碳纤维复合材料的应用及其发展趋势

碳纤维复合材料的应用及其发展趋势

摘要：介绍了碳纤维复合材料的发展历程和其相比于一些传统材料的优点，指出碳纤维复合材料的主要应用市场及其面临的新形势，指出碳纤维复合材料发展所面临的问题和机遇。

关键词：碳纤维 复合材料 优点 应用 发展趋势

Abstract: This paper introduces the development of carbon fiber composite materials and its compared to some traditional advantages of materials, and points out that the main application of carbon fiber composite materials and the new situation of the market, and points out that the carbon fiber composite materials are facing problems and opportunities.

Keywords:Carbon fiber composite application advantages development trend 一、碳纤维复合材料简介

碳纤维复合材料（CFRP）是以碳纤维(织物)或碳化硅等陶瓷纤维(织物)为增强体，以碳为基体的复合材料的总称。碳纤维是由有机纤维如粘胶纤维、聚丙烯晴纤维或沥青基纤维在保护气氛下热处理碳化成为含碳量90%~100%的纤维。

碳纤维复合材料主要包括以下几类：碳纤维增强树脂基复合材料、C/C复合材料、碳纤维增强金属基复合材料（CFRM）、碳纤维增强陶瓷复合材料、碳纤维增强橡胶复合材料等。碳纤维复合材料（CFRP）作为一种先进的复合材料，具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点，在航空航天、汽车等领域已有广泛的应用。

二、碳纤维复合材料的性能及优点 2.1、力学性能

碳纤维复合材料拉伸强度高，模量大，密度小，具有较高的比强度和很高的比模量。与传统金属材料相比，碳纤维复合材料质量轻，强度高，韧度高，具有明显的优势。与同为新型材料的硅基纤维复合材料相比，碳基纤维的拉伸强度约为其3-7倍。碳基纤维的弹性模量高于硅基纤维，所以碳纤维复合材料在相同外载荷下，应变较小，其制件的刚度比硅基纤维复合材料制件高。高模量碳纤维的断裂伸长率约为0.5%，高强度碳纤维的约为1%，硅基纤维约为2.6%，而环氧树脂的约为1.7%，所以碳纤维复合材料中纤维的强度能得到充分的发挥。

由于碳纤维的脆性很大，冲击性能差，所以碳纤维复合材料的拉伸破坏方式属于脆性破坏，即在拉断前没有明显的塑性变形，应力应变曲线为直线，这一点与玻璃纤维相似，只是模量高于、断裂伸长率低于玻璃纤维。 2.2、热性能

碳纤维复合材料的耐高低温性能好。在隔绝空气（惰性气体保护下），2000°C仍有强度，液氮下也不脆断。

碳纤维复合材料的导热性能好。导热系数较高，但随温度升高有减小的趋势。碳纤维复合材料沿纤维轴向的导热系数为0.04cal/（s*cm* °C）；垂直纤维方向的导热系数为0.002 cal/（s*cm* °C）。

碳纤维复合材料的线膨胀系数沿纤维轴向具有负的温度效应，即随温度的升高，碳纤维复合材料有收缩的趋势，尺寸稳定好，耐疲劳性好。 2.3、 耐腐蚀性 碳纤维复合材料除了能被强氧化剂如浓硝酸、次氯酸及重铬酸盐氧化外，一般的酸碱对它的作用很小，比硅基纤维复合材料具有更好的耐腐蚀性。

碳纤维复合材料不像硅基纤维复合材料那样在湿空气中会发生水解反应，具有好的耐水性及耐湿热老化特性。此外还具有耐油、抗辐射以及减速中字运动等特性。 2.4、优点

综上所述，碳纤维复合材料具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸震性好等一系列优点，这些性能都是传统金属材料所不具备的特征，相比于其他类型的新型复合材料也具有较强的性能。这使得碳纤维复合材料可以在很多领域获得广泛的应用，同时促进碳纤维复合材料的进一步研究，以继续提高其使用性能。

三、碳纤维复合材料的应用

碳纤维复合材料凭借其优良的性能，已经在各个领域得到广泛的应用，主要有航空航天、汽车、结构加固工程、新能源开发、休闲用品等。 3.1、航空航天

碳纤维复合材料最初主要应用于航天业，因为发射航天器的成本与重量成正比关系，所以如何在保证航天器性能的同时减轻其重量成为最重要的问题。碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、使用温度范围高这些优点而在航天产业得到深入的应用，从航天器的外壳、内设、结构以及航空发动机几乎都是采用碳纤维复合材料制作而成。近年来，随着碳纤维复合材料制造成本的下降，军用航空飞机和民用航空飞机方面也开始大规模使用该材料以大幅度减轻机体机构质量、改善气动弹性提高飞机的综合性能。根据美国复合材料制造商协会统计，2001年世界上飞机生产对碳纤维的需求量约为900-1000t。

据统计，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70％~80％，在军用飞机上占30％~40％，在大型客机上占15％~50％。以美国波音公司的B777为例，碳纤维复合材料在该型号飞机上的使用比例达到9%，这些先进复合材料主要应用在飞机尾翼、襟翼、副翼、天线罩、整流罩、短舱和地板梁等构件，具体包括：垂直安定面翼盒、平尾翼盒、方向舵、升降舵、前后缘壁板、地板梁、外侧副翼、外侧襟翼、襟翼、襟副翼、整流包皮、内外侧扰流板、后缘壁板、发动机短舱、发动机支架整流罩、前起落架舱门、固定前缘、雷达天线罩等。 3.2、汽车

目前，世界每年生产乘用车5千万辆，若包括卡车和公共汽车为7千万辆，随着中、印等国汽

车工业的快速发展，不久世界汽车的年产量确可能超过1亿辆。另外，目前世界PAN-CF的年产量只有数万吨，由于CFRP成本高、难加工、成型速度慢及还受再生问题的限制，只能用于航空航天、体育用品和工业产业领域，要想用于汽车上，最重要的是尽快开发适用于热塑性树脂（如聚丙烯等）的具有表面活性的CF以及其CFRTP超高速成型技术和二次加工技术，其次当CF需求量超过百万吨时，就要求开发以生物质为原料的CF，尽管目前还有一定难度。再次，当达到这么大规模时，需要开发CFRP的再生和CF高度再利用技术，还要解决这些材料和有关成型加工的评价和标准化问题。 3.2、汽车

目前，世界每年生产乘用车5千万辆，若包括卡车和公共汽车为7千万辆，随着中、印等国汽

车工业的快速发展，不久世界汽车的年产量确可能超过1亿辆。另外，目前世界PAN-CF的年产量只有数万吨，由于CFRP成本高、难加工、成型速度慢及还受再生问题的限制，只能用于航空航天、体育用品和工业产业领域，要想用于汽车上，最重要的是尽快开发适用于热塑性树脂（如聚丙烯等）的具有表面活性的CF以及其CFRTP超高速成型技术和二次加工技术，其次当CF需求量超过百万吨时，就要求开发以生物质为原料的CF，尽管目前还有一定难度。再次，当达到这么大规模时，需要开发CFRP的再生和CF高度再利用技术，

还要解决这些材料和有关成型加工的评价和标准化问题。

目前德国宝马公司率先在开发和试验高强度轻量化的CFRP车体板和其它部件，所用CF与Zoltek公司生产的大丝束产品。美国自90年代后期因对环保问题越来越重视CF在未来车辆中的应用。1994年美国政府和工业部门开始出台联合开发先进车辆技术的计划（PNGV）。目标是改进车辆的效能，降低污染物的排放并满足用户的各种需求。专家预测，未来环保型汽车每年所消耗的CF量将以万吨计。2010年中国汽车产量将突破年产1千万辆大关。新型节能型环保型汽车是未来汽车发展方向。为了和国际接轨，中国将来也必定要大量制造这类汽车，届时汽车工业将成为中国CFRP的巨大市场。 3.3休闲用品

由于碳纤维复合材料的超轻质量和超高强度，其在休闲用品领域也有广泛应用，比如体育运动器材钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍、羽毛球拍、自行车等；电子消费产品笔记本外壳、手机外壳、音箱等。当然，随着碳纤维复合材料的进一步发展，必然会有更多的产品采用性能优良的碳纤维复合材料，给人们的生活带来更多的便利。

四、碳纤维复合材料的发展趋势

根据JEC“复合材料工业的结构与动态”一文的预测，2005年全球复合材料的市场为530亿欧元，到2015年预期将增长至880亿欧元，而不同国家和地区的市场情况有所不同其中中国的市场增长最快，其次是亚太地区，欧美的增长点主要在航空、风能、船艇及建筑业方面，目前越来越多的国外复合材料厂家登陆我国，一批国外汽车厂商在中国设立了研发中心，以达到本土化、降低生产成本和占领一席市场的目的。另据CFRP知名专家Tony Roberts在其著作“2006～2010年全球战略市场评估”中预测，全球CFRP的产值将从2006年的99亿美元增至2010年的136亿美元，到2025年可望超过250 亿美元，其中波音和空客到2010年的小丝束PAN-CF的用量，将占全球的15%～20 %，其次的大型用户是风能叶片，因此这两大应用领域仍是未来CF的主导市场。表1示出全球2007～2012年一般工业领域对CF的需求情况。我国目前正大规模发展风能，但迄今为止仍采用玻璃纤维复合材料（GFRP），今后随着叶片的大型化，势必要发展混杂的复合材料制品，即叶片的加强筋及其圆柱形翼根采用CFRP，而其它部位采用GFRP，只有特大型叶片会考虑采用全CFRP。此外，我国现正研制大型飞机，这对国内CF市场将是巨大的推动力。另外，电缆的CFRP加强芯材也将是我国的大市场，因为高压输电电缆将不断延伸至边远地区。总之，到2024年我国势必将成为CF及其CFRP制品的生产大国。