基礎篇

碳纖維復合材料的基本概念

說起材料，似乎挺復雜的，其實不盡然。大家肯定都聽說過石器時代、銅器時代和鐵器時代。這很通俗、又很清楚的表明了人類歷史發展與材料的關系。到今天，全球材料結構中仍然有有大約一半是鋼鐵或其合金，從這個意義上講，我們現在仍然處于鐵器時代。

一種用于結構的好材料，一般應具有較大的強度，或者外力作用下發生形變相對較小，或者重量較輕。而有時候，我們要求材料必須同時具備強度高、變形小和重量低這三種特性。因此，材料科學領域提出了比強度和比模量的概念。

比強度（specific strength）是材料的強度（斷開時單位面積所受的力）除以其密度。又被稱為強度－重量比。比強度高，簡單的說，就是材料又要結實，又要輕。

舉個例子來說，比普通鋼強度高7倍的合金鋼，夠結實?？墒翘?。要用合金鋼增加結構強度，就必須同時增加重量，這對需要高速運動的物體，意義就不大了。因此我們說，合金鋼的比強度還是不夠高。

比模量（specific modulus）是材料的模量（在受力狀態下的應力與應變之比）除以其密度，又稱勁度－質量比。比模量高，簡單的說，就是材料又要變形小，又要輕。

各種工程材料，比如木材、鋁、鋼，它們的比強度差別很大，但比模量其實都差不多，僅僅從比模量角度，他們之間相互替代的意義也并不大。

強度高、變形小、重量低，什么地方會用到這樣的材料呢？

對了，就是航空和航天工業。飛行器的運動速度高，過載大，對材料強度和變形有嚴格要求。而且，商用飛機每減重一公斤，一年就能節約3000美元的燃料。遠程火箭、太空飛船每減重一公斤，就能節約10，000美元的燃料。能夠減少重量，就能夠增加有效載荷，降低飛行成本。因此高速飛行領域對材料重量是很敏感的。

當然，大家可以聯想到，航空航天領域的材料，還需要一個特質，就是耐高溫。

有朋友說：那鈦合金呢？沒錯，鈦合金確實比鋼鐵更加符合飛行器的要求。但問題是鈦資源很少，開采、提煉和加工又很麻煩，因此鈦合金的價格相當昂貴。這部分的限制了鈦的大規模商用，甚至是大規模軍用。對于鈦合金，兵器迷將來另有專貼分析，這里就不贅述了。

強度高、變形小、重量低、耐高溫、不太貴。這五個要求像是密集的交叉火力，把絕大部分已知材料封殺殆盡。就在這個時候，咱們故事的主角，碳纖維復合材料，終于登場了。

碳纖維，指碳的重量占90%以上的纖維狀碳材料。碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，制成的材料，就是碳纖維復合材料（CFRP）。

碳纖維布的編織紋理

碳纖維復材中最重要的碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現有結構材料中是最高的。其比模量比鋼和鋁合金高5倍，比強度要高3倍。而碳纖維的比重，一般在1.6左右，是鋁的二分之一，鋼的五分之一。碳在各種溶劑中不溶解，在隔絕空氣的惰性環境中（常壓下），在高溫時也不會熔融，而且是在2000攝氏度以上唯一強度不下降的已知材料。只有在10Mpa壓力和3000K以上高溫條件下，才不經液相直接升華。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，在要求高溫、化學穩定性高的場合，CFRP都具有很高的優勢。

東西是好東西。可在現代化學工業誕生之前，人們卻一直以為，碳產品的脆性非常大，碳纖維也很難做出來。就是好不容易做出來了，力學性能又極差。因此并沒有認識到這是個寶貝。碳纖維的利用，可以追溯到1880年，那個以發明燈泡而著名的愛迪生，申請專利，提出利用碳纖維作為電燈的燈絲，后來因為鎢絲的替代而不了了之。此后關于碳纖維及其復合材料的研發，在很長時間處于停滯狀態。直至二戰之后，美國和日本為主的研發工作陸續獲得突破，才終于迎來了碳纖維的春天。

1950年，美國Wright-Patterson空軍基地開始研究用人造絲制造碳纖維，并得到了力學性能優良的碳纖維。1967年，美國Uninon Carbide公司已經能夠供應彈性模量為2.8-3.5×106公斤/厘米2的石墨紗。1969年，日本東麗公司研制成功特殊的聚丙烯腈共聚PAN纖維，并結合Uninon Carbide公司的碳化技術，生產出了比強度和比模量都很高的碳纖維。此后至今，東麗公司一直是首屈一指的高性能碳纖維供應商，產量居世界首位。其與日本東邦和三菱人造絲三家日本公司，生產世界70%以上的軍用碳纖維，代表著當今高性能碳纖維的最高水平。而以Akzo和Zoltek為代表的美國公司，則把持著低端碳纖維市場的主要份額。

東麗公司的碳纖維產品

對了。在此，順便解釋一個有朋友問過兵器迷的問題，就是大家經常聽說的T300，T800這些碳纖維究竟是什么意思。其實，就是以日本東麗公司TORYA的首字母命名的碳纖維原絲的品級。

東麗公司碳纖維品級性能表

補充一句：在理論上，碳纖維的抗拉強度可能達到180Gpa，實驗室碳纖維最高抗拉強度已達到9.03Gpa，未來有可能做到20Gpa。

兵器迷嘆口氣，日本在高性能碳纖維和其他諸多領域，能夠在基礎研究、產品研發、市場占有和行業標準這四方面獨占鰲頭，成為一個行業的領導者。而放眼望去，中國，能夠做到如此地步的，又有幾何？軍工領域尚在追趕，暫且不談；就是民用領域，除了袁隆平的雜交水稻，這個GDP規模第二的國家在行業領先方面似乎也是寥若星辰。大而無當，大而不強，實積弊已久，國人自強自精之路，尚在漫漫。

書歸正傳。

碳纖維的應用，其實可以分為兩個大的分支。即高端軍用領域的小絲束碳纖維和低端民用領域的大絲束碳纖維。

對不住了，材料領域的術語就是多，兵器迷一樣撓頭。呵呵，各位耐心點看吧。

碳纖維的絲束以K表示，1K表示一個絲束含1000根碳纖維，3K就是3000根。一般來講，24K以下為小絲束（small tow），24K以上的為大絲束（large tow）。

詳情請點擊鏈接：干貨！一篇文章讀懂:碳纖維復合材料在航空航天領域的應用淺析