English
簡(jiǎn)體中文
1. 引言
碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維由于具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電和導(dǎo)熱等性能，因而使其成為一種兼具碳材料強(qiáng)抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征的化工新材料，是新一代增強(qiáng)纖維。目前，碳纖維不僅廣泛應(yīng)用軍事工業(yè)，而且在汽車構(gòu)件、風(fēng)力發(fā)電葉片、核電、油田鉆探、體育用品、碳纖維復(fù)合芯電纜以及建筑補(bǔ)強(qiáng)材料領(lǐng)域也存在巨大應(yīng)用空間， 而其在航空領(lǐng)域的光輝業(yè)績(jī)尤為引人注目。
2.碳纖維的發(fā)展
碳纖維應(yīng)宇航工業(yè)對(duì)耐燒蝕和輕質(zhì)高強(qiáng)材料的迫切需求發(fā)展起來(lái)，它主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是繼玻璃纖維之后出現(xiàn)的第二代纖維增強(qiáng)塑料。碳纖維的含碳量在90%以上，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，與其它高性能纖維相比具有高比強(qiáng)度和高比模量。在2000℃以上高溫惰性環(huán)境中，碳纖維是唯一一種強(qiáng)度不下降的物質(zhì)。此外，它還兼具其它多種得天獨(dú)厚的優(yōu)良性能，更可貴的是，碳纖維與其它材料具有很高的相容性，兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，并且容易復(fù)合，具有很大的設(shè)計(jì)自由度。這就使得碳纖維成為纖維增強(qiáng)材料中發(fā)展迅速、應(yīng)用范圍很廣、適于不同領(lǐng)域要求的纖維材料。
研制大型飛機(jī)要突破許多關(guān)鍵技術(shù)，其中一項(xiàng)是“先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)”， 這項(xiàng)技術(shù)離不開碳纖維。碳纖維的需求在各用途領(lǐng)域都不斷增長(zhǎng)， 特別是急速增長(zhǎng)的航空航天領(lǐng)域拉動(dòng)了碳纖維全體的增長(zhǎng)。
碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成結(jié)構(gòu)材料。自玻璃纖維與有機(jī)樹脂復(fù)合得到的玻璃鋼問(wèn)世以來(lái)，碳纖維、陶瓷纖維以及硼纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料相繼研制成功，而且性能不斷得到改進(jìn)，使復(fù)合材料領(lǐng)域呈現(xiàn)出一派勃勃生機(jī)。碳纖維復(fù)合材料與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為飛機(jī)機(jī)體的四大先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料。
3. 碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的具體應(yīng)用
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(jì)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％。
（1） 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(duì)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(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都具有很大優(yōu)勢(shì)。
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(guó)軍用飛機(jī)中使用復(fù)合材料多的機(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(lái)衡量， 國(guó)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(lái)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(guó)外一些輕型飛機(jī)和無(wú)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(guó)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，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(huì)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(jìng)爭(zhēng)機(jī)型要低13%左右，并降低了運(yùn)營(yíng)成本， 座英里成本比目前效率高飛機(jī)的低15%~20%成為個(gè)每乘客每百公里耗油少于三升的遠(yuǎn)程客機(jī)。
（2） 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(gè)（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(huì)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(guó)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(zhǎng)，更為方便的是可設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)葉片和內(nèi)燃機(jī)活塞等。[-page-]
4. 我國(guó)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(lái)制取。
據(jù)了解，目前碳纖維產(chǎn)能約3.5萬(wàn)噸，我國(guó)市場(chǎng)年需求量6500噸左右， 屬于碳纖維消費(fèi)大國(guó)。在以“高性能聚丙烯腈碳纖維制備的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題”為主題的第335次香山科學(xué)會(huì)議上，會(huì)議執(zhí)行主席、自然科學(xué)基金委員會(huì)師昌緒院士指出，與國(guó)外技術(shù)相比，我國(guó)碳纖維領(lǐng)域還存在較大差距。2007年，我國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)支撐，目前國(guó)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(guó)碳纖維在質(zhì)量、技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模等方面均與國(guó)外存在很大差距，絕大部分高性能增強(qiáng)材料都長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，價(jià)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(guó)碳纖維復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展。
基于我國(guó)高性能碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)尚不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速、健康、持續(xù)發(fā)展的需求，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(guó)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(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的龍頭企業(yè)。這一舉措將為我國(guó)從材料大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧蠌?qiáng)國(guó)奠定堅(jiān)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(guò)級(jí)驗(yàn)收，標(biāo)志著我國(guó)碳纖維生產(chǎn)已成功實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。
5. 結(jié)語(yǔ)
我國(guó)對(duì)發(fā)展碳纖維復(fù)合材料所做的努力是有目共睹的， 而且所取得的成績(jī)和進(jìn)步也是令人振奮的， 但是仍然較發(fā)達(dá)落后，如何提高產(chǎn)品品質(zhì)、降低成本、減少能耗和污染、開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域， 將是一項(xiàng)重要而長(zhǎng)期的任務(wù)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 賀福.碳纖維及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.
[2] 益小蘇.先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)研究與發(fā)展[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.
[3] 胡保全,牛晉川.先進(jìn)復(fù)合材料[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.
[4] 陳紹杰.聚焦碳纖維[J].高科技纖維與應(yīng)用，2006，1.
[5] 黎小平，張小平，王紅偉.碳纖維的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].高科技纖維與應(yīng)用，2006，2.
[6] 張世平.碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的應(yīng)用開發(fā)新動(dòng)向[J].科技信息，2007，24.
