碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用分析

熊睿彥 湖南省長(zhǎng)沙市長(zhǎng)郡中學(xué)

碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用分析

熊睿彥 湖南省長(zhǎng)沙市長(zhǎng)郡中學(xué)

碳纖維復(fù)合材料誕生于上世紀(jì)60年代，是以瀝青、粘膠纖維、PAN為原材料，經(jīng)氧化與碳化生產(chǎn)出的一種高強(qiáng)度、耐高溫、高模量特種材料。碳纖維復(fù)合材料有著優(yōu)良的特性，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，本文就碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用展開分析。

碳纖維復(fù)合材料 特性 應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料是新一代高性能無機(jī)復(fù)合纖維材料，以樹脂、陶瓷、金屬等材料為基體，經(jīng)熱處理工藝加工而成，含碳量高達(dá)90%以上，具有優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)性能，質(zhì)量輕，易于加工，是傳統(tǒng)材料替代品的首選，被廣泛應(yīng)用于航天航空、機(jī)械電子、電力、通信、生物、紡織化工等領(lǐng)域。

1 碳纖維復(fù)合材料的性能

1.1 化學(xué)性能

碳纖維復(fù)合材料的化學(xué)性能非常穩(wěn)定，在常溫常壓下具有惰性，不容易產(chǎn)生氧化作用，抗腐蝕性強(qiáng)，具有一定的吸附性能和抗輻射性能。

1.2 物理性能

1．2．1 導(dǎo)熱性能：碳纖維復(fù)合材料都具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)和較小的熱膨脹系數(shù)，通過晶格振動(dòng)來導(dǎo)熱，不需要依賴電子，也不需要遵循維德曼—夫蘭茲定律。

1．2．2 熱學(xué)性能：碳素材料比熱具有恒定性，不會(huì)隨著碳素材料的種類變化而發(fā)生變化。

1．2．3 力學(xué)性能：碳纖維復(fù)合材料擁有優(yōu)異的力學(xué)性能，。它們都具有很高的強(qiáng)度、韌性和剛度，拉伸性也很優(yōu)秀，有很好的耐疲勞性能，密度小而脆性較大。

1．2．4 電學(xué)性能：碳纖維復(fù)合材料具有非常好的導(dǎo)電性能。

1．2．5 耐熱性能：碳纖維復(fù)合材料具有極好的耐熱性能，能夠在溫度高達(dá)3000多度的環(huán)境下正常地發(fā)揮自身的功能，驟然從高溫降至低溫環(huán)境，也不會(huì)對(duì)它造成很大的影響，因此，可以應(yīng)用于急熱或者急冷的工作環(huán)境中。

2 碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

2.1 用于航天航空領(lǐng)域

碳纖維復(fù)合材料是高含量的碳元素與樹脂、陶瓷等物質(zhì)復(fù)合而成的增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)材料，因其具有較小的比重和很高的剛性和強(qiáng)度而成為航空航天材料的首選。

以環(huán)氧樹脂為基體的碳纖維復(fù)合材料可以被制成“納米繩”，用來運(yùn)送乘客或者各種供應(yīng)品到太空軌道站；航天工業(yè)利用碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱和耐熱特性來制造火箭噴管；航天飛機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)以及起落架、整流罩等次承力構(gòu)件都需要密度小、重量輕而且具有優(yōu)異力學(xué)、電學(xué)以及熱學(xué)等方面性能的航空航天材料，實(shí)踐證明，碳纖維復(fù)合材料完全符合要求。

2.2 用于電力和通信行業(yè)

工業(yè)的發(fā)展對(duì)電力輸送的要求越來越高，傳輸容量的一再擴(kuò)大導(dǎo)致輸電線路超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，停電、斷電故障頻發(fā)。電力傳輸需要具有高承載量、耐高溫、抗腐蝕、導(dǎo)電性能好的輕質(zhì)材料來進(jìn)行高容量的電力傳輸，碳纖維復(fù)合材料不僅符合這方面的要求，而且不會(huì)導(dǎo)致電纜下垂或者電纜架數(shù)量急劇增多的問題，還會(huì)在一定程度上減少電力的耗損。因而，碳纖維復(fù)合材料是一種較為先進(jìn)也較為理想的電力輸送材料。

碳纖維復(fù)合材料具有較高的電熱轉(zhuǎn)化率，不會(huì)在高溫下氧化，抗酸堿腐蝕，耐疲勞度好，是高性能的電纜和電線的應(yīng)用材料，在電力和通信行業(yè)應(yīng)用都較為普遍。

2.3 用于建筑行業(yè)

碳纖維復(fù)合材料在建筑行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛。在現(xiàn)代化的工程施工過程中，碳纖維復(fù)合材料經(jīng)常被用來加固公路、隧道、橋梁等工程建筑物，體現(xiàn)了這種新型物質(zhì)材料高強(qiáng)度、良好的耐久性、應(yīng)變能力和抗腐蝕能力都很強(qiáng)的特性。碳纖維材質(zhì)的梁架結(jié)構(gòu)比鋼材材質(zhì)的梁架結(jié)構(gòu)要輕的多，重量至少要減掉一半，而且這種碳素材料的安裝工作非常簡(jiǎn)單，在一定程度上加快了施工的進(jìn)程，提高了施工效率。

2.4 用于生物醫(yī)學(xué)

碳納米復(fù)合材料是一種新型的高分子碳纖維復(fù)合材料，已經(jīng)被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的領(lǐng)域當(dāng)中。醫(yī)生可以借助碳納米管獨(dú)特的孔狀結(jié)構(gòu)特性，將儲(chǔ)存于碳納米管中藥物的藥性激發(fā)出來，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體特殊部位藥物的控制和疾病的治療。此外,碳納米復(fù)合材料還可以用作醫(yī)療器材如人造骨骼以及各種輸液器材等的制造。碳纖維復(fù)合材質(zhì)的醫(yī)學(xué)器材具有非常好的功能特性以及優(yōu)異的生物相溶性,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有非常美好的應(yīng)用前景。

2.5 在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

除了上述領(lǐng)域外，碳纖維復(fù)合材料在汽車制造業(yè)、風(fēng)力發(fā)電、體育器材等領(lǐng)域也表現(xiàn)出了良好的前景。目前，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在朝著大尺寸、大型化方向發(fā)展，有效解決了傳統(tǒng)玻璃鋼葉片的問題，滿足了輕量化、大型化的生產(chǎn)要求。在汽車制造領(lǐng)域之中，碳纖維復(fù)合材料可以應(yīng)用在內(nèi)飾和結(jié)構(gòu)件的制造中，減輕了整車重量，節(jié)約了能耗。在體育器材上，碳纖維復(fù)合材料可以應(yīng)用于羽毛球拍、釣魚竿、自行車、滑雪板、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍的制造中。

近年來，我國(guó)碳纖維工業(yè)飛速發(fā)展，航天衛(wèi)星、飛機(jī)制造等各個(gè)領(lǐng)域大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，碳纖維生產(chǎn)能力及成型制造技術(shù)不斷提高，但是，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，技術(shù)水平還有待提升。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，碳纖維復(fù)合材料是新一代高性能復(fù)合纖維材料，具有其他材料無法比擬的物理和化學(xué)性能，在航空航天、電力、通信、建筑以及生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。在我們的日常生活中，部分家用電器、手機(jī)和電腦等電子產(chǎn)品以及各種高品質(zhì)的球拍、球桿等體育用品也是由碳纖維復(fù)合材料制成的。隨著科技的不斷進(jìn)步，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，碳纖維的應(yīng)用技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展，碳纖維復(fù)合材的料性能不斷提升，應(yīng)用前景越來越廣闊。

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