試論碳纖維復(fù)合材料

鄭泓宇 申愛玲

摘 要：主要介紹了碳纖維復(fù)合材料的基本概述，并對它的一些結(jié)構(gòu)性能、應(yīng)用（主要在航空領(lǐng)域的應(yīng)用）、發(fā)展，并分析了目前我國碳纖維復(fù)合材料的研究進(jìn)展和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；碳纖維樹脂基復(fù)合材料；碳/碳復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)性能；發(fā)展；航空領(lǐng)域。

1、碳纖維復(fù)合材料的性能及主要用途

由于碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工性好，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，且碳纖維比重小。

（1）碳纖維的化學(xué)性能

碳纖維是一種纖維狀的碳素材料。我們知道碳素材料是化學(xué)性能穩(wěn)定性極好的物質(zhì)之一。這是歷史上最早就被人類認(rèn)識的碳素材料的特征之一。除強(qiáng)氧化性酸等特殊物質(zhì)外，在常溫常壓附近，幾乎為化學(xué)惰性。可以認(rèn)為在普通的工作溫度≤250℃環(huán)境下使用，很難觀察到碳纖維發(fā)生化學(xué)變化。根據(jù)有關(guān)資料介紹，從碳素材料的化學(xué)性質(zhì)分析，在≤250℃環(huán)境下，碳素材料既沒有明顯的氧化發(fā)生，也沒有生成碳化物和層間化合物生成。由于碳素材料具有氣孔結(jié)構(gòu)，因此氣孔率高達(dá)25%左右，在加熱過程易產(chǎn)生吸附氣體脫氣情況，這樣的過程更有利于我們穩(wěn)定電氣性能和在電熱領(lǐng)域的應(yīng)用。

（2）碳纖維的物理性能

（a）熱學(xué)性質(zhì)

碳素材料因石墨晶體的高度各向異性，而不同于一般固體物質(zhì)與溫度的依存性，從工業(yè)的應(yīng)用角度來看，碳素材料比熱大體上是恒定的。幾乎不隨石墨化度和碳素材料的種類而變化

（b）導(dǎo)熱性質(zhì)

碳素材料熱傳導(dǎo)機(jī)理并不依賴于電子，而是依靠晶格振動導(dǎo)熱，因此，不符合金屬所遵循的維德曼—夫蘭茲定律。根據(jù)有關(guān)資料介紹，普通的碳素材料導(dǎo)熱系數(shù)極高，平行于晶粒方向的導(dǎo)熱系數(shù)可與黃銅媲美

（c）電學(xué)性質(zhì)

碳素材料電學(xué)性質(zhì)主要與石墨晶體的電子行為和不同的處理溫度有關(guān)，石墨的電子能帶結(jié)構(gòu)和載流子的種類及其擴(kuò)散機(jī)理決定了上述性質(zhì)。碳素材料這類電學(xué)性質(zhì)具有本征半導(dǎo)體所具備的特征，電阻率變化主要與載流子的數(shù)量變化有關(guān)。

總結(jié)碳纖維復(fù)合材料的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用有以下幾個方面

（1）航天領(lǐng)域

碳纖維復(fù)合材料因其獨(dú)特、卓越的性能，在航空領(lǐng)越特別是飛機(jī)制造業(yè)中應(yīng)用廣泛。統(tǒng)計顯示，目前，碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)上的使用量已占70%～80%，在軍用飛機(jī)上占30%～40%，在大型客機(jī)上占15%～50%。

（a）碳纖維樹脂基復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）具有質(zhì)量輕

等一系列突出的性能，在對重量、剛度、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域以及要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復(fù)合材料都具有很大優(yōu)勢。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料已成為生產(chǎn)武器裝備的

重要材料。AV—8B 改型“鷂” 式飛機(jī)是美國軍用飛機(jī)中使用復(fù)合材料最多的機(jī)種，其機(jī)翼、前機(jī)身都用了石墨環(huán)氧大型部件，全機(jī)所用碳纖維的重量約占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重量的26%，使整機(jī)減重9%，有效載荷比AV—8A飛機(jī)增加了一倍。數(shù)據(jù)顯示采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的前機(jī)身段，可比金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量32.24%。用軍機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的重要指標(biāo)——結(jié)構(gòu)重量系數(shù)來衡量，國外第四代軍機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)已達(dá)到27～28%。未來以F-22 為目標(biāo)的背景機(jī)復(fù)合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復(fù)合材料將成為主體材料。國外一些輕型飛機(jī)和無人駕駛飛機(jī)，已實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化。

直升飛機(jī)上碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的用量更是與日俱增。武裝了駐港部隊(duì)并參加了2007 年上海合作組織在俄羅斯反恐軍演的直-9 型直升飛機(jī)，是我國先進(jìn)的直升飛機(jī)。該機(jī)復(fù)合材料用量已占到60%左右，主要是CFRP。此外，日本生產(chǎn)的OH-1 “忍者”直升飛機(jī)，機(jī)身的40%是用CFRP，槳葉等也用CFRP 制造。

在民用領(lǐng)域，世界最大的飛機(jī)A380 由于CFRP 的大量使用，創(chuàng)造了飛行史上的奇跡。這種飛機(jī)25%重量的部件由復(fù)合材料制造，其中22%為碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）。由于CFRP 的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損，從而大大減少了油耗和排放。燃油的經(jīng)濟(jì)性比其直接競爭機(jī)型要低13%左右，并降低了運(yùn)營成本，座英里成本比目前效率最高飛機(jī)的低15%～20%，成為第一個每乘客每百公里耗油少于三升的遠(yuǎn)程客機(jī)。

（b）碳/ 碳復(fù)合材料

碳/ 碳復(fù)合材料是以碳纖維及其制品（碳?xì)只蛱疾迹┳鳛樵鰪?qiáng)材料的復(fù)合材料。因?yàn)樗慕M成元素只有一個（即碳元素），因而碳/碳復(fù)合材料具有許多碳和石墨材料的優(yōu)點(diǎn)，如密度低（石墨的理論密度為2.3g/cm3）和優(yōu)異的熱性能，即高的熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)，能承受極高的溫度和極大的熱加速率，有極強(qiáng)的抗熱沖擊，在高溫和超高溫環(huán)境下具有高強(qiáng)度、高模量和高化學(xué)惰性。憑借著輕質(zhì)難熔的優(yōu)良特性，碳纖維增強(qiáng)基體的（C/C）復(fù)合摩擦材料在航空航天工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。航天飛機(jī)軌道的鼻錐和機(jī)翼前緣材料，都會選用碳碳復(fù)合材料。另外還大量用作高超音速飛機(jī)的剎車片，目前，國際上大多數(shù)軍用和民用干線飛機(jī)采均用碳纖維增強(qiáng)基體的復(fù)合材料剎車副。這種剎車副不僅質(zhì)量輕、抗熱沖擊性好、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、使用壽命長，更為方便的是可設(shè)計性強(qiáng)，性能便于調(diào)節(jié)。還可制作發(fā)熱元件和機(jī)械緊固件、渦輪發(fā)動機(jī)葉片和內(nèi)燃機(jī)活塞等。

2.我國碳纖維復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代的碳纖維是以聚丙烯腈、人造絲或木質(zhì)素為原絲，將有機(jī)纖維跟塑料樹脂結(jié)合在一起高溫分解并且碳化后得到的，還不能直接用碳或石墨來制取。

據(jù)了解，目前全球碳纖維產(chǎn)能約3.5萬噸，我國市場年需求量6500噸左右，屬于碳纖維消費(fèi)大國。在以“高性能聚丙烯腈碳纖維制備的基礎(chǔ)科學(xué)問題”為主題的第335次香山科學(xué)會議上，會議執(zhí)行主席、國家自然科學(xué)基金委員會師緒院士指出，與國外技術(shù)相比，我國碳纖維領(lǐng)域還存在較大差距。2007年，我國碳纖維產(chǎn)能僅200噸左右，而且主要是低性能產(chǎn)品。由于缺少具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)支撐，目前國內(nèi)企業(yè)尚未掌握完整的碳纖維核心關(guān)鍵技術(shù)。這就使得我國碳纖維在質(zhì)量、技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模等方面均與國外存在很大差距，絕大部分高性能增強(qiáng)材料都長期依賴進(jìn)口，價格非常昂貴。由于缺乏創(chuàng)新與集成和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，極大地制約了我國碳纖維復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展。

基于我國高性能碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)尚不能滿足國民經(jīng)濟(jì)快速、健康、持續(xù)發(fā)展的需求，國家發(fā)展改革委2008～2009 年組織實(shí)施高性能纖維復(fù)合材料高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)，重點(diǎn)支持碳纖維、芳綸纖維、高強(qiáng)聚乙烯纖維及其高性能復(fù)合材料的生產(chǎn)技術(shù)及關(guān)鍵裝備的產(chǎn)業(yè)化示范，以滿足國民經(jīng)濟(jì)以及航空航天等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，培育一批具有國際競爭力的龍頭企業(yè)。這一舉措將為我國從材料大國轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧蠌?qiáng)國奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。今年5月，由鷹游紡機(jī)自主研發(fā)的碳纖維生產(chǎn)線和神鷹碳纖維項(xiàng)目通過國家級驗(yàn)收，標(biāo)志著我國碳纖維生產(chǎn)已成功實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。

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作者簡介

鄭泓宇（1996-），男，漢族，江西景德鎮(zhèn)人，邵陽學(xué)院本科在讀，邵陽學(xué)院，專業(yè)方向：材料成型及控制工程

申愛玲，指導(dǎo)老師，當(dāng)前任職邵陽學(xué)院

（作者單位：邵陽學(xué)院）