第一篇：碳纖維復(fù)合材料論文

碳纖維復(fù)合材料

摘要

一、碳纖維復(fù)合材料的概況

二、碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)

三、碳纖維復(fù)合材料的用途

四、碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)

五、碳纖維的產(chǎn)業(yè)

六、結(jié)論

1、概況

在復(fù)合材料大家族中，纖維增強(qiáng)材料一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。自玻璃纖維與有機(jī)樹脂復(fù)合的玻璃鋼問世以來，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，性能不斷得到改進(jìn)，使其復(fù)合材料領(lǐng)域呈現(xiàn)出一派勃勃生機(jī)。下面讓我們來了解一下別具特色的碳纖維復(fù)合材料。

2、結(jié)構(gòu)

碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的比強(qiáng)度。

碳纖維是由含碳量較高，在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。

碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。

3、用途 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。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都頗具優(yōu)勢(shì)。

碳纖維是50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要而產(chǎn)生的，現(xiàn)在還廣泛應(yīng)用于體育器械、紡織、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。隨著尖端技術(shù)對(duì)新材料技術(shù)性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不斷努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現(xiàn)，這在技術(shù)上是又一次飛躍，同時(shí)也標(biāo)志著碳纖維的研究和生產(chǎn)已進(jìn)入一個(gè)高級(jí)階段。

由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性好和強(qiáng)度高而成為一種先進(jìn)的航空航天材料。因?yàn)楹教祜w行器的重量每減少1公斤，就可使運(yùn)載火箭減輕500公斤。所以，在航空航天工業(yè)中爭(zhēng)相采用先進(jìn)復(fù)合材料。有一種垂直起落戰(zhàn)斗機(jī)，它所用的碳纖維復(fù)合材料已占全機(jī)重量的1/4，占機(jī)翼重量的1/3。據(jù)報(bào)道，美國航天飛機(jī)上3只火箭推進(jìn)器的關(guān)鍵部件以及先進(jìn)的MX導(dǎo)彈發(fā)射管等，都是用先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料制成的。

現(xiàn)在的F1（世界一級(jí)方程錦標(biāo)賽）賽車，車身大部分結(jié)構(gòu)都用碳纖維材料。頂級(jí)跑車的一大賣點(diǎn)也是周身使用碳纖維，用以提高氣動(dòng)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。傳統(tǒng)使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨(dú)使用，多作為增強(qiáng)材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料可用作飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機(jī)動(dòng)船、工業(yè)機(jī)器人、汽車板簧和驅(qū)動(dòng)軸等。

4、優(yōu)勢(shì)

1、高強(qiáng)度（是鋼鐵的5倍）

2、出色的耐熱性(可以耐受2000℃以上的高溫)

3、出色的抗熱沖擊性

4、低熱膨脹系數(shù)(變形量小)

5、熱容量?。ü?jié)能）

6、比重?。ㄤ摰?/5）

7、優(yōu)秀的抗腐蝕與輻射性能

5、碳纖維的產(chǎn)業(yè)

5.1 碳纖維的取材形式及比例

預(yù)浸布：51.6%，編織布：20%（其中有12.4%要經(jīng)過預(yù)浸進(jìn)入后段），短切紗：19%，纖維絲束通過纏繞等方式直接使用：9.9%.5.2 碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)聯(lián)度非常緊密，上游幫扶下游就是幫自己碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈。碳纖維制造企業(yè)因?yàn)橘Y金和技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，要成為引領(lǐng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的生力軍！市場(chǎng)培育任重道遠(yuǎn)！只有不斷推進(jìn)從碳纖維向纖維材料以及復(fù)合材料制品的縱深發(fā)展，完善產(chǎn)業(yè)鏈，擴(kuò)大碳纖維的應(yīng)用范圍，才能使整個(gè)碳纖維行業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式的發(fā)展。5.3 碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈中的價(jià)值鏈我們常聽到關(guān)于碳纖維價(jià)值鏈的說法是：從石油原料到碳纖維，增值關(guān)系是1 到3，而把碳纖維做成復(fù)合材料，增值可以到10。而國際上還有一個(gè)類似的說法：一個(gè)工業(yè)用碳纖維復(fù)合材料零件的成本構(gòu)成，其中碳纖維和樹脂的成本占25%，把碳纖維轉(zhuǎn)成預(yù)浸料或編織布（我們稱之為纖維材料），轉(zhuǎn)化成本為15%，而把纖維材料制造成復(fù)合材料構(gòu)件，需要60%的成本，原因是這個(gè)過程的邊角廢料太多，主要是沿襲于航空航天的成型工藝效率太低。當(dāng)很多人抱怨：碳纖維因?yàn)閮r(jià)格太高而影響其應(yīng)用面時(shí)，我們必須重視除了25%～30%的碳纖維成本之外的其它70%～75%的纖維和構(gòu)件成型的巨大成本。否則，即使碳纖維成本降得再低，做出的復(fù)合材料成本還是驚人！

6、結(jié)論

中國碳纖維“平民化”發(fā)展之路探討

碳纖維因品種和質(zhì)量的不同，價(jià)格從100 多元/kg 到5 萬多元/kg（日本東麗的M60J 據(jù)說曾炒到這個(gè)價(jià)格）都有。其中，走小批量、高精尖的品種，我們不妨戲稱為“貴族碳纖維”，而量大、價(jià)格相對(duì)低的碳纖維，我們則戲稱為“平民化碳纖維”。中國堪稱是世界碳纖維研發(fā)的“老人”，但卻是產(chǎn)業(yè)化的“新手”，所以，對(duì)于中國眾多碳纖維企業(yè)來說，探討“平民化”之路有實(shí)質(zhì)意義。

第二篇：碳纖維論文

長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)材料設(shè)計(jì)概論結(jié)業(yè)論文

論述碳纖維的制造技術(shù)及在航天發(fā)射領(lǐng)域的應(yīng)用

王曉剛

20090573 1.摘要:碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材，在過去的二三十年里得到廣泛的研究。其含碳量在90%以上，與其它高性能纖維相比具有最高比強(qiáng)度和最高比模量。特別是在2000℃以上高溫惰性環(huán)境中，是唯一強(qiáng)度不下降的物質(zhì)。此外，其還兼具其他多種得天獨(dú)厚的優(yōu)良性能：低密度、高升華熱、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、高震動(dòng)衰減性、低熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、電磁屏蔽性、紡織加工性均優(yōu)良等。因此，碳纖維復(fù)合材料也同樣具有其它復(fù)合材料無法比擬的優(yōu)良性能，被應(yīng)用于軍事及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，在航空航天領(lǐng)域的光輝業(yè)績(jī)，尤為世人所矚目。

關(guān)鍵詞:碳纖維,制造,航天領(lǐng)域,應(yīng)用 2.碳纖維的制造 2.1發(fā)展歷程

碳纖維主要是由瀝青、人造絲和聚丙烯腈為主要原料而制造的，目前結(jié)構(gòu)材料中主要使用PAN碳纖維。

1950年，美國Wright-Patterson空軍基地開始研制粘膠基碳纖維。1959年，最早上市的粘膠基碳纖維Thornel-25就是美國聯(lián)合碳化物公司(UCC)的產(chǎn)品。與此同時(shí)，日本研究人員也在1959年發(fā)明了用聚丙烯腈(PAN)基原絲制造碳纖維的新方法。在此基礎(chǔ)上，英國皇家航空研究院開發(fā)出了制造高性能PAN基碳纖維的技術(shù)流程，使其發(fā)展駛?cè)肓丝燔嚨?，PAN基碳纖維成為當(dāng)前碳纖維工業(yè)的主流，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的90%左右。20世紀(jì)70年代中期，UCC在美國空軍和海軍的資金支持下，研發(fā)高性能中間相瀝青基碳纖維；1975年研發(fā)成功Thornel P-55(P-55)，在1980～1982年之間，又研發(fā)成功P-75、P-100和P-120，年產(chǎn)量為230t。P-120的模最高達(dá)965GPa，是理論值的94%，熱導(dǎo)率是銅的1.6倍，線膨脹系數(shù)僅為-1.33×10-6/K，且在375℃空氣中加熱1000h僅失重0.3%~1.0%，顯示出優(yōu)異的抗氧化性能。它們已廣泛用于火箭噴管、導(dǎo)彈鼻錐、衛(wèi)星構(gòu)件、艦艇材料等方面。在20世紀(jì)80年代早期，碳纖維開始被廣泛地用在客機(jī)和航空飛行器上作為結(jié)構(gòu)材料，主要在歐洲和北美進(jìn)行應(yīng)用。然后，人們提高了對(duì)碳纖維的認(rèn)識(shí)，開始把它當(dāng)成一種高質(zhì)量的材料，并在20世紀(jì)80年代中期得到了飛速的增長(zhǎng)在80年代中期，歐洲空客公司開始將CFRP(碳纖維增強(qiáng)塑料)作為首要的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用在飛機(jī)上，而且，隨著在網(wǎng)球和新的體育項(xiàng)目的應(yīng)用，碳纖維市場(chǎng)得到了穩(wěn)步的擴(kuò)展。

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2.2PAN基碳纖維

PAN基碳纖維的制造分為兩步進(jìn)行，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)材料設(shè)計(jì)概論結(jié)業(yè)論文

2.3瀝青基碳纖維

瀝青基碳纖維是僅次于PAN積極的

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硝酸、硫酸、高錳酸和過氧化氫等溶液。氧化溫度一般為200～400℃。在預(yù)氧化過程中，要求纖維氧化均勻，不應(yīng)該形成中心過低、邊緣過高的皮芯結(jié)構(gòu)。3.碳纖維的應(yīng)用

3.1 航空領(lǐng)域應(yīng)用的新進(jìn)展

T300 碳纖維/樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)在飛行器上廣泛作為結(jié)構(gòu)材料使用，目前應(yīng)用較多的為拉伸強(qiáng)度達(dá)到5.5GPa，斷裂應(yīng)變高出T300 碳纖維的30％的高強(qiáng)度中模量碳纖維T800H纖維。軍品

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是生產(chǎn)武器裝備的重要材料。在戰(zhàn)斗機(jī)和直升機(jī)上，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于戰(zhàn)機(jī)主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)件和戰(zhàn)機(jī)特殊部位的特種功能部件。國外將碳纖維/環(huán)氧和碳纖維/雙馬復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)機(jī)機(jī)身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯的減重作用，大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能，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31.5%，減少零件61.5%，減少緊固件61.3%；復(fù)合材料垂直安定面可減輕質(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)來衡量，國外

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方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機(jī)身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。繼A340對(duì)碳纖維龍骨梁和復(fù)合材料后密封框――復(fù)合材料用于飛機(jī)的密封禁區(qū)發(fā)起挑戰(zhàn)后，A380又一次對(duì)連接機(jī)翼與機(jī)身主體結(jié)構(gòu)中央翼盒新的禁區(qū)發(fā)起了成功挑戰(zhàn)。僅此一項(xiàng)就比最先進(jìn)的鋁合金材料減輕重量1.5噸。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)營成本，座英里成本比目前效率最高飛機(jī)的低15%--20%，成為

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美國WaterburyFiberCote Industries 公司以有充分來源的非航天級(jí)粘膠原絲新原料開發(fā)成功名為RaycarbC2TM 的新型纖維素碳布，并經(jīng)受了美軍方包括加工、熱/結(jié)構(gòu)性質(zhì)及火焰沖刷試驗(yàn)在內(nèi)的全部資格測(cè)試，在固體發(fā)動(dòng)機(jī)的全部靜態(tài)試驗(yàn)中都證明該替代品合格，2004 年十一月，該碳布/酚醛復(fù)合材料已用于阿里安娜V Flight164上成功飛行。

圖 4: 法國阿里安娜V 型導(dǎo)彈

衛(wèi)星、航天飛機(jī)及載人飛船

高模量碳纖維質(zhì)輕，剛性，尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性好，因此很早就應(yīng)用于人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板和天線中?，F(xiàn)今的人造衛(wèi)星上的展開式太陽能電池板多采用碳纖維復(fù)合材料制作，而太空站和天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)上的一些關(guān)鍵部件也往往采用碳纖維復(fù)合材料作為主要材料。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料被作航天飛機(jī)艙門、機(jī)械臂和壓力容器等。美國發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)的熱瓦，十分關(guān)鍵，可以保證其能安全地重復(fù)飛行。一共有8 種：低溫重復(fù)使用表面絕熱材料LRSI；高溫重復(fù)使用表面絕熱材料HRSI；柔性重復(fù)使用表面絕熱材料FRSI；高級(jí)柔性重復(fù)使用表面絕熱材料AFRI；高溫耐熔纖維復(fù)合材料FRIC―HRSI；增強(qiáng)碳/碳材料RCC；金屬；二氧化硅織物。其中增強(qiáng)碳/碳材料RCC，最為要的，它可以使航天飛機(jī)承受大氣層所經(jīng)受的最高溫度1700℃。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，碳纖維的產(chǎn)量不斷增大，質(zhì)量逐漸提高，而生產(chǎn)成本穩(wěn)步下降。各種性能優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料將會(huì)越來越多地出現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域中，為世界航空航天技術(shù)的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

4.結(jié)語

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碳纖維的優(yōu)異性能使得其在國防和民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。作為未來最有發(fā)展前景的新型結(jié)構(gòu)材料，可以肯定碳纖維在21世紀(jì)將步入新的飛躍，應(yīng)用領(lǐng)域也將更加廣泛。參考文獻(xiàn)

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第三篇：碳纖維材料簡(jiǎn)介

碳纖維材料簡(jiǎn)介

從愛迪生首先將竹子纖維碳化成絲制成電燈燈絲.開啟了碳纖維應(yīng)用的先河, 一直到今天碳纖維假肢力助'`刀鋒戰(zhàn)士'`皮斯托瑞斯讓他在倫敦奧運(yùn)會(huì)的賽場(chǎng)上大放異彩碳纖維這種一直被認(rèn)為是非常神秘的高科技材料如今正逐漸走入大眾的生活之中.我們周遭的很多產(chǎn)品上都或多或少地采用了這種材料,比如釣魚竿、網(wǎng)球拍自行車、汽車零部件等目前國外設(shè)計(jì)師也已經(jīng)開始嘗試將這種高科技材料應(yīng)用到家具產(chǎn)品中去, 給傳統(tǒng)的家具行業(yè)注入了新的活力。1 概述

碳纖維(C arb o n F.b e r.C F)是一種具有高強(qiáng)度和高模量的耐高溫纖維是化纖的高端品種, 一般按原料 的不同可將碳纖維分為聚丙烯晴基(po lva er丫Ion ,tr, le)碳纖維、瀝青(P lteh)基碳纖維和粘膠基(Vi so os e一ba sed)碳纖維等。其中聚丙烯晴基碳纖維由于碳化率較高(4 0 % 一4 5 %), 且生產(chǎn)過程和本相對(duì)后兩者要簡(jiǎn)單低廉因此他的產(chǎn)量也是最大的.是目前世界碳纖維 的主流。但不論是哪種碳纖維, 其制造工藝都是十分復(fù)雜的簡(jiǎn)單來說以聚丙烯晴基碳纖維為例制備需完成以下兩個(gè)基本過程:(1)熱穩(wěn)定氧化處理

纖維原絲通過含有氧氣的高溫爐體(20 0 ℃ 一3 0 0 C)材料受熱軟化.內(nèi)部結(jié)構(gòu)由原先的聚丙烯睛的線狀結(jié)構(gòu), 轉(zhuǎn)成較穩(wěn)定且堅(jiān)固的六角形排列。(2)碳化或石墨化

經(jīng)過氧化處理后的原絲在惰性氣體保護(hù)下加熱至I0 0 0 C 以上的高溫, 這時(shí)高分子結(jié)構(gòu)中的氧、氫等元素會(huì)因受不了高溫紛紛奪門而出.最后遺留下來的就只剩碳了。

制備完成后的碳纖維束一方面具有一般碳素材料的共有特性.如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等另一方面.從原子層面看碳纖維跟石墨很相似.是由一層層以六角型排列的碳原子所構(gòu)成兩者之間的差別在于石墨是晶體結(jié)構(gòu)它的層間連結(jié)松散.而碳纖維層間連結(jié)是不規(guī)則的這樣就可以防止層間的滑移.從而使碳纖維在沿纖維軸方 向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。2 材料特點(diǎn)

從以上對(duì)碳纖維材料的制備介紹我們可以知道材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其具有非常優(yōu)異的物理化學(xué)性能碳纖維最優(yōu)異的性能是比強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度/ 密度)和比模量(彈性模量/ 密度)超過一般的增強(qiáng)纖維。通常材料的比強(qiáng)度越高則構(gòu)件自重愈小:比模量越高.則構(gòu)件的剛度愈大.而碳纖維和樹脂形成的復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量比鋼和鋁合金還高出幾倍, 這也是為什么現(xiàn)在越來越多需要高強(qiáng)度輕量化的產(chǎn)品都會(huì)使用這種材料的原因, 碳纖維也因此成為了`'輕量化“的代名詞。

此外.碳纖維材料還具有以下一些特性

（1）極佳的耐熱性(可耐20 0 0 c 的高溫)和尺寸穩(wěn)定性(熱膨脹系數(shù)小)（2）由于碳纖維與基體復(fù)合可緩和破壞裂紋的擴(kuò)展因此其疲勞強(qiáng)度非常高，(3)良好的耐腐蝕性和導(dǎo)電性以及電傳導(dǎo)及電磁波屏蔽性

(4)具有纖維般的柔曲性可編織和纏繞成型可加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等多種材料中制成復(fù)合材料應(yīng)用靈活?！都揖摺? 0 1 2 年第6 期

第四篇：如何粘貼碳纖維材料

如何粘貼碳纖維材料？

粘貼碳纖維材料是碳纖維施工中非常重要的一部分。粘貼的好壞直接影響到施工的質(zhì)量，如何粘貼才是最好的呢?

在粘貼碳纖維材料之前，首先應(yīng)確認(rèn)粘貼表面干燥。氣溫在-10℃以上，相對(duì)濕度RH>85%時(shí)，如無有效措施不得施工。為防止碳纖維受損，在碳纖維材料運(yùn)輸、儲(chǔ)存、裁切和粘貼過程中。應(yīng)用鋼直尺與壁紙刀按規(guī)定尺寸切斷碳纖維材料，每段長(zhǎng)度一般以不超過6m為宜。為防止材料在保管過程中損壞，材料的裁切數(shù)量應(yīng)按當(dāng)天的用量裁切為準(zhǔn)。碳纖維縱向接頭必須搭接20cm以上。該部位應(yīng)多涂樹脂，碳纖維橫向不需要搭接。其施工工藝要點(diǎn)如下：

(1)粘貼樹脂的主劑、固化催促劑和固化劑應(yīng)按規(guī)定的比例稱量準(zhǔn)確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻。一次調(diào)和量應(yīng)以在可使用時(shí)間內(nèi)用完為準(zhǔn)。

(2)粘貼時(shí)，在碳纖維和樹脂之間盡量不要有空氣?？捎昧_拉(專用工具)沿著纖維方向在碳纖維材料上滾壓多次，使樹脂滲浸入碳纖維中。

粘貼碳纖維材料后，需自然養(yǎng)護(hù)1-2小時(shí)達(dá)到初期固化，應(yīng)保證固化期間不受外界干擾和碰撞，這樣加固之后才會(huì)非常的牢固。

第五篇：碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料

摘要:主要介紹了碳纖維復(fù)合材料的基本概述，并對(duì)它的一些結(jié)構(gòu)性能、應(yīng)用（主要在航空領(lǐng)域的應(yīng)用）、發(fā)展，并分析了目前我國碳纖維復(fù)合材料的研究進(jìn)展和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵字：碳纖維復(fù)合材料、碳纖維樹脂基復(fù)合材料、碳／碳復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)性能、發(fā)展、航空領(lǐng)域。

1、引言

碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90％以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的“比強(qiáng)度”。碳纖維屬于聚合物碳，是有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀的無機(jī)碳化合物。碳纖維是一種新型非金屬材料，它和它的復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱、比重小和熱脹脹系數(shù)小等優(yōu)異性能，碳纖維單獨(dú)使用時(shí)主要是利用其耐熱性、耐蝕性、導(dǎo)電性和其它性質(zhì)。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP（即碳纖維復(fù)合材料）的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。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

碳纖維的出現(xiàn)是材料史上的一次革命。碳纖維是目前世界首選的高性能材料，具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗疲勞、導(dǎo)電、質(zhì)輕、易加工等多種優(yōu)異性能，正逐步征服和取代傳統(tǒng)材料?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航天、航空和軍事領(lǐng)域。世界各國均把發(fā)展高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)放在極其重要的位置。碳纖維除了在軍事領(lǐng)域上的重要應(yīng)用外，在民品的發(fā)展上有著更加廣闊的空間，并已經(jīng)開始深入到國計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域。在機(jī)械電子、建筑材料、文體、化工、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域碳纖維有著無可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

碳纖維是50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要而產(chǎn)生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現(xiàn)，這在技術(shù)上是又一次飛躍，同時(shí)也標(biāo)志著碳纖維的研究和生產(chǎn)已進(jìn)入一個(gè)高級(jí)階段。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，碳纖維及其復(fù)合材料已從初創(chuàng)期轉(zhuǎn)入增長(zhǎng)發(fā)展期，其工業(yè)地位已基本確立，美、日、英、法、德等國的碳纖維產(chǎn)量已經(jīng)占世界產(chǎn)量的絕大部分，并已逐步形成壟斷優(yōu)勢(shì)。

我國對(duì)碳纖維的研究由于起步較晚，技術(shù)力量薄弱，雖然碳纖維及其復(fù)合材料在我國已被納入國家“863”和“973”計(jì)劃，但總體情況不盡理想，我國仍不具備成熟的碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，國防和民用碳纖維產(chǎn)品基本依賴進(jìn)口。

3、碳纖維復(fù)合材料的性能及主要用途

由于碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工性好，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，且碳纖維比重小。（1）碳纖維的化學(xué)性能

碳纖維是一種纖維狀的碳素材料。我們知道碳素材料是化學(xué)性能穩(wěn)定性極好的物質(zhì)之一。這是歷史上最早就被人類認(rèn)識(shí)的碳素材料的特征之一。除強(qiáng)氧化性酸等特殊物質(zhì)外，在常溫常壓附近，幾乎為化學(xué)惰性。可以認(rèn)為在普通的工作溫度≤250℃環(huán)境下使用，很難觀察到碳纖維發(fā)生化學(xué)變化。根據(jù)有關(guān)資料介紹，從碳素材料的化學(xué)性質(zhì)分析，在≤250℃環(huán)境下，碳素材料既沒有明顯的氧化發(fā)生，也沒有生成碳化物和層間化合物生成。由于碳素材料具有氣孔結(jié)構(gòu)，因此氣孔率高達(dá)25％左右，在加熱過程易產(chǎn)生吸附氣體脫氣情況，這樣的過程更有利于我們穩(wěn)定電氣性能和在電熱領(lǐng)域的應(yīng)用。（2）碳纖維的物理性能（a）熱學(xué)性質(zhì)

碳素材料因石墨晶體的高度各向異性，而不同于一般固體物質(zhì)與溫度的依存性，從工業(yè)的應(yīng)用角度來看，碳素材料比熱大體上是恒定的。幾乎不隨石墨化度和碳素材料的種類而變化（b）導(dǎo)熱性質(zhì)

碳素材料熱傳導(dǎo)機(jī)理并不依賴于電子，而是依靠晶格振動(dòng)導(dǎo)熱，因此，不符合金屬所遵循的維德曼—夫蘭茲定律。根據(jù)有關(guān)資料介紹，普通的碳素材料導(dǎo)熱系數(shù)極高，平行于晶粒方向的導(dǎo)熱系數(shù)可與黃銅媲美(c)電學(xué)性質(zhì)

碳素材料電學(xué)性質(zhì)主要與石墨晶體的電子行為和不同的處理溫度有關(guān)，石墨的電子能帶結(jié)構(gòu)和載流子的種類及其擴(kuò)散機(jī)理決定了上述性質(zhì)。碳素材料這類電學(xué)性質(zhì)具有本征半導(dǎo)體所具備的特征，電阻率變化主要與載流子的數(shù)量變化有關(guān)。

碳纖維的主要用途：

與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，做成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都頗具優(yōu)勢(shì)。由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性好和強(qiáng)度高而成為一種先進(jìn)的航空航天材料。最神奇的應(yīng)用是采用長(zhǎng)碳纖維制成的“納米繩”可以將“太空電梯”由理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，太空電梯將可以將乘客和各種貨物運(yùn)送到空間軌道站上，也可以用這種“納米繩”將太空中發(fā)射平臺(tái)與地面固定在一起，在這樣的發(fā)射平臺(tái)上發(fā)射人造衛(wèi)星和太空探測(cè)器就可以大大降低發(fā)射成本。

總結(jié)碳纖維復(fù)合材料的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用有以下幾個(gè)方面

（一）航天領(lǐng)域

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％。（a）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)是美國軍用飛機(jī)中使用復(fù)合材料最多的機(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)來衡量，國外第四代軍機(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。國外一些輕型飛機(jī)和無人駕駛飛機(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，世界最大的飛機(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)營成本，座英里成本比目前效率最高飛機(jī)的低15%~20%，成為第一個(gè)每乘客每百公里耗油少于三升的遠(yuǎn)程客機(jī)。(b)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（C／C）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。

（二）、其他領(lǐng)域 1)、高爾夫球棒

用CFRP制成的高爾夫球棒、可減輕重量約10一40％。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，可使球獲得較大的初速度。另一方面．CFRP具有高的阻尼特性，可使擊球時(shí)間延長(zhǎng),球被擊得更遠(yuǎn)。2)、釣魚竿

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的釣魚竿比GFRP制品或竹竿都要輕得多，使其在撒竿時(shí)消耗能量少，而且撤竿距比后者遠(yuǎn)20%左右。CFRP所制的釣魚竿長(zhǎng)而好，剛性大，釣魚竿在彎曲之后能迅速復(fù)原，使其傳遞誘餌的感覺較為靈敏。現(xiàn)在已有商品銷售，用碳纖維增強(qiáng)塑料還可以制成漁具的卷鈾，其重量不超過l40克，但它的疲勞強(qiáng)度高，耐摩擦，因而使用壽命長(zhǎng)。3)、賽車

用石墨纖維長(zhǎng)絲制成的管材可用來制造比賽車或通用自行車的車架,其特點(diǎn)是重量輕，比鋼制架可減重50%左右，使自行車的總重量減輕15%。

碳纖維與玻璃纖維混合增強(qiáng)復(fù)合材料可用來制造越野賽汽車，它的特點(diǎn)是重量輕。用金屬材料制造的同樣車體的總重量為226.8公斤，用CFRP制造時(shí)為63.5公斤，用CF／GPRP制造時(shí)重量可減輕到31.8至36.5公斤。

在賽車領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料最著名的運(yùn)用無疑是F1車身。為了使重量保持最小，所有車隊(duì)都廣泛使用碳纖材料，而這些材料的強(qiáng)固性足以支撐車子的重量。

4.我國碳纖維復(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制取。

據(jù)了解，目前全球碳纖維產(chǎn)能約3.5萬噸，我國市場(chǎng)年需求量6500噸左右，屬于碳纖維消費(fèi)大國。在以“高性能聚丙烯腈碳纖維制備的基礎(chǔ)科學(xué)問題”為主題的第335次香山科學(xué)會(huì)議上，會(huì)議執(zhí)行主席、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)師緒院士指出，與國外技術(shù)相比，我國碳纖維領(lǐng)域還存在較大差距。2007年，我國碳纖維產(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)。這就使得我國碳纖維在質(zhì)量、技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模等方面均與國外存在很大差距，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，極大地制約了我國碳纖維復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展。

基于我國高性能碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)尚不能滿足國民經(jīng)濟(jì)快速、健康、持續(xù)發(fā)展的需求，國家發(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，培育一批具有國際競(jìng)爭(zhēng)力的龍頭企業(yè)。這一舉措將為我國從材料大國轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧蠌?qiáng)國奠定堅(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)目通過國家級(jí)驗(yàn)收，標(biāo)志著我國碳纖維生產(chǎn)已成功實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。