碳纖維復合材料的應用
摘 要：本文概述了碳纖維復合材料的發展和性能，簡要介紹了碳纖維復合材料在土木工程、航空航天、石油工業等方面的應用情況。
關鍵詞：碳纖維復合材料應用
1 前 言
碳纖維復合材料自20世紀50年代面世以來。以其獨特的性能．主要用于火箭、航天、航空等尖端科學技術，隨著碳纖維復合材料性能的不斷完善和提高．目前在土木建筑、石油工業、汽車工業、體育器材等領域得到廣泛應用。
2 碳纖維復合材料的性能
碳纖維是由碳元素組成的特種纖維，其含碳量一般在90％以上。在纖維增強材料中碳纖維是發展迅速、應用范圍很廣、適于不同領域要求的纖維材料。
碳纖維材料基本性能如下：密度小、質量輕。密度為1.5~2g／cm3，相當于鋼密度的1／4、鋁合金密度的1／2；強度、彈性模量高，其強度比鋼大4~5倍，彈性回復100％；具有各向異性，熱膨脹系數小，導熱率隨溫度升高而下降，耐驟冷、急熱，即使從幾千度的高溫突然降到常溫也不會炸裂；導電性好，25℃時高模量纖維為775μΩ?cm-1，高強度纖維為1500μΩ?cm-1；耐高溫和低溫性好，在3000℃非氧化氣氛下不融化、不軟化，在液氮溫度下依舊很柔軟，也不脆化；耐酸性好，對酸呈惰性，能耐濃HCl、H3PO4、H2SO4等侵蝕。
3 碳纖維復合材料的應用
3.1 土木建筑領域的應用
水泥在土木建材領域中用量大．但水泥也有諸如脆性大、抗拉強度低等缺點。而現在用混凝土或水泥做基體制成的碳纖維增強復合材料，強度高、模量大、比重小、耐堿腐蝕，克服了水泥的缺點。在土木建筑應用中日益受到重視。用碳纖維取代鋼筋，可消除鋼筋混凝土的鹽水降解和劣化作用。使建筑構件重量減輕，安裝施工方便，縮短建筑工期。
碳纖維復合材料片是采用常溫固化的熱固性樹脂(通常是環氧樹脂)將定向排列的碳纖維柬粘結起來制成的薄片。日本、歐美將碳纖維復合材料片用于加固震后受損的鋼筋混凝土橋板．這種薄片按照設計要求。貼在結構物被加固的部位，充分發揮碳纖維的高拉伸模量和高拉伸強度的作用，來修補加固鋼筋混凝土結構物。此外在增強石油平臺壁及耐沖擊性能的許多工程上都獲得了較大的應用。
3.2 航空航天領域的應用
航天飛行器的重量每減少1公斤，就可使運載火箭減輕500公斤。同樣，飛機重量的減輕可以節省油耗，提高航速，在航空航天工業中競相采用先進復合材料。碳纖維具有高比強度、比模量、低熱膨脹系數和高導熱性等獨特性能，因而由其增強的復合材料用作航空航天結構材料，減重效果十分顯著，應用潛力巨大。歐洲空客公司A380客機上的機艙內壁板、后機身蒙皮、水平安定面等都是碳纖維復合材料。
采用碳纖維復合材料將大大減輕火箭和導彈的惰性重量．既減輕發射重量又可節省發射費用或攜帶更重的彈頭或增加有效射程和落點精度嘲。我國早在八十年代就在某型海防導彈上成功采用了碳纖維復合材料。
人造衛星展開式太陽能電池板也多采用碳復合材料制作。碳纖維增強熱固性樹脂基復合材料(如C／EP、C／PI或C／BMI)和熱塑性樹脂基復合材料(如C／PEEK，C／PPS)，作為結構隱身材料目前也已經得到了某些應用。
3.3 石油工業的應用
美國經過10多年的努力，于20世紀90年代初研制成功碳纖維復合材料連續抽油桿，試驗結果表明：碳纖維復合材料連續抽油桿克服普通鋼抽油桿質量大、耗能高、失效頻繁、活塞效應大、起下作業速度慢、易偏磨的缺點。是一種很有發展前途的特種抽油桿。
近來第五、亞洲大石油公司石油將致力于發展碳纖維產業，未來有能力躋身于碳纖維產業前三強。石油致力于拓寬碳纖維復合材料的應用領域，向高端市場延伸。特別是海上鉆井平臺，目前每個平臺要使用鋼材8萬噸，如果改用復合材料。則每個平臺僅消耗1.3萬噸的碳纖維復合材料。深海油氣田將是碳纖維復合材料發揮作用的重要領域。
3.4 汽車工業及體育用品中的應用
碳纖維擴大應用的大希望在于在汽車工業的應用。日前，通用汽車和碳纖維材料生產商帝人公司宣布將聯合開發先進的碳纖維復合材料技術．帝人公司擁有可以在一分鐘的時間內生產出碳纖維增強熱塑性汽車零部件技術。與普通鋼材相比，碳纖維的重量僅為其四分之一，但強度卻達到它的10倍。應用碳纖維復合材料生產汽車零部件后，有望大幅降低車身重量。車輛使用碳纖維，可以擁有更輕的重量、更好的燃油經濟性以及同樣出色的安全性。洛克希德馬丁能源研究所(Lockheed martin Energy Research)的瓦倫(David Warren)統計過，如果每一輛北美的汽車用2.2kg碳纖維，那北美1800萬輛小車的碳纖維總量就超過當前大絲束碳纖維總生產能力的4倍。
碳纖維復合材料在運動器材中也得到了廣泛應用。包括高爾夫球桿、網球拍、滑雪板、釣魚竿、自行車架、冰球拍、船槳、賽艇等，都已經形成了成熟的市場。
4 結 語
目前我國碳纖維復合材料發展迅速．在“神七”飛船所用材料中，復合材料的比例已達到65％左右，前不久針對我國啟動的大飛機攻關項目，專家明確提出，復合材料用量應至少達到25％。但由于技術原因，我國碳纖維復合材料的工業化進展一直不快，碳纖維原料及其復合材料一直嚴重依賴進口。在碳纖維的低成本上和復合材料成型技術上我們還要花很大的力氣。
