及提高复合材料界面结合强度等方面。
例如，通过改进氧化法和表面改性方法，可有效提高碳纤维的表面活性，增加与树脂基体的相容性，提高界面结合强度。
同时，研究人员还通过添加纳米颗粒等方法，实现了对碳纤维复合材料性能的进一步增强。
其次，碳纤维复合材料在航空航天领域具有重要的应用价值。
碳纤维复合材料的低密度和高强度使其成为制造飞机和航天器的理想材料。
目前的研究主要集中在开发高性能、轻质碳纤维复合材料结构件，以减轻飞机和航天器的重量、提高燃油效率和载重能力。
比如，碳纤维复合材料可以应用于飞机机身、机翼、尾翼等部件的制造，能够显著提高航空器的综合性能。
此外，碳纤维复合材料在汽车制造领域也有广泛的应用。
由于碳纤维复合材料具有轻质、高强度和良好的耐腐蚀性能，它可以减轻汽车重量，提高车辆的燃油经济性和行驶性能。
目前的研究主要集中在开发碳纤维复合材料车身结构的制造工艺和材料设计。
例如，研究人员正在探索如何将碳纤维复合材料应用于汽车车身各个部位，设计出更轻、更坚固的车身结构。
此外，碳纤维复合材料还在船舶制造、体育器材制造等领域有着广泛的应用。
在船舶制造领域，碳纤维复合材料可以替代传统金属材料，减轻船舶重量，提高船舶的速度和燃油效率。
在体育器材制造领域，碳纤维复合材料可以制造出更轻、更坚固的高尔夫球杆、网球拍等器材，提高运动员的竞技水平。
总之，碳纤维复合材料的研究进展及其应用前景广阔。
随着材料科学和工艺技术的不断发展，碳纤维复合材料将在更多的领域得到广泛应用，推动相关产业的发展。
碳纤维复合材料的性能研究及其在航空领域的应用
碳纤维复合材料的性能研究及其在航空领域的应用随着科学技术的发展，航空工业已经成为世界上最具发展潜力和竞争力的战略性高科技产业之一。
然而，在飞机制造业中，重量一直是设计师们所关注的一个问题。
重量对飞行的性能指标产生了影响，而机身重量又主要来自于使用的材料。
为了满足重量的要求，现代航空工业重点研发的材料便是碳纤维复合材料。
该材料具有轻重比高、强度高、刚性好、耐磨损等优势，使其成为航空领域中使用最广泛的材料之一。
本文将探讨碳纤维复合材料的性能研究及其在航空领域的应用。
一、碳纤维复合材料的基本结构和性能碳纤维复合材料是由碳纤维和树脂等材料构成复合材料。
在制备碳纤维的过程中，通过原材料制备、纺织、热处理等工艺步骤制成碳纤维，常用的原材料主要有聚丙烯、聚丙烯纤维、聚酰胺、纯芳纶等。
而树脂则包括环氧树脂、聚酯树脂、聚醚酰胺树脂等。
通过将碳纤维和树脂材料复合后，可以得到强度更高、刚度更好、重量更轻、韧性较高的材料。
碳纤维复合材料是一种高模量、高强度、低密度的非金属材料。
其刚度和强度的提高源于碳纤维的高强度和高刚度，而重量的减轻则来自于材料的低密度。
此外，碳纤维复合材料具有良好的耐磨损性能、抗腐蚀性能以及优异的抗疲劳、耐久性能。
这些特性使得该材料被广泛应用于航空工业中。
二、碳纤维复合材料在航空领域的应用在航空领域中，碳纤维复合材料的应用十分广泛。
与传统的金属材料相比，碳纤维复合材料的重量更轻、强度更高，因此具有较好的应用前景。
（一）机身和结构件碳纤维复合材料在航空器机身和结构件等方面的应用越来越广泛。
由于其具有优异的强度和刚性，能够承受极大的载荷，因此可以用于制造高速飞行器、战斗机、无人机等高性能航空器。
除此之外，碳纤维复合材料制造的机身和结构件还可以在降低航空器燃油消耗、延长飞机寿命、提高运行效率等方面发挥重要作用。
（二）飞机零部件碳纤维复合材料的应用还可以拓展到飞机中的某些零部件的制造。
例如，飞机的翼板和尾翼等部件都可以采用碳纤维复合材料制造。
碳纤维增强高性能复合材料的开发与应用
碳纤维增强高性能复合材料的开发与应用近年来，全球经济和技术的不断发展，推动了新材料的研发和应用。
而碳纤维增强高性能复合材料就是其中的佼佼者。
碳纤维增强复合材料以其优异的性能和广泛的应用领域，逐渐成为新型材料的代表。
一、碳纤维增强高性能复合材料的定义和特点碳纤维是一种高强度、高模量的新材料，其单根纤维直径很细，通常为10~15μm，但其单位横截面积所能承受的应力却比钢铁高6~12倍。
碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀和良好的热导性和电导性等特点。
碳纤维增强高性能复合材料是利用将碳纤维和树脂、金属等材料进行复合而成的一组新型材料。
其中，碳纤维的强度和模量是复合材料的关键性能指标，而树脂等基体材料则起着固定、传递应力的作用。
碳纤维增强复合材料的主要特点是：强度高、重量轻、刚性好、耐疲劳、耐腐蚀、热膨胀率小等。
除此之外，碳纤维增强复合材料还可以按其制备方法的不同分为预浸法（PF）、浸渍法（RTM）、转子滑动法、纺织法（QAI）、自动连续パルプ状形成法（ACC）等几种。
二、碳纤维增强高性能复合材料的应用领域碳纤维增强复合材料因为其特殊的性能，广泛地应用于航空、航天、能源、体育器材、汽车等领域。
其中，航空和航天领域是碳纤维增强复合材料的重要应用领域。
1、航空和航天领域航空和航天领域是碳纤维增强复合材料的主要应用领域之一。
航空和航天器材需要高强度、轻量化的材料，以提高航空器、飞机和航天器的速度、安全性和降低燃料消耗等。
碳纤维增强复合材料相比于传统的金属材料，具有重量轻且强度高的优点，更加符合航空器材的应用要求。
因此，航空航天器材中广泛采用碳纤维增强复合材料作为结构材料，如波音737和空客A380等飞机的竖尾翼、机翼、驾驶舱等皆采用碳纤维增强复合材料。
2、汽车领域汽车领域是碳纤维增强复合材料另一个重要应用领域。
随着汽车工业的发展，碳纤维增强复合材料逐渐进入了汽车领域。
汽车产业追求低油耗、低排放的同时，对汽车重量的减轻也提出了更高的需求。
浅析碳纤维复合材料的应用现状与发展趋势
浅析碳纤维复合材料的应用现状与发展趋势上伟碳纤维复合材料有限公司 224000摘要：本文通过阐述碳纤维复合材料在成型工艺应用方面的现状，希望能够通过对加工工艺的重点考量，分析碳纤维复合材料在不同领域的作用。
包括航空航天、汽车、风电、体育休闲等等，从而研究其未来的发展趋势，也给相关从业者提供一定的帮助。
关键词：碳纤维复合材料；应用现状；发展趋势一、碳纤维复合材料的分类碳纤维指的是95%以上的含碳量且具备高强度、高模量的一种特种纤维材料，它通过复合材料的加工而形成。
碳纤维复合材料通常以碳纤维、金属、陶瓷等等进行融合与反复加工，成为符合功能要求的结构性材料。
碳纤维复合材料相较于金属材料，具备着耐腐蚀、耐高温、便于设计等等诸多优点。
按基体的不同，可以将碳纤维复合材料分为树脂基复合材料、碳复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、橡胶基复合材料等等。
碳纤维复合材料在全世界范围之内拥有着广泛的材料消费市场，总占比约为80%，可见碳纤维复合材料已经成为了材料市场当中的主流消费材料。
本文主要介绍碳纤维复合材料的成型工艺以及具体使用情况。
二、树脂基复合材料（CFRP）成型工艺CFRP拥有着许多的成型技术，近些年来，预成型件成型技术通过采用综合成型形式，减少使用的零件，也能够一定程度的降低成型的成本，已经得到了广泛的应用。
它避免分层剥离技术的应用难点，在航空飞机结构构造、汽车的构件制备等方面得到充分利用。
2.1模压成型工艺模压成型是一种非常传统的工艺形式，它是由普通的塑料制品模压成型逐渐转化而来。
在加工的过程当中，通过将碳纤维预浸料置于上下模之间，从而利用专业的设备进行加工过程。
将模具放置在液压成型台上，在高温高压的作用之下，让树脂材料产生固化反应，得到最终的制品。
这种工艺加工形式具备着制件质量优、技术处理高效的优势，而且它能够在尺寸精度方面得到较高控制，且加工形式不易受周围环境的影响。
但是其总体的投入成本较高，也容易受到机械设备的限制，拥有着前期模具制造复杂的缺点[1]。
碳纤维复合材料在航空航天中的开发与应用
备的生产质量提供保障。
术逐渐进步完善才被应用到高科技生产 一次成型后坚固耐用。机翼部分在使用中
一、碳纤维复合材料在航空航天领域 环节中。制作碳纤维混合材料时，要考虑 需要承受大量摩擦，一旦材料耐高温性能
的应用优点
材料使用后复合的部分。最常见的是将碳 差便会发生形变，飞机不能正常行驶在空
碳纤维复合材料与其他的复合材料 纤维与树脂材料进行复合，这种材料的化 中，引发严重的安全事故。因此在制造过程
的能力比较强，即使在 2000℃的环境中还 而增大，甚至还有明显的减少。在飞机的 成就，但是在发展中也存在着一些问题，产
可以保证性能和结构稳定，而且还具有较 最外层结构中应用广泛，军用飞行设备要 品质量处于低层次，生产成本过高，能耗较
高的抗氧化性能受空气环境的影响比较 求体积小，飞行速度快，并且外层材料要牢 大，环境污染大等，因此在日后的发展中一
这材料在小型商务飞机和直升飞机的 轻自重的目的不但能够减少制造成本方 属于碳纤维材料的增强版，继承了石墨材
研制与开发中得到了广泛应用，但是从航 面的投入，还可以提升航空设备的飞行速 料的优点，化学性质更稳定，使用过程中也
空领域的总体发展来看，该材料的应用规 度和稳定性，在这种发展形势下提出了将 不会受到其他物质的污染，根据不同使用
进行有效保护。另外，碳纤维复合材料在 根据调查结果显示，目前应用在民用飞机 活中的需求，作为航天航空领域的重要支
实际应用期间受温度环境的影响比较少， 中的碳纤维复合材料已经达到了 80%。即 柱，碳纤维复合材料的生产和研究直接关
即使在高温环境下也不会对材料的性能 使是在军事领域中也高达 40%。这一数据 系到我国高新技术产业尤其是航天航空
模还比较有限，需要进行进一步的研究与 碳纤维复合材料应用到设备制造中，属于 方向，可以在原料中添加一些化学成分。将
新型碳纤维复合材料的研发与应用
新型碳纤维复合材料的研发与应用在现代化的世界中，科技的发展一直是人类进步的主要标志之一。
而材料科学则是推动科技发展的关键领域之一。
新型碳纤维复合材料就是材料科学中的一种热门研究课题。
它具有轻质、高强、高刚性、抗腐蚀、防火等多种优点。
它广泛应用于飞机、航天器、汽车、运动器材、建筑材料以及船舶等领域。
本文将介绍新型碳纤维复合材料的种类、特点、研发的前景以及应用领域。
一、碳纤维复合材料的种类及特点碳纤维复合材料 (Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite, CFRP) 是一种由纤维增强体 (Fiber Reinforcements) 和基体 (Matrix) 共同构成的复合材料。
其中，碳纤维作为一种最为常见的增强体。
碳纤维的特有结构决定了这种材料的高强度、硬度和轻质化。
基体则起到传递载荷、分散垂向载荷和抵御环向载荷的作用。
根据不同的基体材料，碳纤维复合材料分为热塑性 CFRP 和热固性 CFRP 两种类型。
热塑性 CFRP 主要以热塑性树脂为基体材料，它具有较好的成型性和回收性，并且有着较好的热稳定性。
而热固性 CFRP 主要以热固性树脂为基体材料，它具有较好的耐热、耐氧化和耐化学腐蚀性。
此外，基于不同的纤维编织方式和基体材料，还有无机基复合材料和有机基复合材料两种形式。
新型碳纤维复合材料的优点集中体现在轻量、高强、高刚性、抗腐蚀、防火等方面。
其密度约为金属的1/4，强度是普通钢的6倍以上，这使得新型碳纤维复合材料成为了航空航天等高科技领域的理想材料。
同时，它还具有较好的防腐蚀性和耐磨性，能够适应不同环境的使用需求，对提高机械设备和公共建筑的安全性能有重要作用。
二、新型碳纤维复合材料的研发前景随着人类社会的进一步发展，对技术新型的需求和对材料新型的渴望都在逐步增强。
面对这种情况，科学研究者不断深入探索各类新材料，新型碳纤维复合材料就是一种受到广泛关注的材料。
近年来，新型碳纤维复合材料的研发已经成为了材料科学研究的重要方向之一。
碳纤维复合材料的应用及其发展趋势
碳纤维复合材料的应用及其发展趋势碳纤维复合材料是由碳纤维和树脂基体组成的复合材料。
由于其轻质、高强度、高刚度和耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材和建筑等领域。
在未来，碳纤维复合材料的应用将继续增加，且发展趋势主要包括以下几个方面。
首先，碳纤维复合材料在航空航天领域的应用将进一步扩大。
由于碳纤维复合材料的高强度和轻质特性，可以减少航空器的自重，提高燃油效率。
未来，碳纤维复合材料将在飞机机身、翼面和发动机部件等方面得到更广泛的应用，从而实现飞机的结构轻量化。
其次，碳纤维复合材料在汽车领域的应用将逐渐增加。
随着汽车工业的不断发展，对车辆轻量化的需求日益增加。
由于碳纤维复合材料具有较高的强度和刚度，并且重量轻，可以减少汽车的燃油消耗和排放量。
未来，碳纤维复合材料将在汽车车身、底盘和内饰等方面得到广泛应用，从而实现汽车整体的轻量化和节能减排。
此外，碳纤维复合材料在体育器材领域的应用也将持续增加。
碳纤维复合材料具有优异的强度和刚度，可以提高体育器材的性能，如高尔夫球杆、网球拍和自行车等。
未来，碳纤维复合材料将在体育器材制造中得到更广泛的应用，从而提高运动员的竞技水平和运动性能。
最后，碳纤维复合材料在建筑领域的应用也将逐渐增多。
由于碳纤维复合材料具有良好的抗拉性能和耐腐蚀性能，可以用于加固混凝土结构和制造轻型建筑材料。
在未来，碳纤维复合材料将在建筑工程领域得到更广泛的应用，从而提高建筑结构的安全性和耐久性。
总之，碳纤维复合材料的应用将在航空航天、汽车、体育器材和建筑等领域继续拓展。
随着科学技术的不断进步和人们对环境保护和能源节约的要求日益增加，碳纤维复合材料的发展趋势将更加明显。
未来，碳纤维复合材料将在材料科学领域起着至关重要的作用。
碳纤维复合材料的研究与应用
碳纤维复合材料的研究与应用论文导读：综合以上特点，碳纤维增强塑料（CFRP）在建筑结构中具有突出的应用优势。
从以上CFRP材料的综合特性分析，CFRP材料适合作为土木工程领域桥梁结构的受拉或预应力受弯构件，特别在应用于纯受拉构件时，材料自身的优势可以得到最大限度的发挥，这也在工程实践中得到了证明CFRP增强塑料是指预浸料碳纤维(CF)，其物理力学性能指标包括抗拉强度、弹性模量、延伸率等，在施工性和使用耐久性方面包括密度、浸透性、均匀度、耐腐蚀性等指标要求。
CFRP加固修补混凝土结构是兴起于欧美和日本等发达国家的一项新技术，在我国起步较晚，但最近几年我国对CFRP 加固修补混凝土结构技术的系统研究呈现不断发展的趋势，而且已经取得了实质性成果。
关键词：混凝土结构加固，CFRP，研究，应用1. CFRP 增强塑料的特点与性能研究碳纤维是一种高性能纤维，在建筑结构中的使用量最大。
论文参考网。
在保护气氛中的有机纤维在施加张力牵引下，经过热处理碳化而成为含碳量90%以上的碳纤维。
在混凝土结构的加固补强中，碳纤维片材作为碳纤维增强塑料的一种使用较多。
我国土木工程领域多使用日本生产的碳纤维片，这种材料包括单向片、单向预浸片、单向织布、双向织布等多种形式。
与普通建筑钢材相比，碳纤维增强塑料具有如下特点：顺纤维方向抗拉强度远大于普通钢筋；均匀性与钢材相比较差，各向异性；重量轻, 密度约为钢材的1/5，便于施工安装；耐久性好；抗腐蚀性能好，除了强氧化剂外，一般如浓盐酸、30% 的硫酸、碱等对其均不起作用；热膨胀系数低；应力-应变曲线呈线性分布；减震性能好，其自振频率很高，可避免早期共振，且内阻很大，若发生激振，衰减快；材料柔软，产品形状几乎不受限制，还可以任意着色，将结构形式和材料美学统一起来；非磁性。
综合以上特点，碳纤维增强塑料（CFRP）在建筑结构中具有突出的应用优势。
从以上CFRP 材料的综合特性分析，CFRP材料适合作为土木工程领域桥梁结构的受拉或预应力受弯构件，特别在应用于纯受拉构件时，材料自身的优势可以得到最大限度的发挥，这也在工程实践中得到了证明CFRP 增强塑料是指预浸料碳纤维(CF)，其物理力学性能指标包括抗拉强度、弹性模量、延伸率等，在施工性和使用耐久性方面包括密度、浸透性、均匀度、耐腐蚀性等指标要求。
新型碳纤维复合材料的研发与应用
新型碳纤维复合材料的研发与应用随着科学技术的不断发展，碳纤维复合材料成为新一代材料研发的热点之一、碳纤维复合材料具有重量轻、强度高、刚度大、耐腐蚀、高温稳定等优点，因此在航空航天、汽车制造、体育器材等领域有着广泛的应用。
首先，在航空航天领域，碳纤维复合材料的广泛应用可以大大降低飞机的重量，提高燃油效率，并且增强了飞机的结构强度和耐久性。
例如，使用碳纤维复合材料制造飞机机身、机翼和尾翼等关键部件，可以减少重量约20-30%，从而延长飞机的续航里程和增加运载能力。
其次，在汽车制造领域，碳纤维复合材料的应用可以降低汽车的自重，提高行驶速度和燃油效率。
此外，由于碳纤维复合材料具有高强度和高刚度，可以有效提升汽车的安全性能和抗撞击能力。
因此，越来越多的汽车制造商开始使用碳纤维复合材料制造车身、车顶和车门等零部件，例如特斯拉公司的电动车就采用了大量的碳纤维复合材料。
此外，碳纤维复合材料在体育器材制造方面也有广阔的应用前景。
碳纤维复合材料的高强度和刚度使得其成为制造高性能运动器材的理想选择。
例如，使用碳纤维复合材料制造高尔夫球杆、网球拍和自行车等器材，可以提高球拍和自行车的稳定性和击打力量，从而提高运动员的竞技水平。
然而，碳纤维复合材料的研发与应用还面临一些挑战。
首先，碳纤维复合材料的制造成本高，限制了其在大规模生产中的应用。
其次，碳纤维复合材料的回收利用和环境影响问题也需要解决。
目前，科研人员正在努力开发新的制造工艺和降低生产成本，同时寻找碳纤维复合材料的可持续发展途径。
总之，新型碳纤维复合材料的研发与应用具有广阔的前景和巨大的潜力。
随着技术不断进步，相信碳纤维复合材料将在更多的领域得到应用，推动科技创新和产业发展。
碳纤维及其复合材料的发展和应用
碳纤维及其复合材料的发展和应用碳纤维及其复合材料是一种具有优异性能的新型材料，由于其在轻量化、高强度、耐腐蚀等方面的出色性能，被广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
本文将从碳纤维材料的制备和特性、碳纤维复合材料的优势和应用以及发展趋势等方面进行详细介绍。
1.碳纤维材料的制备和特性碳纤维是一种由碳原子构成的纤维状材料，其制备主要通过碳纤维聚合物的加热炭化和高温拉伸得到。
碳纤维的主要特性包括高强度、低密度、优异的力学性能和导电性能等。
它具有比钢铁轻5倍、比铝轻1.5倍的重量优势，而且强度比钢高5倍，比铝高2倍。
此外，碳纤维还具有优异的耐腐蚀性能，能够在强酸、强碱环境下长期使用。
2.碳纤维复合材料的优势碳纤维复合材料是由碳纤维和树脂基体组成的复合材料，具有独特的优势。
首先，由于碳纤维的高强度和低密度特性，使得碳纤维复合材料具有轻量化的优势。
相比传统金属材料，它可以实现零件重量的减轻，提高整体性能。
其次，碳纤维复合材料具有优异的强度和刚度，能够满足大范围的工程应用需求。
此外，碳纤维复合材料还具有良好的耐腐蚀性能和抗疲劳性能，寿命更长，更耐久可靠。
3.碳纤维复合材料的应用碳纤维复合材料在航空航天、汽车、体育器材等领域得到广泛应用。
在航空航天领域，碳纤维复合材料可以应用在飞机机身、翼尖等结构件上，减轻整机重量，提高飞行效率。
在汽车领域，碳纤维复合材料可以用于制造车身、底盘等部件，提高汽车的燃油经济性和安全性能。
在体育器材领域，碳纤维复合材料可以应用于高尔夫球杆、网球拍等器材上，提高运动器材的性能和使用寿命。
4.碳纤维及其复合材料的发展趋势碳纤维及其复合材料作为一种高性能材料，在未来的发展趋势中具有广阔的应用前景。
首先，随着科技的发展和制造工艺的进步，碳纤维及其复合材料的制备成本将逐渐降低，普及化的应用将变得更加可行。
其次，随着社会对环境保护的重视和对能源的节约需求，碳纤维复合材料作为一种轻量化材料，将在汽车、航空等领域得到广泛应用。
碳纤维及其复合材料的发展和应用(精)
·开发与创新·Development and Applications of Carbon Fiber and Its CompositesGAO Bo ,XU Zi-Li(Wuhan Textile University ,Wuhan Hubei 430073,ChinaAbstract:This paper introduces performance and features of carbon fiber,briefly overviews the history,including both foreign and domestic.And analyses the properties and applications of carbon fiber composite material,emphasizes the related performance that carbon fiber adds to the metal matrix composites and points out its research prospects.Key words:carbon fiber ;composite ;metal matrix0引言碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,是由有机母体纤维(聚丙烯睛、粘胶丝或沥青等采用高温分解法在1000~3000℃高温的惰性气体下碳化制成的。
它是一种力学性能优异的新材料,比重不到钢的1/4,能像铜那样导电,比不锈钢还耐腐蚀,而其复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa 以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa ,也高于钢。
碳纤维按其原料可分为三类:聚丙烯腈基(PAN 碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维三类。
其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广,需求也最大[1]。
1碳纤维的发展史1.1国外碳纤维的发展历史20世纪50年代美国开始研究粘胶基碳纤维,1959年生产出了粘胶基纤维Thormel-25,这是最早的碳纤维产品。
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第37卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.37,N o.3 2008年6月J ou rnal of ShanghaiNor m alUn i versity(Natural S ci en ces)2008,J un碳纤维及其复合材料的发展及应用上官倩芡,蔡泖华(上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418)摘要:叙述了碳纤维的结构形态、分类以及在力学、物理、化学方面的性能,介绍了碳纤维增强复合材料的特性,着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择和应用,指出了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势.关键词:碳纤维;复合材料中图分类号:O636文献标识码:A文章编号:1000-5137(2008)03-0275-05碳纤维作为一种高性能纤维,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.此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1~3].碳纤维既可用作结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用.因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速.本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍.1碳纤维特性、结构及分类碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000e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1.5~2g/c m3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;º强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复为100%;»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;¼摩擦系数小,并具有润滑性;½导电性好,25e时高模量碳纤维的比电阻为775L8/c m,高强度碳纤维则为1500L8/c m;¾耐高温和低温性好,在3000e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;¿耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀[4~7].除此之外,碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性.碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向.用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构[8],如图1所示.构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面.在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为0.1421n m;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360~0.3440n m之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边缘参差不齐.处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同.层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性收稿日期:2008-01-04基金项目:上海市教委科研基金项目(06D Z034).作者简介:上官倩芡(1974-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.图1碳纤维结构示意图比较高.因此,碳纤维的表面活性与处于边缘位置的碳原子数目有关[9].碳纤维形成过程中,其表面会形成各种微小的缺陷.这是由于原丝在碳化过程中,大量的元素以及各种气体(如CO2,CO,H2O,NH3, H2,N2)的形成逸出,使纤维表面和内部形成空穴和缺陷.特别是某一阶段放出气体过于剧烈时,纤维表面和内部生产的空穴和缺陷更为严重.这些空穴和缺陷的存在,将对碳纤维的强度产生很大影响.碳纤维在受力时,应力-应变曲线是线性关系,纤维断裂是突然发生的.绝大多数纤维断裂是发生在有缺陷或裂纹的地方[10].由于原料及制法不同,所得碳纤维的性能也不一样.一般来讲,碳纤维可从以下两个方面进行分类[11~13]:(1)根据碳纤维的力学性能可分为高模量,超高模量,高强度和超高强度4种;(2)根据原丝的类型可分为聚丙烯腈基碳纤维、纤维素基碳纤维、沥青基碳纤维、酚醛基碳纤维等.1.1聚丙烯腈基碳纤维聚丙烯腈(PAN)基碳纤维由聚丙烯腈经纺丝、预氧、碳化几个阶段形成.PAN基碳纤维具有高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点,并具有很强的抗压抗弯性能,一直在增强复合材料中保持着主导地位.目前,PAN基碳纤维仍是碳纤维市场中的主流.PAN基碳纤维应用的主要领域有:航空航天工业,地面交通工具,如汽车、赛车、快速列车等,造船工业、码头和海上设施,体育用品与休闲用品,电子产品,基础设施以及造纸、纺织、医疗器械、化工、冶金、石油、机械工业等领域,要求零部件在高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作.1.2粘胶基碳纤维粘胶基碳纤维是由主要成分为纤维素的粘胶纤维经过脱水、热解然后碳化而得来的.粘胶基碳纤维的三维石墨结构不发达,导热系数小;石墨层间距大,石墨微晶取向度低,因此是理想的耐烧蚀和隔热及热防护材料.同时,粘胶基碳纤维是由天然纤维素木材或棉绒转化而来,与生物的相容性极好,又可作为良好的环保和医用卫生材料.但是,由于生产粘胶基碳纤维的工艺流程较长,工艺条件苛刻,不适宜大批量生产,成本较高;另外,粘胶基碳纤维的整体性能指标比PAN基碳纤维的要差,综合性能价格比在竞争中处于劣势,因此从20世纪60年代以来其生产规模逐渐萎缩,目前产量已不足世界碳纤维产量的1%.1.3沥青基碳纤维沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料,经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成.沥青基碳纤维的生产原料成本低于聚丙烯腈基碳纤维,但由于沥青基碳纤维的生产工艺复杂,反而使其生产成本大大增加.此外,沥青基碳纤维抗压强度比较低,其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纤维,因此其生产规模和应用领域都受到了一定限制.不过,由于沥青基碳纤维具有优良的传热、导电性能和极低的热膨胀系数,因此仍在必须要求这些性能的军工及航天领域发挥着独特作用.1.4酚醛基碳纤维酚醛基碳纤维阻燃性、绝缘性极好;可在松弛条件下碳化,加工工艺简单,碳化时间短且温度低,碳化率高,且手感柔软,但强度和模量较低.酚醛基碳纤维主要用于复写纸原料,耐腐蚀电线,以及用来制276上海师范大学学报(自然科学版)2008年造耐热、防化防毒、无尘等特种服装.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[14].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.但是,它的致命弱点是脆性大,并且对裂纹、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[15].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[16].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[17].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[18,19].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一承载外力的整体,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[20,21].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277 第3期 上官倩芡,蔡泖华:碳纤维及其复合材料的发展及应用278上海师范大学学报(自然科学版)2008年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[5].碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域有着大量的应用,如航天飞机的舱门、仿生机械臂以及压力容器等,因采用碳纤维增强树脂基复合材料而具有质量轻、强度高的优点.随着航空制造技术的不断发展,先进民用飞机在结构中大量地使用了碳纤维增强树脂基复合材料,主要部位有:整流包皮、副翼、发动机罩、阻力板、扰流器、起落架舱门、水平和垂直尾翼、方向舵及其他主要及次要承力结构件等.在民用领域,碳纤维增强树脂基复合材料的应用也不断扩大,如汽车结构件、风力发电机叶片、体育器材等.随着碳纤维成本的降低以及复合材料制造技术的发展,土木建筑和海底油田将是碳纤维复合材料应用领域的新增长点.以碳纤维复合材料代替传统金属材料制作建筑物的横梁、抗震结构,补强、修补或加固桥梁,制造油田勘探和开采器材以及平台、油、气储罐等将会有很大的发展.3总结碳纤维复合材料是一种高性能、多功能的先进复合材料.目前,国内外学者对于碳纤维复合材料的研究热点主要集中于复合材料的制备与工艺优化以及复合材料及结构的损伤破坏和承载能力分析等领域.我国在碳纤维复合材料的研究方面起步不晚,但由于在复合材料的制备、性能分析和设计等方面还比较落后,与发达国家相比,碳纤维复合材料在国内相关领域特别是航空航天领域的应用还存在较大差距.要扩大碳纤维及其复合材料的应用范围,应该一方面开发高性能的碳纤维,打破国外对我国的封锁,满足我国军事、航空航天等行业的要求;另一方面研究开发有特色的具有自主知识产权的低成本碳纤维生产技术以及成型费用低的复合材料制造新工艺.相信随着我国在碳纤维生产以及复合材料制备工艺领域的进一步发展,碳纤维及其复合材料在建筑、交通、化工等民用领域的应用前景将十分乐观,而其在航空航天及军事领域的应用也会更加广泛.参考文献:[1]贺福,王茂章.碳纤维及其复合材料[M].北京:科学出版社,1995.[2]宋焕成,赵时熙.聚合物基复合材料[M].北京:国防工业出版社,1990.[3]C HUNG D D L.C o m par ison of sub m icron-dia m eter carbon fila m ents and conventi 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and its co m pos ites i s ind i cated .K ey word s :carbon fi ber ;composite(责任编辑:顾浩然)279第3期 上官倩芡,蔡泖华:碳纤维及其复合材料的发展及应用。