碳纤维复合材料的应用

开发指南

精细化工原料及中间体2012年第6期

1前言

碳纤维复合材料自20世纪50年代面世以来，以其独特的性能，主要用于火箭、航天、航空等尖端科学技术，随着碳纤维复合材料性能的不断完善和提高，目前在土木建筑、石油工业、汽车工业、体育器材等领域得到广泛应用。

2碳纤维复合材料的性能

碳纤维是由碳元素组成的特种纤维，其含碳量一般在90%以上。在纤维增强材料中碳纤维是发展最迅速、应用范围很广、适于不同领域要求的纤维材料。

碳纤维材料基本性能如下：密度小、质量轻，密度为1.5～2g/cm 3，相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2；强度、弹性模量高，其强度比钢大4～5倍，弹性回复100％；具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂；导电性好，25℃时高模量纤维为775μΩ·cm -1，高强度纤维为1500μΩ·

cm -1；耐高温和低温性好，在3000℃非氧化气氛下不

融化、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HCl 、H 3PO 4、H 2SO 4

等侵蚀。

3碳纤维复合材料的应用3.1土木建筑领域的应用

水泥在土木建材领域中用量最大，但水泥也有诸如脆性大、抗拉强度低等缺点，而现在用混凝土或水泥做基体制成的碳纤维增强复合材料，强度高、模量大、比重小、耐碱腐蚀，克服了水泥的缺点，在土木建筑应用中日益受到重视。用碳纤维取代钢筋，可消除钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用，使建筑构件重量减轻，安装施工方便，缩短建筑工期[1]。

碳纤维复合材料片是采用常温固化的热固性树脂（通常是环氧树脂）将定向排列的碳纤维束粘结起来制成的薄片。日本、欧美国家将碳纤维复合材料片用于加固震后受损的钢筋混凝土桥板，这种薄片按照设计要求，贴在结构物被加固的部位，充分发挥碳纤维的高拉伸模量和高拉伸强度的作用，来修补加固钢筋混凝土结构物[2]，此外在增强石油平台壁及耐冲击性能的许多工程上都获得了较大的应用。

3.2航空航天领域的应用

航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载

Application of Carbon Fiber Composite Materials

CHEN Shijie

（ChangZhou LGJ Vocational Technology College ，Changzhou 213004,china ）

Abstract:The properties of carbon fiber composites and the development and application of carbon fiber composites in Bridge reinforcement,Aerospace and Aviation industry,oil industry were presented in this paper.

Keywords:carbon fiber;composites;application 碳纤维复合材料的应用

陈士杰

（常州刘国钧高等职业技术学校江苏常州213004）

摘要：本文概述了碳纤维复合材料的发展和性能，简要介绍了碳纤维复合材料在土木工程、航空航天、石油工业等方面的应用情况。

关键词：碳纤维

复合材料

应用

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2012年第6期精细化工原料及中间体开发指南

火箭减轻500公斤[3]。同样，飞机重量的减轻可以节省油耗，提高航速，在航空航天工业中竞相采用先进复合材料。碳纤维具有高比强度、比模量、低热膨胀系数和高导热性等独特性能，因而由其增强的复合材料用作航空航天结构材料，减重效果十分显著，应用潜力巨大[4]。欧洲空客公司A380客机上的机舱内壁板、后机身蒙皮、水平安定面等都是碳纤维复合材料。

采用碳纤维复合材料将大大减轻火箭和导弹的惰性重量，既减轻发射重量又可节省发射费用或携带更重的弹头或增加有效射程和落点精度[3]。我国早在八十年代就在某型海防导弹上成功采用了碳纤维复合材料。

人造卫星展开式太阳能电池板也多采用碳复合材料制作。碳纤维增强热固性树脂基复合材料（如C/EP、C/PI或C/BMI）和热塑性树脂基复合材料（如C/PEEK，C/PPS），作为结构隐身材料目前也已经得到了某些应用[5]。

3.3石油工业的应用

美国经过10多年的努力,于20世纪90年代初研制成功碳纤维复合材料连续抽油杆，试验结果表明：碳纤维复合材料连续抽油杆克服普通钢抽油杆质量大、耗能高、失效频繁、活塞效应大、起下作业速度慢、易偏磨的缺点，是一种很有发展前途的特种抽油杆[6]。

近来世界第五、亚洲第一大石油公司中国石油将致力于发展碳纤维产业,未来有能力跻身于碳纤维产业世界前三强。中国石油致力于拓宽碳纤维复合材料的应用领域，向高端市场延伸。特别是海上钻井平台，目前每个平台要使用钢材8万吨，如果改用复合材料，则每个平台仅消耗1.3万吨的碳纤维复合材料。深海油气田将是碳纤维复合材料发挥作用的重要领域。

3.4汽车工业及体育用品中的应用

碳纤维扩大应用的最大希望在于在汽车工业的应用。日前，通用汽车和碳纤维材料生产商帝人公司宣布将联合开发先进的碳纤维复合材料技术，帝人公司拥有可以在一分钟的时间内生产出碳纤维增强热塑性汽车零部件专利技术。与普通钢材相比，碳纤维的重量仅为其四分之一，但强度却达到它的10倍。应用碳纤维复合材料生产汽车零部件后，有望大幅降低车身重量。车辆使用碳纤维，可以拥有更轻的重量、更好的燃油经济性以及同样出色的安全性。洛克希德马丁能源研究所（Lockheed martin Energy Research）的瓦伦（David Warren）统计过，如果每一辆北美的汽车用2.2kg碳纤维，那北美1800万辆小车的碳纤维总量就超过当前全球大丝束碳纤维总生产能力的4倍[7]。

碳纤维复合材料在运动器材中也得到了广泛应用。包括高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、钓鱼竿、自行车架、冰球拍、船桨、赛艇等，都已经形成了成熟的市场。

4结语

目前我国碳纤维复合材料发展迅速，在“神七”飞船所用材料中，复合材料的比例已达到65%左右，前不久针对我国启动的大飞机攻关项目，专家明确提出，复合材料用量应至少达到25%。但由于技术原因，我国碳纤维复合材料的工业化进展一直不快，碳纤维原料及其复合材料一直严重依赖进口，在碳纤维的低成本上和复合材料成型技术上我们还要花很大的力气。

参考文献

[1]高鑫．碳纤维在土木建筑中的应用[J].建材工业信息, 2004,(5):40~41.

[2]赵稼祥．2002世界碳纤维前景[J].高科技纤维与应用, 2002,27(6):7~9.

[3]韩冰,陈平．碳纤维复合材料火箭发动机壳体用韧性环氧树脂基体的研究[J].复合材料学报,2002,19(2):25~27.

[4]赵稼祥．碳纤维复合材料在民用航空上的应用[J].高科技纤维与应用,2003,28(3):33~35.

[5]袁健．碳纤维复合材料天线反射面研制[J].火控雷达技术, 2003,32:44~46.

[6]吴则中,田丰,张海宴,郑永生,郑银强．碳纤维复合材料连续抽油杆的特点及应用前景[J].石油机械,2002,30(2):53~ 56.

[7]储长流,朱宁．碳纤维的性能与应用[J].北京纺织,2001, 22,(6):39~41.

作者简介

陈士杰（1982-）籍贯：江苏常州；学历：本科；职称：常州刘国钧高等职业技术学校讲师；现从事化工专业主干课程教学工作。

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