新型碳纤维复合材料的研究与应用

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用　

刘强　

文章首先分析了碳纤维复合材料应用在航空航天领域中的优　

势，并对碳纤维发展历程做出概括。其次重点介绍碳纤维复合材料　

在航空航天领域中的具体应用，以及该种复合材料技术在我国的发　展现状。可帮助技术人员了解碳纤维复合材料具备的特征。　

一．碳纤维复合材料的优势　

碳纤维与其他复合型材料相比较，自身重量更小，并且可以根　

据不同的使用需求对材料进行成型处理。在对航空航天领域的成品　

重量进行计算时，发现使用碳纤维复合材料后与同等体积的零件相　

比较，自重降低了５００公斤。这更加验证了碳纤维材料的发展优势，　

飞机等航天设备自重减轻后，能够减少运行期间的油耗，对飞机外　

部机构也能起到保护作用。虽然碳纤维自身重量很小，但在使用过　

程中能够承受高温带来的影响，材料自身性质不会轻易变化，为飞　

机等航空航天设备的运行提供了稳定保障。　

除上述优点外，碳纤维材料还具有优异的承载性能，其强度可　

以达到钢材料的５倍以上。这一点是其他材料很难达到的。飞机在起　

飞期间，需要较大的初始速度，达到一定速度后才能够ＪｉＮＮ起飞。　

飞机在行驶期间也会承受空气摩擦带来的压力，因此对外层材料耐　

高温性能的要求极高。经过测试了解到，碳素纤维能够在２０００￣Ｃ的　

高温环境中保持性质不变，结构形状也不会发生改变。并且碳纤维　

化学性质稳定，不容易被氧化，应用在航天设备的外部结构中，也　

不会被轻易的腐蚀，这种性质也是传统复合材料中不具备的。这样　

能够保护飞机安全，使用解读阶段外层结构不会变形，制造成本方　

面也有明显的降低。　

＝．碳纤维的发展　

大型飞行设备的自重问题一直是航空航天领域研究的重点内　

容，减轻飞机的自重能够更准确的控制制造成本，飞机飞行的速度　

也会有明显提升。因此在大型飞机制造领域中最先提出了碳纤维复　

合材料的理念。但此类材料技术最早研发的领域并不是航空航天，　

随着技术逐渐进步完善才被应用到高科技生产环节中。　

碳纤维复合材料是一种由碳纤维与树脂等材料混合制成的轻型、高强度的复合材料。它具有重量轻、耐腐蚀、耐疲劳、抗拉伸等一系列优点，因而在船舶制造领域得到了广泛应用。本文将从碳纤维复合材料在船舶上的应用领域、优势和挑战等方面展开论述。

一、碳纤维复合材料在船舶制造中的应用领域

1. 船体结构：碳纤维复合材料具有优异的强度和刚性，可以用于船体的结构件制造，如船体外壳、船体内部隔板等。

2. 船舶附件：碳纤维复合材料还可以用于船舶的附件制造，如船舶的桅杆、舷梯、天线支架等。

3. 船用设备：在船用设备方面，碳纤维复合材料也有广泛的应用，如船用通风系统、船用管道等。

二、碳纤维复合材料在船舶制造中的优势

1. 重量轻：相比传统的金属材料，碳纤维复合材料具有更轻的重量，可以减轻船舶的自重，提高船舶的载货能力。

2. 耐腐蚀：碳纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性能，可以有效防止船舶受海水等腐蚀介质的侵蚀，延长船舶运用寿命。

3. 高强度：碳纤维复合材料具有优异的强度和刚性，可以有效提高船体的整体强度，增加船舶的安全性。

4. 易塑性：碳纤维复合材料可以根据需要进行模具成型，制造出复杂的船舶结构件，提高船舶的整体设计灵活性。

5. 良好的阻燃性能：碳纤维复合材料能够满足船舶在火灾条件下的阻燃要求，提高船舶的安全性。

三、碳纤维复合材料在船舶制造中的挑战

1. 成本高: 相比传统的金属材料，碳纤维复合材料的制造成本较高，导致船舶的造价增加。

2. 技术要求高: 碳纤维复合材料的制造和加工需要高精度的技术和设备支持，对船舶制造厂商的技术水平有较高要求。

3. 维修难度大: 碳纤维复合材料一旦受到损坏，修复和维护的难度较大，需要专业技术和设备支持。

四、总结

碳纤维复合材料作为一种新型的船舶结构材料，具有重量轻、耐腐蚀、高强度等优点，可以在船舶制造领域发挥重要作用。然而，它也面临着成本高、技术要求高、维修难度大等挑战，需要船舶制造领域的相关企业和科研机构共同努力，克服这些困难，推动碳纤维复合材料在船舶制造中的广泛应用。（字数：358）

碳纤维复合材料在轻量化的应用和前景

摘要：碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量特种纤维，但几乎所有的碳纤维都将进一步加工成复合材料以供终端使用。碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料，以树脂、金属、陶瓷等作为基体材料，经过复合成型制成的结构材料，与传统的金属材料相比，其具有密度小、比强度／比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、便于设计、易于大面积整体成型加工等优点。目前，碳纤维复合材料在我国的各个领域得到了广泛应用，基于此，文章对碳纤维复合材料在轻量化的应用于发展前景进行了研究，以供参考。

关键词：碳纤维复合材料；轻量化；应用研究

1不同型号碳纤维对比

碳纤维作为具有优越性质的复合材料之一，其具备高强度、高模量、耐腐蚀等性能，在军用及民用等方面均具有广阔的发展前景。但由于国外碳纤维的研究起步较早，同时又受到来自美国、日本等国家的技术垄断，导致我国的碳纤维生产技术相对落后。近年来，我国在碳纤维生产方面投入了大量资金，生产技术与研发等方面已取得阶段性成果。本文分别选取了T700级碳纤维、T800级碳纤维和东丽T700级碳纤维对其性能进行对比研究。

1.

1.

T700级碳纤维

国产T700级碳纤维表面相对粗糙，有颗粒依附，沟槽结构多，粗糙度较高，虽然有利于树脂基体之间浸润性的提高，但可能会降低产品性能的稳定性;表面氧碳含量较高有利于与树脂基体的结合;界面剪切强度与层间剪切强度相对较高，与进口碳纤维的力学特性不相上下;产品价格低于进口碳纤维，较高的性价比有利于提升其在碳纤维市场的竞争力。

1. 1.

T800级碳纤维

国产T800级碳纤维表面较为光滑，沟槽结构浅而细，凸起结构较少，产品性能较稳定;表面含氧量较高，能够有效提高表面的化学活性;可以表明:国产T800级碳纤维界面剪切强度、拉伸强度相对较高，其具有良好的力学性能。另一方面国产T800级碳纤维质量控制较稳定，与环氧树脂融合性较好。

1.3东丽T700级碳纤维

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碳纤维复合材料的应用研究进展

姜楠

＜湖北大学材料科学与工程学院，武汉 430062）

摘要：本文概述了碳纤维复合材料vCFRP）的性能特点和应用研究进展。简要 介绍了碳纤维复合材料在大飞机制造业，深海油气田，非织造设备等方面的应 用情况，碳纤维复合材料湿热性能和抗氧化烧蚀技术的研究进展以及国内外的 研究状况。

关键词：碳纤维复合材料大飞机深海油气田非织造设备湿热性能抗氧化 烧蚀技术应用研究

1前言

碳纤维复合材料＜CFRP）自20世纪50年代面世以来就主要用于军工，航天 ，航空等尖端科学技术领域，其高强、高模、轻质、耐热、抗腐蚀等独特的性 能使其在飞机、火箭、导弹、人造卫星等方面发挥了巨大作用。随着 CFRP材料

性能的不断完善和提高，其优越的性能逐步被认可及价格的大幅度下降，使得 它在民用工业上的应用逐步扩大，目前在土木建筑、纺织、石油工业、医疗机 械、汽车工业等领域得到了广泛应用。

2 CFRP材料的性能特点

碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。其最高强度已达 7000MPa

，最高弹性模量达900GPa,而其密度约为1.8~2.1g/cm3,并具有低热膨胀、高 导热、耐磨、耐高温等优异性能，是一种很有发展前景的高性能纤维。碳纤维 由高度取向的石墨片层组成，并有明显的各向异性，沿纤维轴向 ，强度高、模量

高，而横向性能差，其强度和模量都很低。因此在使用时，主要应用碳纤维在 轴向的高性能。[1-2]

碳纤维是黑色有光泽，柔软的细丝。单纤维直径为

5~10pm，一般以数百根至一万根碳纤维组成的束丝供使用。由于原料和热处理 工艺不同，碳纤维的品种很多。高强度型碳纤维的密度约为 1.8g/cm3,而高模

量和超高模量的碳纤维密度约为1.85~2.1g/cm3。碳纤维具有优异的力学性能和 物理化学性能。碳纤维的另一特征是热膨胀系数小，其热膨胀系数与石墨片层 取向和石墨化程度有密切的关系。碳纤维具有优异的耐热和耐腐蚀性能。在惰 性气氛下碳纤维热稳定性好，在 2000C的高温下仍能保持良好的力学性能；但 在氧化氛围下超过450C碳纤维将被氧化，使其力学性能下降。碳纤维能耐一 般的酸，碱腐蚀。在高温下和金属有不同程度的界面反应，严重损伤纤维，因 此在用作金属基复合材料的增强物时，应采取有效的防止反应的措施。另外碳 纤维还有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化。 [3]