碳纤维材料的性能及应用

碳纤维材料的性能及应用

摘要：介绍了碳纤维及其增强复合材料，详细介绍了碳纤维复合材料的分类和特性,着重阐述了碳纤维及其复合材料在高新技术领域和能源、体育器材等民用领域的应用,并对未来碳纤维复合材料的发展趋势进行了分析。

关键词：碳纤维 性能 应用

0引言

碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料，不仅在国防战略武器建设中具有不可替代性,在绿色能源建设、节约能源技术发展和促进能源多样化过程中也将发挥极其重要的作用.若将先进碳纤维复合材料在国防领域的应用水平和规模视作国家安全的重要保证，则碳纤维复合材料在交通运输、风力发电、石油开采、电力输送等领域的应用将与有效减少温室气体排放、解决全球气候变暖等环境问题密切相关。随着对碳纤维复合材料认识的不断深化，以及制造技术水平的不断提升，碳纤维复合材料在相关领域的应用研究与装备不断取得进展，借鉴国际先进的碳纤维复合材料应用经验，牵引高性能碳纤维及其复合材料的国产化步伐,对于改变经济结构、节能减排具有重要的战略意义。

1碳纤维材料

1.1何为碳纤维材料

碳纤维是一种含碳量在9 2％ 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、 高模量、耐高温、 耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不仅是21 世纪新材料领域的高科技产品， 更是国家重要的战略性基础材料， 政治、经济和军事意义十分重大。碳纤维分为聚丙烯睛基、沥青基和粘胶基3种， 其中90 % 为聚丙烯睛基碳纤维。聚丙烯睛基碳纤维的生产过程主要包括原丝生产和原丝碳化两部分 .用碳纤维与树脂、 金属、 陶瓷、 玻璃等基体制成的复合材料， 广泛应用于航空航天领域􀀁体育休闲领域以及汽车制造、 新型建材、信息产业等工业领域。

1。2碳纤维的特点

碳纤维是纤维状的碳材料, 由有机纤维原丝在1 000 以上的高温下碳化形成, 且含碳量在90%以上的高性能纤维材料。

碳纤维材料的性能及应用

碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。

碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。另外，碳纤维是指含碳量高于90％的无机高分子纤维 。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。

性能特点：

碳纤维的比重小，抗拉强度高，轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。总之，碳纤维是一种力学性能优异的新材料。

应用领域：

用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。1999年发生在南联盟科索沃的战争中，北约使用石墨炸弹破坏了南联盟大部分电力供应，其原理就是产生了覆盖大范围地区的碳纤维云，这些导电性纤维使供电系统短路。

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（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）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 碳纤维是纤维状的碳材料，其化学组成中含碳量在90%以上。由于碳的单质在高温下不能熔化（在3800K以上升华），而在各种溶剂中都不溶解，所以迄今无法用碳的单质来制碳纤维。碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。目前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。其产生的步骤为A预氧化：在空气中加热，维持在200-300度数十至数百分钟。预氧化的目的为使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构，以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态。B碳化：在惰性气氛中加热至1200-1600度，维持数分至数十分钟，就可生成产品碳纤维；所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气，但一般多用高纯氮气。C石墨化：再在惰性气氛（一般为高纯氩气）加热至2000-3000度，维持数秒至数十秒钟；这样生成的碳纤维也称石墨纤维。 碳纤维有极好的纤度（纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数），一般仅约为19克；拉力高达300KG/MM2；还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性能。 目前，碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料来应用。这种增强塑料比钢、玻璃钢更优越，用途非常广泛，如制造火箭、宇宙飞船等重要材料；制造喷气式发动机；制造耐腐蚀化工设备等。 羽毛球：现在大部分羽毛球拍杆由碳纤维制成。【碳纤维 】carbon fibre 含碳量高于90％的无机高分子纤维 。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理 碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型 。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）和高模型（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。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2％。用量最大的是聚丙烯腈基碳纤维。

祖国2018.11.

上|技术与应用|

摘要：随着材料学的不断发展，新型材料的应用范围越来越广泛，其性能也趋于多样化，其中就包括碳纤维材料的应

用。本文以碳纤维材料的实践应用为研究内容，在简要阐述碳纤维材料的同时，从多个方面对碳纤维材料的应用加以

介绍，以期加深人们对碳纤维材料的认识。

关键词：碳纤维材料实践应用材料学碳纤维材料的实践应用分析

文/吴宇堃

碳纤维材料作为一种新型材料，因其独特的物理和化学

特性受到了大众的广泛欢迎。目前，其在航空航天、建筑、消

防、交通运输等领域应用广泛。因此，研究碳纤维材料的实践

应用，有助于我们了解碳纤维材料的特性，以及其在不同领域

的适应性，从而为碳纤维材料的研究提供方向，促进以碳纤维

技术为核心的碳纤维产业不断发展。

一、碳纤维材料概述

碳纤维材料以碳元素的纤维状排列为主要结构，在碳纤

维材料中，碳元素所占材料质量比超过了9成。碳纤维材料之

所以被称为“21世纪材料之星”，这与其特性有着密不可分的

关系，它不仅具有良好的柔性，能够在传统纺织领域中应用，

而且还具有一定的刚性，在持续高温状态下能够保持较高的

强度。除此之外，碳纤维材料还有耐腐蚀、耐疲劳等特性，能够

适应不同环境的要求。

二、碳纤维材料的实践应用

碳纤维材料出现的时间较早，但是，碳纤维材料真正实现

商业化的时间是在上个世纪七十年代。由于碳纤维材料的生

产工艺要求较高，所以其高昂的价格使碳纤维材料的实践应

用受到了限制。但在科学技术不断发展的今天，碳纤维材料技

术得到了推广，价格也随之下降，这也为碳纤维材料在各领域

的推广应用奠定了基础。

（一）碳纤维材料在航空航天领域的应用

众所周知，航空航天技术水平是一个国家综合国力的重

要标志，材料学的发展直接影响着航空航天技术的进步。航空

航天技术对质量和强度有着极高的要求，传统材料在保证质

量的情况下，不具备较高的强度，而大量使用钛合金材料无疑

增加了航空航天研究的成本。为此，研究人员将兼具低密度、

高强度的碳纤维材料应用于航空航天领域，如火箭推进系统

2013年第18期科技创新科技创新与应用碳纤维材料的性能及应用谢逸宋鹏涛王永宁孔晶刘海华（珠海罗西尼表业有限公司，广东珠海519015）

1前言碳纤维主要成分为碳元素，是一种特种纤维，其分子结构界于石墨与金刚石，含碳体积分数一般在0.9以上[1]。碳纤维的优点是质量轻、抗拉强度高，同时具有耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等优点。碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合后，形成碳纤维复合材料，也具有高的比强度、比模量、耐疲劳、导热、导电等[2]，这些优良的综合性能，使得碳纤维材料在现代工业方面应用非常广泛。2发展历史及国内外发展现状美国于20世纪50年代开始研究粘胶基碳纤维，1959年生产出了粘胶基纤维，这是最早的碳纤维产品。同一年，日本发明了制造碳纤维的新方法，即用聚丙烯腈基原丝制造碳纤维材料。之后，英国皇家航空研究院的研究工作，使聚丙烯腈基碳纤维成为碳纤维工业的主流。20世纪70年代中期，美国联合碳化公司研发了高性能沥青基碳纤维。同时，日本东丽公司于20世纪70年代初期，开始生产钓鱼杆和高尔夫球棒。1974年，美国把碳纤维用于网球和羽毛球拍，实现了碳纤维增强塑料化。20世纪80年代，碳纤维广泛用于客机、航天飞机和人造卫星。随着社会和科学技术的发展，碳纤维的需求量以大约13%的速度逐年递增[3]。我国在意识到碳纤维对军工和民用的价值后，于1975年召开全国第一次碳纤维复合材料会议，将碳纤维及其复合材料纳入国家科技攻关项目。经过四十多年的发展，我国碳纤维从无到有，取得了一定的成绩。但总的来说，我国碳纤维材料的研发和生产水平低，不能满足国内与日俱增的市场需求。目前，国内大部分企业的技术水平和设备水平低下，生产的碳纤维产品也在国际中下游水平[4]。3碳纤维材料的特性碳纤维与钻石和石墨一样，主要由碳元素组成。具有以下特性：3.1轻质高强，其密度为铁的1/4，比强度为铁的10倍以上，抗拉强度是钢材的68倍，弹性模量是钢材的1.8～2.6左右，其抗拉模量为295～640GPa，拉伸强度为3.62～7.05GPa。3.2化学性能稳定，耐高低温，耐腐蚀，在600℃左右的高温下，仍能保持性能，在-180℃左右的低温下，仍具有较好的柔韧性，不与酸、碱等腐蚀溶液发生化学反应。3.3可加工性好，碳纤维根据其受力需要，增加碳纤维层数，可加工成不同形状，且不需要复杂的大型设备，多次加工对其结构无损伤。3.4此外，碳纤维还具有其他的优良特性：如X射线穿透性、抗热、导电性及耐磨蚀性能等[5]。3.4.1碳纤维材料的分类（1）按力学性能分类，碳纤维可分为4类：超高模量碳纤维；高模量碳纤维；超高强度碳纤维；高强度碳纤维。（2）按原材料分类，碳纤维可分为3类：PAN碳纤维，沥青碳纤维，人造丝碳纤维。（3）按用途分类，碳纤维可分为2类：宇航级小丝束碳纤维（24K以下）；工业级大丝束碳纤维（48K以上）。3.4.2碳纤维的主要性能（1）抗拉强度高，可达到3500MPa以上。（2）弹性模量高，可达到230GPa以上。（3）密度小，比强度高，碳纤维的密度是钢的1/4，其比强度是钢材的16倍以上。（4）耐高温性能好，在惰性气氛下，碳纤维材料可在2000℃左右正常使用，在3000℃左右不软化融熔。（5）耐低温性好，在-180℃左右的低温下，碳纤维仍具有较好的柔韧性。（6）化学稳定性好，能耐浓酸、浓碱、浓盐等腐蚀溶液等的侵蚀。（7）热膨胀系数小，导热性能好，抗热震性能好，经过急冷急热，也不会产生热震裂纹。（8）碳纤维能使中子减速，具有良好的防辐射性能。（9）碳纤维电阻率为5～17μΩm，导电性能好。（10）可加工性能好，但耐冲击差，后加工相对困难。4碳纤维材料的应用[6-9]4.1航空航天领域碳纤维复合材料性能优越，具有高的比强度、高的抗疲劳断裂性和良好的加工成型性等的特点，同时，其电磁性能和吸波隐身的特点，使得其越来越多的被应用在的航空航天领域，以及军事领域，如用于飞机、导弹和火箭等。碳纤维材料在航空领域，主要用于生产机尾、地板梁等，其更多的作为一种基础结构材料。此外，副翼、螺旋浆、引擎等重要部件，也要在很大程度上使用碳纤维材料。20世纪80年代，客机和航空飞行器，普遍将碳纤维作为结构材料使用，80年代中期，欧洲客机开始应用碳纤维增强塑料，作为飞机的首要材料，取得了良好的效果。21世纪以来，空中客机大量的使用碳纤维复合材料，碳纤维复合材料用量已接近客机总质量的40%～50%。在人类探索宇宙的过程中，人造卫星的太阳能发电板、天线等部件，也大量应用碳纤维复合材料。4.2体育运动领域高尔夫球棒、钓鱼杆和网球拍，是在体育运动领域内，碳纤维材料用途最多的三大方面。据估计，目前高尔夫球棒的年产量在3400万副以上，碳纤维钓鱼竿的年产量在2000万副以上，网球拍的产量整逐年增加。同时。其它的体育项目，包括冰球棍、滑雪杖、射箭和自行车，以及大量的海洋运动项目中，大量的应用到碳纤维材料。碳纤维复合材料的一个重要的应用领域，即为体育休闲用品，其消耗量约占全球碳纤维总产量的25%左右。而简称碳纤维高尔夫球杆占应用于体育用品碳纤维总量的50%左右，市场前景好。4.3一般制造业领域除了航空航天领域和体育运动领域外，在工业制造领域，尤其是汽车制造行业，碳纤维材料大受欢迎。目前，国外知名的福特公司、奔驰等品牌汽车制造商，其发动机机罩、车内装饰、轿车底盘的内装饰材料、顶篷等大量的采用碳纤维材料，打破了传统材料的限制，为汽车行业提供了更多的新鲜血液。同时，在机器部件、家用电器、电脑、半导体等各个环保领域，碳纤维材料也大展拳脚。随着环保要求的提高，其高强度、电磁波防护性能、防辐射性能，越来越受到人们的重视。4.4土木建筑领域20世纪80年代到90年代，以碳纤维布加固修复钢筋混凝土的结构补强加固技术，成为发达国家土木建筑领域内的一种新兴的高端技术。我国自20世纪90年代，开始研究开发此项技术，具有很重要的现实和历史意义。我国名胜古迹众多，其修缮和保护工作尤为重要，但现有的建筑材料阻碍了珍贵古建筑的修复和保护，因此碳纤维材料在土木建筑行业的使用，必将为古建筑群的保护和修复提供新的思路。同时，随着碳纤维技术的不断发展，碳纤维产品的生产成本不断降低，施工技术的不断完善，利用碳纤维材料进行建筑补强将具有广阔的市场前景。4.5能源开发领域在中国的某些地区，风力资源丰富，同时其作为一种洁净的能源，越来越受到人类的重视。同时，随着人类环保意识的提高，大型风力发电行业正蓬勃发展。在风力发电机组中，能够有效捕获风能的关键部件是叶片。在发电机功率一定的前提条件下，叶片的材料越轻、强度越高、叶片越大，其捕获的风能就越强。因此，质地轻、强度高、耐用性能好的碳纤维复合材料，就成为大型风力发电机叶片材料的首选。同时，碳纤维材料良好的导电性，起到避雷针的作用，能有效减少和避免雷击，对叶片造成损伤。4.6其他领域同时，在其他领域中，碳纤维也在悄悄的进入人们的视野。在钟表、手机等行业，碳纤维材料被用来制作更加轻质的、更加高强度的手表表壳、表盘、手机后盖等部件，使得产品在性能和科技含量上大大提高。未来的钟表行业，多元化的元素将会越来越多，其赋予手表的含义也将会越来越丰富，也将会有碳纤维材料的一席之地。5展望碳纤维材料属于高新科技、高附加值的产品，具有一系列优良的物理和化学性能，是其他材料不可比拟的。其应用范围，从最初的航空航天领域、军事领域，逐渐转向民用领域，且己扩展到整个工业领域。随着摘要：文章阐述了碳纤维材料的国内外发展现状，论述了碳纤维材料的分类特性和功能特性。同时，着重介绍了碳纤维材料在航空、体育等行业中的应用，并展望了其发展前景。关键词：碳纤维材料；性能；应用；前景