碳纤维复合材料应用研究报告
摘 要：本文对碳纤维复合材料的应用进行了综述，介绍了目前碳纤维复合材料的优异性能、国内外发展现状及趋势及在其所应用领域中的发展前景。同时，也指出了碳纤维复合材料在应用和发展中所存在的问题，并给出了解决这些问题的对策及建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用前景
1 前言
碳纤维复合材料是以碳纤维为增强体与树脂、陶瓷及金属等基体复合而成的结构材料。碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90% 以上。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。碳纤维除了具有十分优异的力学性能外，碳纤维还具有低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、穿透性高等优良性能。基于此，到目前为止，用碳纤维与其他基体复合而成的先进基复合材料是目前用得最多，也是最重要的一种结构复合材料。
碳纤维复合材料与金属材料或其他工程材料相比有许多优良的性能，如表1-1所示：
表1-1 各材料性能比较
[2]
[1]
材料 钢SAE1010 （冷轧） 铝6061-T6 高强度碳纤维环氧基（单向） 高模量碳纤维环氧基（单向） 碳纤维环氧基 （准各向同性） 弹性模密度ρ 量E -3/(g?cm) /GPa 207 215 抗拉强度σ /MPa 365 310 1550 1240 比模量(E/ρ) /[ GPa/(g?-3cm)] 比强度(σ/ρ) -/[ GPa/(g?cm3)] 最高使用温度 /℃ 500～650 150～250 80~215 80～215 579 80～215 通过比较可知，（1）碳纤维复合材料比强度是钢SAE1010（冷轧）的近20倍，是铝6061-T6 的近10倍；其比模量则超过这些钢和铝材的3倍。因此其具有高的比强度和比模量。（2）大多数碳纤维复合材料可通过设计增强纤维的取向及用量来对结构材料的性能实行剪裁，达到性能最佳。（3）碳纤维复合材料密度低，质量轻，能有效减轻构件重量。除此之外，碳纤维复合材料还有多选择性成型工艺、良好的耐疲劳性能及良好的抗腐蚀性等。
由于碳纤维复合材料具有优于其他材料的性能，世界各国都在大力发展碳纤维复合材
料。2013年碳纤维复合材料总产值147亿美元，其中CFRP产值94亿美元，约占64%。碳纤维复合材料的需求万t，2020年预计需求量将达万t（图1-1），2010—2020年全球碳纤维复合材
料年均增长率都将超过11%
[3][4]
。
2016、2020年的需求量为预测值。
图1-1 2011—2020年全球碳纤维和碳纤维复合材料的需求量
其中，欧洲的碳纤维复合材料需求占全球市场的40 %，美国占25 %，中国占20 %，其他国家与地区的碳纤维复合材料占市场份额在15 %上下。其中中国市场对碳纤维的需求每年也在逐步增加，中国碳纤维复合材料市场需求如图1-2所示：
图1-2 中国碳纤维复合材料市场需求
2015年，碳纤维制造商日本帝人公司扩大碳纤维复合材料合作领域，其目标是将他们的热塑性碳纤维复合材料Sereebo应用到量产车的零部件上。美国运用基于Impossible Objects的复合型增强材制造出碳纤维零件。2015年10月，宝马将推出全新碳纤维复合材料车，全新BMW 7系打造了Carbon Core高强度碳纤维,内核，碳纤维增强复合材料被用于加
[5]
固车顶横梁结构以及B柱和C柱、底部侧围、中央通道和后部支撑。与上一代车型相比，最大减重达130 kg。随着世界各国对碳纤维复合材料的广泛应用，各国将会重视并大力发展碳纤维复合材料且其应用领域将更加广阔。
[6]
2 碳纤维复合材料的应用前景
碳纤维复合材料主要应用到航天航空、汽车、船舶、风力发电、运动休闲、土木建筑、压力容器等领域，其各个领域所占市场份额如图2-1所示
图2-1 2014年全球各种碳纤维复合材料市场需求份额百分比
在中国，随着航天航空、汽车、船舶、风力发电、运动休闲等大力的发展，碳纤维及其复合材料的应用占全世界1/4，航天航空、汽车、船舶、风力发电、运动休闲、土木建筑、压力容器等领域所占份额如图2-2所示。
图2-2 2014年中国各种碳纤维复合材料市场需求份额百分比
[7]
在航天航空领域的应用
通常，先进复合材料首先应用于航天航空等国防工业领域，然后随着技术的成熟，慢慢向民用领域发展。以高性能碳纤维复合材料为代表的先进复合材料作为结构、功能一体化材料，在民用飞机、导弹等航空航天领域发挥着不可估量的作用。
[8]
民用飞机
碳纤维复合材料与钢材相比其质量减轻75 %，而强度却提高4倍，其在航空航天复合材
料上的使用，大大改善了大型商用飞机的燃油效率，空客A380、A400M 和波音787 中碳纤维复合材料 的使用量均已超过50 %。其机身、机尾翼采用碳纤维层合结构，升降舵、方向舵保留碳纤维夹芯机构。大量应用复合材料获得的低油耗、高巡航速度使其得以实现更多的点对点不经停直飞航线。碳复合材料具有耐高温、抗磨损、比热容大等特点，是制造飞机制动装置的优异材料。用其制作的飞机制动盘同金属制动盘相比可节省40%的结构重量，使用寿命是金属制动盘的5～7 倍。
[9]
．2 军用飞机及火箭
在20世纪80年代，碳纤维复合材料作为主承力结构材料在军用飞机的主翼、机身等部位使用。近几年随着碳纤维工业技术和航空航天事业的不断发展，碳纤维在这一领域的应用更加广泛，如用于制造人造卫星支架、卫星天线、航天飞机的机翼、火箭的喷焰口、战略导弹的末级助推器、机器人的外壳等
[10]
。
固体火箭发动机是各种导弹武器的主要动力装置，在其壳体应用碳纤维复合材料可大大减轻火箭和导弹的发射质量、节省发射费用，或携带更重的弹头、或增加有效射程和落点精度。由于战略导弹对自身结构质量的要求非常严格，采用先进碳纤维复合材料 对提高精度、增大射程意义重大。发动机和弹头质量每减少1 kg，可使洲际导弹射程增大20 km，故碳纤维复合材料在导弹上的应用会极大提升战略导弹的作战性能
[11]
。
在汽车及一般工业的应用
碳纤维复合材料用于汽车部件上不仅可以实现汽车轻量化，而且在安全性与乘用舒适性等方面也有很大提高，因此越来越受到汽车工业的重视，对碳纤维复合材料的需求量也逐年增多（如图2-1）。很多汽车制造商生产的高档、豪华轿车几乎都开始试用或已经采用了各种碳纤维复合材料[12]。
图2-1 2004-2020年汽车领域对碳纤维复合材料的需求量
（1）碳纤维复合材料应用于汽车车身、底盘及承力部件，在保证安全性的同时具有十分明显的减重效果。英国材料系统实验室的研究结果表明，在各种材料制造的车身中碳纤维复合材料是最轻的，尤其是与钢制车身相比，轻量化效果达53%以上。根据世界铝业协会的报告，汽车质量每减少10%，油耗可降低6%~8%，排放减少5%~6%，每降低消耗1 L燃油，将减
少 kg的CO2排放量，可见在汽车上使用碳纤维复合材料，提高燃油经济性，节能环保的作用非常明显
[13]
。
（2）碳纤维复合材料具有良好的抗冲击性和能量吸收能力，用于车身及其结构件具有良好的碰撞安全性。碳纤维复合材料质量仅有钢的50%左右，在碰撞时吸收能量的能力却是钢或铝的4~5倍，使汽车碰撞安全性显着提高
[13]
。
(3)碳纤维复合材料振动衰减系数大，吸振能力强，用于传动系统和发动机部件，不仅能减轻车的质量，还可以减少振动、降低噪声，从而增加乘坐舒适度
[14]
。除此之外，碳纤维
复合材料还能省去复杂的金属模具、冲压、焊接及喷涂投资，降低综合生产成本。
在风力发电风轮翼方面的应用
随着风力发电设备的大型化，要求减轻 设备负荷，减少叶片变形，为此要求在主承 力件如轴和叶片某些部位采用适应于大型叶 片轻量化和高刚性化的碳纤维复合材料
[15]
。
碳纤维复合材料作为发电机叶片的首 选材料,可以提高叶片的捕风能力。用于对 材料强度和刚度要求高的翼缘部位,不但可 以提高叶片的承载能力,促进风力发电的发
展,而且碳纤维的导电性可避免雷击损伤. 图2-2碳纤维在风力发电风轮翼的应用 据分析,采用碳纤维叶片可减重20%~40%
[16]
.
在土建领域的应用
在土建领域，使用碳纤维材料加固 结构的主要目的是提高建筑工程承载能 力或改善其功能。
目前，建筑工程中广泛使用的碳纤 维及其复合材料产品具有多种形式，常 用的碳纤维筋、碳纤维索、碳纤维型材 以及衍生出的碳纤维复合材料构件和结 构等（如图2-3）。其中，碳纤维筋主要 用于混凝土结构中替代钢筋，在腐蚀环 境下可以减少因钢筋锈蚀所产生的结构 损伤或破坏，提高结构寿命。碳纤维索 主要用于桥梁等大跨度结构建设中的拉
索或吊索，也可以用于锚索，用以减轻 图2-3 碳纤维筋 索 栅栏 管制品 结构自重、提高抗拉能力、改善耐久性等。碳纤维型材以及衍生出的碳纤维复合材料构件和
碳纤维复合材料应用研究报告
