碳纤维复合材料应用进展

新材料与应用ｆ　ＮＥＷ　ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ　ＡＮＤ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　碳纤维复合材料应用进展　刘阳谷亚新孙小魏　（１１０１６８辽宁省沈阳市沈阳建筑大学材料学院）　【摘要】文章以碳纤维基复合材料多种优异的性能为中心，着重介绍了其在高科技领域、民用领域及工业　领域的应用进展，并展望了碳纤维基复合材料未来的发展趋势。　【关键词】碳纤维；碳纤维复合材料；发展；应用　【中图分类号】ＴＵ５０２　【文献标志码】Ｂ【文章编号】１　００３—１　３２４（２０１　１）一０５—００７６—０３　Ｏ引言　碳纤维是一种纤维状材料，其化　学组成中含碳质量分数在９Ｏ％以上。　功能材料发挥作用。　温碳化、高温碳化等工艺流程制得。　采用聚丙烯腈纤维制得的碳纤维，生　１碳纤维的生产工艺及发展　产工艺简单，产品的力学性能良好，　它具有高比强度、高比模量、耐高温　和低温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、　碳纤维生产工艺流程长，是多学　因此得到广泛应用，发展迅速。在碳　科、多技术的集成。碳纤维可由聚丙　纤维的生产过程中，由于原料及制法　　导电、传热等一系列的优异性能，既　烯腈纤维、沥青纤维、木质素纤维或　不同，所得碳纤维的性能也不一样，可作为结构材料承载负荷，又可作为　粘胶纤维等作为原丝，经过氧化、低　其中原丝是影响产品品质的关键之　收稿日期：２０１１—０３—０３　（上接第８３页）由图３可知，当纳米　强度，当掺量为水泥用量的１．５％时，　ＣａＣＯ　掺量为０，５％～１．５％时，由于取代　其３ｄ、７ｄ和２８ｄ抗压强度相比基准混　水泥，减少了水泥用量，同时由于纳　凝土分别提高３．９％、７．５％￣ｎ５．６％；当　和１６．４％。　３．３纳米Ｃ　ａＣＯ，掺量建议为　１．０％～１．５％之间，在此范围内可以提高　米ＣａＣＯ　与水泥发生化学反应生成低　掺量分别为０　５％、１．Ｏ％、２．０％、３　Ｏ％　混凝土的抗压强度和抗折强度。　碳型水化碳铝酸钙。　和４．０％时，３ｄ抗压强度相比基准混凝　参考文献　…冯乃谦，刑峰．高性能混凝土　相比水泥用量的减少量，生成　土分别降低了２６．１％、１８．３％、１３．３％、　５％和１８．３％，７ｄ抗压强度则分别降　的配制技术【Ｍ】．北京：原子能出版社，　的低碳型水化碳铝酸钙量较少，不足　１３．以弥补由于水泥用量减少造成的水泥　低了１８．３％、１２．４％、１１．６％、１８．３％和　水化进程缓慢，进而表现出混凝土的　１　２．４％，２８ｄ抗压强度则分别降低了　１％、１．３％、８．１％、４．５％￣ｕｌｏ．４％。　抗压强度和抗折强度较低；当掺量为　６．２０００：１９０－１９１．　【２］李固华，高波．纳米微粉ｓｉｏ　和　ＣａＣＯ　对混凝土性能的影响Ｕ】．铁道学　１．５％时，水泥减少量和生成的低碳型　３．２纳米ＣａＣＯ　在适当掺量的时候　报，２００６，２８（１）：１３１—１３６．　【３】沈威，黄文熙，闵盘荣．水泥工　水化碳铝酸钙量达到一个平衡点，从　可以显著提高混凝土的早期和２８ｄ抗折　５％时，其３ｄ、７ｄ和　艺学【Ｍ］．武汉：武汉工业大学出版社，　而使混凝土的力学性能达到最佳；而　强度，当掺量为１．当掺量超过１．５％时，则生成低碳型水　２８ｄ抗折强度相比基准混凝土分别提高　化碳铝酸钙量过多，同时水泥用量减　１３．５％、１４．Ｏ％和６．６％；当掺量分别为　２００２：１９５－１９７．　【４】吴承桢，陈步荣，叶勇抱．石灰　少更多，两者相互作用从而使混凝土　０．５％、１．Ｏ％、２．Ｏ％、３．Ｏ％和４．０％时，３ｄ　石硅酸盐水泥的研究Ｕ】．南京化工大学　表现出较差力学ｈ生能。　９９９，２１（４）：１８—２１．　抗折强度相比基准混凝土分别降低了　学报，１１６．２％、８．０％、１０馏％、２．７％和５．４％，７ｄ　作者简介　张永超（１９８３一），男，助理工程师，　３结论　抗折强度则分别降低了９．３％、１　１．６％、　３．１纳米ＣａＣＯ，在适当掺量的时候　１４．０％、１８．６％￣Ｕ２３．３％，２８ｄ抗折强度则　从事混凝土研究试验工作，Ｅ—ｍａｉｌ：　可以显著提高混凝土的早期￣ｕ２８ｄ抗压　分别降低了４．９％、９．８％、１１．５％、１４．８％　ｄｗｊｌｗａ＠１２６．ｃｏｍ　７６圃　粥ｇ　主要表现在碳纤维原丝的喷丝工　艺、聚合工艺、原料配比等方面。　１３　有得到取向度和强度高、热转化性能　好、　杂质和缺陷少和纤度均匀的原丝　才有可能生产出高品质的碳纤维。高　品质的原丝是生产高性能碳纤维的关　键制约因素，根据原丝的类型可将碳纤　维分为聚丙烯睛基碳纤维、纤维素基　碳纤维、沥青基碳纤维、酚醛基碳纤　维等几种类别。　此外，根据碳纤维的　力学性能差异又可分为高模量，超高　模量，高强度和超高强度４种。　我国碳纤维的研制从２０世纪６０　年代起，由中科院长春应用化工所率　先开始研究，之后山西煤炭化学研究　所、吉林炭素厂、兰州炭素厂、上海　硅酸盐研究所、上海炭素厂、广州陶　瓷厂、辽源石油化工厂、上海合成纤　属材料和混凝土的强度和韧性，混凝　研究，其研究成果已在导弹弹头、固　维研究所、安徽大学等单位相继加入　土材料的导电性能等，其中使用得最　体火箭发动机壳体、卫星及飞船上等　研究，生产工艺还在不断完善之中㈦。　多、最广泛的是树脂基复合材料。随　得到应用；用碳纤维增强陶瓷可有效　目前，碳纤维生产技术主要掌握在日　着碳纤维复合材料的不断发展，其用　地改善韧性，改变陶瓷的脆性断裂形　态，同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅　本东丽公司、东邦公司和三菱人造丝　途也正在曰益拓展，发展十分迅速，　公司手中。　世界各国对发展碳纤维都给予了高度　速传播、扩展。　的重视。目前，碳纤维复合材料已广　目前国内外比较成熟的碳纤维　２碳纤维复合材料　泛用于航天、航空等高科技领域，汽　增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材　碳纤维虽然可单独使用发挥某　车制造、体育用品等民用领域和工业　料，因其具有优良的高温力学性能，　些功能，但它属于脆性材料，伸长率　领域，需求量不断增加，增长率持续　在高温下使用不需要额外的隔热措　低，因此直接使用的量不大。只有将　保持在每年１５％左右。　施，因而在航空发动机、可重复使用　它与基体材料牢固地结合在一起，才　航天飞行器等领域具有广泛应用Ｉ　。碳　纤维增强树脂基复合材料在航空航天　领域也有着大量的应用，如航天飞机　的舱门、仿生机械臂以及压力容器等　能体现出其优异的力学性能，使之更　３碳纤维复合材料的应用　好地承载负荷。　３．１高科技领域　因此，碳纤维主要还是在复合　材料中作增强材料。根据使用目的不　碳纤维复合材料密度低、刚性　因为应用碳纤维增强树脂基复合材料　同，可选用各种基体材料和复合方式　好和强度高，　是发展航空、航天、导　而具有质量轻、强度高的优点。　来达到所要求的复合效果，是先进　弹、　火箭、卫星等尖端技术不可缺少　２民用应用领域　复合材料中最重要的增强材料。碳纤　的结构材料和耐烧蚀材料。随着其不　３．维可用来与各种树脂、橡胶、陶瓷、　断发展　已经逐渐成为一种先进的航　随着碳纤维产量的提高，碳纤　维市场的扩大，价格不断降低，民用　玻璃、金属、混凝土等材料复合．赋　空航天材料。　予复合材料新的优良性能，制作出各　种结构材料和绝热材料。如改善陶瓷　一例如碳纤维增强碳基复合材料是　领域不断扩大，如碳纤维已经渗透到　种高级复合材料，我国对碳　碳烧　高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、钓鱼　材料的韧性，碳材料、树脂材料、金　蚀材料相关的科技问题进行了深入地　竿、游艇、赛艇、汽车构件、火车零　新材料与应用Ｉ　ＮＥＷ　ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ　ＡＮＤ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　件、石油、化工等多个领域。　３，２．１飞机和汽车制造　领域的新增长点。　３．３．１土木建筑　纤维，研发有特色低成本的碳纤维生　产技术以及其复合材料制造新工艺，　随着航空制造技术的不断发展，　碳纤维加固建筑结构是以碳纤维　满足我国军事、航空航天等行业的要　先进民用飞机在结构中大量地使用了　复合材料代替传统金属材料制作建筑　求，同时要借鉴国际先进的生产技术　碳纤维增强树脂基复合材料，主要部　物的横梁、抗震结构，补强、修补或　经验，加快发展步伐，努力缩小国际　位有：整流包皮、副翼、发动机罩、　加固桥梁。如碳纤维复合材料加固混　间的差距。　阻力板、扰流器、起落架舱门、水平　凝土结构技术，目前已经成为研究和　和垂直尾翼、方向舵及其他主要及次　工程应用的热点，国内数十个高校和　要承力结构件等。　科研院所先后开展了碳纤维加固建筑　我国自行研制的碳纤维复合材料　结构的研究，并取得了高水平的研究　刹车预制件，其性能已全面达到国外　成果。同时，已完成碳纤维复合材料　水平，采用这一预制件技术所制备的　加固工程近百项。由于我国具有世界　参考文献　【１】贺福，王茂章碳纤维及其复　国产碳一碳刹车盘已批量装备于国防　上最为巨大的土木建筑市场，碳纤维　合材料【Ｍ】．北京：科学出版社，１９９５．　重点型号的军用飞机，并在Ｂ７５７—２。０　加固建筑结构的应用将呈现不断增长　［２】陈绍杰．聚焦碳纤维Ⅲ．高科　技纤维与应用，２００６，３１（１）：１—８．　【３］ＣＨＵＮＧ　Ｄ　Ｄ　Ｌ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ－－ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｌａｍｅｎｔｓ　型民航飞机上使用，在其他机型上的　的趋势。　使用也正在实验考核之中，并将向坦　３．３．２碳纤维复合材料抽油杆　克、高速列车、高级轿车、赛车等推　广使用　。　以碳纤维复合材料代替传统材料　制造油田勘探和开采器材以及平台、　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎｌ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒｓ　ａｓ　ｆｉｌｌｅｒｓ　ｉｎ　３．２．２体育器材　油、气储罐等将会有很大的发展。据　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．Ｃａｒｂｏｎ，２００１，　我国在２０世纪８Ｏ年代初开始研　资料显示，２００８年将近１０％左右的新　ｆ３９）：１１１９—１１２５．　究应用碳纤维复合材料制备体育运动　增抽油杆由碳纤维复合材料抽油杆取　【４］何新波．连续纤维增强碳化硅陶　器材，如高尔夫球杆、钓鱼杆、渔线　代，共需碳纤维４２０ｔ左右，￣１Ｊ２０１０年如　瓷基复合材料研究【Ｄ】．长沙：中南工业　轮、网球拍、羽毛球拍、自行车架　果按１　５％的取代量计算，则碳纤维消　大学，２０００：１５，１６．　　。　等，１９８７年，中山大学与东莞玻璃钢　耗量可达６２４ｔ【５】贺福．碳纤维及其应用技术【Ｍ】　．厂合作研制成功了碳纤维一玻璃纤维　北京：化学工业出版社，２００４．　【６】翁蕾营．高性能碳纤维的生产　混杂增强环氧树脂的蜂窝夹层结构四　４展望　人皮艇　。　３．２．３风力发电机叶片　近年来，我国的碳纤维研发取得　和应用ｕＪ．印染助剂，２００６，２３（５）：　了突破性进展，我们用自己的原丝生　１—３．　风力发电机叶片的尺寸取决于　产出的碳纤维，性能指标基本上达到　发电机额定功率的大小。当前世界上　【７】赵稼祥．２００８年世界碳纤维前　了日本东丽公司Ｔ３００量级的水平，初　景会『‘『Ｉ．高科技纤维与应用，２００８，　３３（５）：１—６．　风力发电机组的发电机额定功率越来　步满足了国内军、民用产品的需求。　越大，因此风机叶片的尺寸也越来越　同时我们突破了实验室和生产线上的　大，为了减少叶片的变形，在轴和叶　中试水平，已在国内建起了几个干吨　片的某些部位采用碳纤维来补充其刚　级生产线，并且还有几个干吨线正在　作者简介　刘阳（１９７７一），女，２００３年毕业于　度。“十五”期间，仅我国的装机总　建设中，但由于我国在碳纤维复合材　容量就已达到１．５ＧＷ，因而碳纤维在　料的制备、性能分析和设计等方面还　辽宁师范大学，获硕士研究生学位。　风力发电机叶片上的应用前景看好　。　比较落后，与发达国家相比，碳纤维　现在沈阳建筑大学材料学院工作，讲师　３．３工业领域　复合材料在国内相关领域特别是航空　职务。ｅ—ｍａｉｌ：ｌｙｌｎｎｕ＠２００８．ｓｉｎａ．Ｃ０１１１．　地址：沈阳市浑南新区浑南东　随着碳纤维成本的降低以及复合　航天领域的应用还存在较大差距。　材料制造技术的发展，土木建筑和海　要扩大碳纤维及其复合材料的　路９号沈阳建筑大学材料学院邮编：　下文略。　底油田逐渐成为碳纤维复合材料应用　应用范围，必须不断开发高性能的碳　１１０１６８　７８圃