一、 簡(jiǎn)介

    碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上，它是利用各種有機(jī)纖維在惰性氣體中，高溫狀態(tài)下碳化而制得的。碳纖維具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，是目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和最高的比模量的纖維，特別是在2000°C以上的高溫惰性環(huán)境中，碳纖維是唯一強(qiáng)度不變的物質(zhì)，是其他主要結(jié)構(gòu)材料所無(wú)法比擬的。

    作為高性能纖維的一種，碳纖維既有碳材料的固有特性，又兼?zhèn)淞思徔椑w維的柔軟可加工性，是先進(jìn)復(fù)合材料中最重要的增強(qiáng)材料，已經(jīng)在軍事以及民用中的各個(gè)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。

    碳纖維復(fù)合材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強(qiáng)體，樹脂為基體所形成的復(fù)合材料，英文稱之為Carbon Fiber-reinforced Polymer（CFRP）。這種材料具有密度低，熱膨脹系數(shù)小，耐燒蝕性能好，輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和熱物理性能，使其被廣泛應(yīng)用于軍事、航空、體育用品、賽車等領(lǐng)域，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>

    二、 碳纖維復(fù)合材料的的制備

    1、碳纖維的生產(chǎn)

    根據(jù)碳纖維原料的不同，可以將其分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維。

    （1）PAN基碳纖維

    PAN基碳纖維制造的第一步是用丙烯腈（AN）單體制造PAN原絲，第二步是原絲的預(yù)氧化和碳化，預(yù)氧化處理的目的是使PAN的線性分子鏈轉(zhuǎn)化為耐熱的梯形結(jié)構(gòu)，使其在高溫下碳化時(shí)不熔不燃，保持纖維形態(tài)。碳化過程是碳纖維形成的主要階段，除去了纖維中大量的氧、氮和其他元素，再經(jīng)過表面處理、干燥上漿，得到具有金屬光澤的PAN基碳纖維產(chǎn)品。

    （2）瀝青基碳纖維

    首先是瀝青原料的精制，主要是為了除去瀝青中的游離炭和其他固體雜質(zhì)，這些雜質(zhì)再紡絲過程中可能會(huì)堵塞紡絲孔，接下來(lái)的瀝青調(diào)制過程是通過瀝青的熱縮聚、加氫預(yù)處理、溶劑萃取的方法制取可紡瀝青，目的是除去瀝青中的輕組分。瀝青的紡絲方法主要又?jǐn)D壓法、離心法、熔吹法、渦流法等。由于瀝青的可溶性和粘性，在剛開始加溫就會(huì)黏合在一起，而不能形成單絲的碳纖維，所以必須在碳化前進(jìn)行碳纖維的預(yù)氧化處理。預(yù)氧化處理還可以提高瀝青纖維的力學(xué)性能，增加碳化前的抗拉強(qiáng)度。預(yù)氧化處理后的瀝青纖維將在惰性氣體中進(jìn)行碳化或石墨化處理，以除去其中的非碳原子，提高力學(xué)性能。

    （3）粘膠基碳纖維

    粘膠基碳纖維主要用于耐燒蝕材料和隔熱材料，其產(chǎn)量不足世界碳纖維總量的1%，但有著其他兩種碳纖維不可取代的地位。生產(chǎn)粘膠基碳纖維的原料主要是木漿和棉漿，粘膠纖維漿粕配制成紡絲液，通過濕法紡制成粘膠連續(xù)長(zhǎng)絲，粘膠纖維經(jīng)水洗、干燥和浸漬催化劑后，再經(jīng)預(yù)氧化和碳化工藝就可以轉(zhuǎn)化為碳纖維。

    2、碳纖維復(fù)合材料成型工藝

    碳纖維復(fù)合材料的成型工藝主要有手糊及噴射工藝、熱壓罐成型、模壓成型、纏繞、拉擠、RTM工藝等。

    （1） 手糊及噴射工藝

    手糊和噴射工藝適合成型大型、復(fù)雜構(gòu)件，成本低廉，工藝操作簡(jiǎn)單，對(duì)操作人員要求較低。其缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率較低，產(chǎn)品質(zhì)量受人為因素影響較大。

    （2） 熱壓罐成型工藝

    熱壓罐成型工藝適合成型大型復(fù)雜構(gòu)件，適合成型高纖維體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料，其缺點(diǎn)為設(shè)備成本高，生產(chǎn)效率低。

    （3） 模壓成型工藝

    模壓成型適合成型小型復(fù)雜構(gòu)件，適合于成型高纖維體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料，制品的精度較高，缺點(diǎn)就是成本較高。

    （4） 纏繞成型工藝

    纏繞工藝適合于截面為回轉(zhuǎn)體的復(fù)合材料產(chǎn)品的制造，產(chǎn)品生產(chǎn)自動(dòng)化程度 高，質(zhì)量可控性好，制備大型構(gòu)件需要大型纏繞設(shè)備。

    （5） 拉擠成型工藝

    拉擠工藝適合制備等截面復(fù)合材料構(gòu)件，生產(chǎn)效率高。

    （6） RTM成型工藝

    RTM工藝是將預(yù)先預(yù)先根據(jù)設(shè)計(jì)鋪層結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)材料預(yù)成型體鋪放在模腔中，通過一個(gè)或幾個(gè)注射口將樹脂注入模腔，依靠帶壓樹脂的流動(dòng)浸潤(rùn)纖維，并排除模腔中的氣體，固化開模，成型制品。RTM工藝具有尺寸穩(wěn)定性好，成型周期短，制品表面光潔度高等特定，但由于成型采用雙片模具，模具成本較高。

    三、 產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

    由于碳纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和比模量、密度小、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、易于整形等優(yōu)點(diǎn)，隨著逐漸產(chǎn)業(yè)化，其被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車行業(yè)、體育用品、民用其他行業(yè)等領(lǐng)域，已經(jīng)成為了新一代可應(yīng)用材料。

    1、航空航天領(lǐng)域

    碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。美國(guó)戰(zhàn)機(jī)超級(jí)“大黃蜂”（F/A-18E/F）CFRP用量約為19％，法國(guó)戰(zhàn)機(jī)“陣風(fēng)”用量約為24％，英國(guó)戰(zhàn)機(jī)“臺(tái)風(fēng)”（EP2000）用量約為40％。直升飛機(jī)也大量采用CFRP。例如，由哈爾濱飛機(jī)制造廠生產(chǎn)的直-9型直升飛機(jī)，武裝了駐港部隊(duì)和參加了2007年上海合作組織在俄羅斯的反恐軍演，是我國(guó)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。

    CFRP在空客A380和波音787上的用量已占到結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的50％，稱之為復(fù)合材料飛機(jī)都不為過。

    2、汽車行業(yè)

    隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)保的重視，汽車的輕量化顯得越來(lái)越重要，這更加快了碳纖維復(fù)合材料在汽車中的使用。 目前碳纖維主要應(yīng)用在小批量車型、高級(jí)轎車和F1賽事上的車體部分、發(fā)動(dòng)機(jī)部分、傳動(dòng)部分、底盤系統(tǒng)等。如法拉利F430裝備的制動(dòng)盤、馬自達(dá)RX-8傳動(dòng)軸、豐田1/X混合動(dòng)力車車身骨架、奧迪R8 Spyder跑車的車頂、行李箱的兩邊及頂部，寶馬M6型的頂蓬等都不同程度地采用了碳纖維復(fù)合材料。

    最近推出的寶馬i8跑車，采用全新LC 500h的碳纖維車頂、碳纖維骨架的鋁合金車門，以及關(guān)鍵部位的大量輕質(zhì)高強(qiáng)度鋼材，使得全新雷克薩斯LC的車身抗扭剛性甚至超越傳奇跑車LFA，為全新LC 500h帶來(lái)更為統(tǒng)一、緊致的操控表現(xiàn)和凌厲的轉(zhuǎn)向響應(yīng)。

    3、體育器材

    由于碳纖維復(fù)合材料高強(qiáng)高模、質(zhì)量輕、疲勞強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)小、破損安全性能好，其用在像撐桿、高爾夫球桿、自行車、滑雪板、皮劃艇等靠人力來(lái)使其運(yùn)動(dòng)的體育器材，可以大大提高體育競(jìng)技的水準(zhǔn)。

    碳纖維撐竿可以保證撐竿既柔韌結(jié)實(shí)又不會(huì)斷裂或扭結(jié)，它可將運(yùn)動(dòng)員持竿快速助跑的動(dòng)能部分轉(zhuǎn)變成撐竿的彈性變形能，當(dāng)撐竿被壓彎到最大弧度后，這部分彈性變形能再釋放出來(lái)，轉(zhuǎn)變成運(yùn)動(dòng)員的勢(shì)能，幫助運(yùn)動(dòng)員騰空躍起，飛越橫桿。隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，自行車不僅是交通和運(yùn)輸工具，還具有健身、旅游、競(jìng)賽等多種功能。高檔自行車的車構(gòu)架、前叉部件、車輪、曲軸及座位支架等均使用碳纖維復(fù)合材料制成，不僅使自行車外觀更具美感，同時(shí)也賦予了車體良好的剛性和減震性能。車體重量進(jìn)一步下降，騎乘舒適性更好。

    碳纖維復(fù)合材料除了應(yīng)用在以上幾個(gè)主要領(lǐng)域外，還有很多行業(yè)使用了碳纖維復(fù)合材料，像無(wú)人機(jī)、船舶、家電等等，由于篇幅有限，小編就不再一一列舉了。

    四、 總結(jié)與展望

    隨著科技的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)在國(guó)內(nèi)很多行業(yè)得到了應(yīng)用，但由于碳纖維技術(shù)不成熟，其生產(chǎn)成本較高，很難得到大規(guī)模使用。2016年2月15日，中國(guó)終于突破日本管制封鎖研制出高性能碳纖維。國(guó)內(nèi)的碳纖維復(fù)合材料主要集中在大型國(guó)有企業(yè)，碳纖維復(fù)合材料的真正普及還需要靠大量民企的技術(shù)突破來(lái)進(jìn)行推動(dòng)，進(jìn)行低成本化生產(chǎn)，真正做到碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用。

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責(zé)任編輯：劉洋

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