碳纤维材料及应用

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1、碳纤维材料及应用摘要：本文简要介绍了碳纤维材料的生产工艺以及碳纤维的性能，从航空航天与军事领域、体育运动领域、一般工业制造业领域以及土木工程建筑及新能源开发领域总结了碳纤维材料的应用状况，并在此基础上对于我国的碳纤维应用前景进行了展望。关键词：碳纤维生产工艺分类性能应用发展对策碳纤维是一种新型非金属材料。它一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂，金属，陶瓷，混凝土等材料中构成复合材料。碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、传热和热膨胀系数小等优异性能。既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用。因此，近年来碳纤维的应

2、用的发展十分迅速，在航空航天、汽车、能源、建筑、运动器材等众多领域得到了广泛的应用。1碳纤维的生产工艺碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。目前人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维做原料将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成。到目前为止，制成碳纤维的主要原材料有三种：①人造丝(粘胶纤维)；②聚丙烯腈(PAN)纤维，它不同于腈纶毛线；③沥青，它或者是通过熔融拉丝成各向同性的纤维，或者是从液晶中间相拉丝而成的，这种纤维是具有高模量的各向异性纤维。其中用的较多的是PAN和沥

3、青。无论用何种原丝纤维来制造碳纤维，都要经过五个阶段：㈠拉丝：湿法、干法或者熔融状态三种方法㈡牵伸：在室温以上，通常是100-300℃范围内进行。㈢稳定：通过400℃的加热氧化的方法。这种400℃的氧化阶段显著地降低所有的热失重，并保证高度石墨化和取得更好的性能。㈣碳化：在1000-2000℃范围内进行。㈤石墨化：在2000-3000℃范围内进行2碳纤维的分类按状态分为①丝束；②布料（由碳纤维制成的织物）；③预浸料坯（将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料用树脂浸泡使其转化成片状）；④切短纤维（短丝）。按力学性能分为通用型和高性能型。

4、通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa模量为100GPa左右）；高性能型碳纤维又分为：高强型（强度2000MPa、模量250GPa）；高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超高强型模量，大于450GPa的称为超高模型。3碳纤维的性能①轻质高强，其比重为铁的四分之一，比强度为铁的10倍，尤其是高弹模量碳纤维，其抗拉强度比钢材大68倍，弹性模量比钢材大1．8～2．6倍。②化学性能非常稳定，耐高温和低温以及耐腐蚀性高，在600℃高温下其性能保持不变，在-180℃低温下仍很柔韧，不与恶劣环境下酸、碱、盐发生腐蚀性反应。③可加工

5、性能好。例如，由于碳纤维布质轻又可折可弯，可适应不同构件形状，成型很方便，可根据受力需要粘贴若干层，而且施工时不需要大型设备，也不需要采用临时固定，对原结构无新的损伤。此外，碳纤维的其他特性还包括高强度的X射线穿透性、较高的抗热、导电性及抗磨蚀性能等。4碳纤维的应用4.1航空航天领域由于碳纤维性能优越，其复合材料具有高比强度、设计性好、结构尺寸稳定、抗疲劳断裂性好和可大面积整体成型，以及特殊的电磁性能和吸波隐身的特点，鉴于其在工业化生产初期，成本非常高，因此主要应用于少量的高科技的航空航天及军事领域，如用于生产军用、民用飞机以及战略导弹和运载

6、火箭等。在航空领域，碳纤维用于包括水平和垂直机尾，地板梁等材料，它们被称作基础结构材料，除了基础结构材料外，碳纤维还用于副翼、螺旋浆、升降梯、引擎和其他部件。碳纤维也大量用于航天器的制造材料，如在人造卫星中它们被用作构件、太阳能板、天线和其它部件等。 2010年1月，采用碳纤维和钛材料制造的波音787梦幻客机试飞成功。波音787机身80%由合成材料制造，其中碳纤维增强材料达到35吨，因此可大大减轻飞机重量。这种客机油耗少，减少碳排放效果显著，维护方便，能够给航空公司节省燃料和维护费用，一经试飞就引起世界各国的关注。但由于革命性地使用碳纤维材料

7、，如何与其它材料结合这个问题仍具有很大的风险性，也就是说，波音的新型787梦幻客机在空中飞行时将面临新的挑战。图4.1波音787的选材4.2一般制造业领域在一般工业制造领域中，碳纤维材料现已成为汽车制造商青睐的材料，在汽车内外装饰中开始大量采用。据悉，福特和保时捷生产的GT型赛车发动机机罩已全部采用碳纤维材料；奔驰的57S型轿车原来内装饰全部是木质材料，现在则以碳纤维替代；通用的雪佛莱轿车底盘的内装饰材料也采用碳纤维；宝马公司将M6型轿车的顶篷全部采用碳纤维，并进行技术处理，使其保持金属材料的光泽。在工业领域，碳纤维还可应用于机器部件、家用电

8、器、微机、及与半导体相关设备，用来起到提高强度、防静电和电磁波防护的作用。另外，在X射线仪中，碳纤维的应用可以减少人体在X射线下的暴露。随着环保要求的提高，碳纤维开