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碳纤维增强复合材料概述

摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。

关键字：碳纤维，复合材料，应用

Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials.

Key words: carbon fiber, composite materials, applications

1.碳纤维增强复合材料介绍

复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituent materials），它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之

间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。

碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8 µm 内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、氧等元素得以排出，成为一种接近纯碳的材料，含碳量一般都在90%以上，而本身质量却大为减轻；由于碳化过程中对纤维进行了沿轴向的预拉伸处理，使得分子沿轴向进行取向排列，因而碳纤维轴向拉伸强度大大提高，成为一种轻质、高强度、高模量、化学性能稳定的高性能纤维材料。用碳纤维和高性能的树脂基体复合而成的先进树脂基复合材料是目前用得最多，也是最重要的一种结构复合材料。此外，用天然纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维作增强体的树脂基复合材料也在快速发展。

碳纤维增强复合材料( CFRP) 是目前最先进的复合材料之一。它可以兼顾碳纤维和基体的性能而成为综合性能更为优异的工程结构材料和具有特殊性能的功能材料。它以其轻质高强、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,是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。碳纤维复合材料因其较高的比强度、比模量在国外先进战略、战术固体火箭发动机方面应用较多,如美国的战略导弹侏儒三级发动机壳体, 三叉戟一、二、三级发动机壳体的复合材料裙,民兵系列发动机的喷管扩张段, 部分固体发动机及高速战术导弹美国的THAAD、ERINT 等。目前,C F R C 在人造卫星及高性能飞机等航空航天材料中得到了相当广泛的应用，除军用外, 开发纤维复合材料的其它应用也大有作为, 如飞机及高速列车刹车系统、民用飞机及汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承、风力发电机大型叶片、体育运动器材(如滑雪板、球拍、渔杆)等。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的逐步下降, 在增强混凝土、新型取暖装置、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用也必将迅速扩大。我国为配合北京奥运会,拟大力开发新型CFRP建材及CFRP的研究和开发应用已成为一项涉及多项学科领域的系统工程,而CFRP的发展状况则成为一个国家材料科学乃至整个科学技术发展水平的重要标志之一。

2. 碳纤维复合材料的优点[2]

碳纤维复合材料与金属材料或其他工程材料相比，具有以下许多优良的性能：

1）比强度和比模量高

高强度碳纤维-环氧基复合材料（单向）的比强度是钢SAE1010 （冷轧）的近20 倍，是铝6061-T6的近10 倍；其比模量则超过这些钢和铝材的3倍。这些特性使CFRP材料的利用效率大为提高，实际证明用CFRP 代替钢或铝可减轻重量达20%～40%，因而在许多工业领域特别是在航空航天领域得到广泛的应用。业内专家指出，飞机自重每减少1 kg，相当于五百万美元的累积经济效益，由此可以看出复合材料在航空航天领域内的重要地位。不仅如此，其他如汽车、海运、交通等与运行速度要求有关的部门都会因采用复合材料而大为受益。

2）材料性能的可剪裁性（tailorability）

大多数CFRP 可通过设计增强纤维的取向及用量来对结构材料的性能实行剪裁，达到性能最佳化。例如，可把复合材料设计成在主受力方向上有足够的纤维取向来承受载荷，其他方向有适当的纤维来承受剪切载荷或其他载荷，而这种多纤维取向结构的成型又可通过不同的成型技术来完成。复合材料的这种性能可剪裁性，不仅可提高材料的使用效率，而且有助于从材料到结构的设计和制造实行一体化，既简化了制造程序，又降低了制造成本。

3）成型工艺的多选择性

复合材料技术经过几十年的发展，到现在有数十种不同的成型工艺可供选择，如热压罐、模压、纤维缠绕、树脂传递模塑

（RTM）、拉挤、注射、喷塑、搓管以及大型复杂部件的共固化整体成型技术等，实际应用时可根据构件的性能、材料种类、产量规模和成本等因素选择最适合的成型方案。

4）良好的耐疲劳性能

层压的CFRP 对疲劳裂纹扩张有“抑制”作用，这是因为当裂纹由表面向内层扩展时，到达某一纤维取向的层面时，会使裂纹扩展在该层面内呈现断裂发散，这种特性使得CFRP的疲劳强度大为提高。研究表明钢和铝的疲劳强度是静力强度的50%，而CFRP 可达90%。

5）良好的抗腐蚀性

由于CFRP 的表面是一层高性能的环氧树脂或其他树脂塑料，因而具有良好的耐酸、耐碱及耐其他化学腐蚀性介质的性能。这种优点使CFRP在未来的电动汽车或其他有抗腐蚀要求的领域上应用具有很强的竞争力。

3.碳纤维增强复合材料的应用

3.1固体火箭发动机应用方面

碳纤维复合材料制造的壳体具有强度高、刚度大、尺寸稳定等特点,因此,碳纤维复合材料可用于新型陆基机动固体洲际导弹一二、三级发动机壳体、新一代中程地地战术导弹发动机壳体[3]。如美国侏儒小型地对地洲际弹道导弹三级发动机燃烧壳体由IM-