碳纤维增强复合材料的应用现状.pdf

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1、第 2 9卷 第 5期 2 0 0 4年 l O月 高 科 揸 讦 谁 与 应 用 Hi Te c h F i b e l&Ap p l i c a t i o n V0 I 2 9 NO 5 oc t 2 0 0 4 碳纤维增强复合材料的应用现状 苏 小萍(武汉理工大学 材料研究与测试 中心，湖北 武汉4 3 0 0 7 0)摘要：碳纤维复合材料以其优异的综合性能成为当今世界材料学科研究的重点。介绍了碳纤维的概念及其性 能，简述 了碳纤维复合材料作为结构型 复合材料、结构功能型复合材料及功能型复合材料的一些具体应 用。关键词：碳纤维；碳纤维增强复合材料；结构型复合材料；结构功能型复合材料；功

2、 能型复合材料 中图分类号：T O3 2 7 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 7 9 8 1 5(2 0 0 4)0 5 0 0 3 4-0 3 刖 吾 1 9 5 9年，日本人 A S h i n d o首先发明了用聚 丙烯腈纤维(P A N)制造碳纤维，如今碳纤维已 发展 成为 独立 完整 的新 型工 业 体系，并被 喻为 是 当今世界上材料综合性能的顶峰，是 2 l 世纪的黑 色革命。碳纤维主要是 由碳元素组成 的一种特种 纤维，分 子 结构 界于石 墨 与金 刚石 之 间，含碳 体 秋分数随种类不同而异，一般在 O 9以上。碳纤 维的显著优 点是重量轻、纤度好、抗拉强度高，同

3、时具有一般碳 材料 的特 性，如耐高温、耐摩 擦、导电、导热、膨胀系数小等。由于碳纤维这 些优异的综合性能，使其与树脂、金属、陶瓷等 基体复合后形成的碳纤维复合材料，也具有高的 比强度、比模量、耐疲劳、导热、导电等一 系列 优 良性质，并且在现代工业方面应用非常广泛。按其功能与用途不同，大体应用领域可分为 以下 3大类。1 结构型碳纤维复合材料 碳纤维最早是因其优异的力学性能而作为增 强材料使用的，在结构增强方面的应用非常广泛。1，1 航空航天工业 碳 纤 维 复 合 材料 与钢 材 相 比其 质 蹙减 轻 7 5，而强度却提高 4倍，其最早最成熟的应用 属在航空航天领域，如军用飞机、无人战斗

4、机 及导弹、火箭、人造 卫星等。早在 l 9 7 0年代初 期，美国军用 F l 4战斗机就部分采用碳纤维复合 材料作 为主承力 结构；1 9 7 0年代 后期，碳纤 维复 合材料作为主承力结构材料在 F 一 1 8的主翼、机身 等部位使用，用量达结构材料总质量的 1 0；垂 直起 降 的 AV 一 8 B战斗机主 翼等部件 的碳纤维 复合 材料用量达到总质量的 2 O。在民用航空领域，如波音 7 6 7 和空中客车 A 一 3 1 0中，碳纤维复合材 料也 占到 了结构质量的 3 和 5 左右。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

5、 人造 星支 架、卫星天线、航天飞机 的机 翼、火箭 的喷焰 u、战略导弹的末级助推器、机 器人的外壳等。特别是欧洲于 2 0 0 4年投产的巨无 民航机空客 A 一 3 8 0及美围将于 2 0 0 6年投产的 7 E 7，其碳纤维的用量更是在大约 4 O，标志着 未来的民航机采用高比例碳纤维的新纪元 已经到 米。另外，美伊战争后美国在军需品方面对碳纤 维的需求量激增，在这些 因素的共 同作用下，致 使前几年一度低迷的碳纤维工业出现供不应求的 良好局面。1，2 体育休闲用品 体育休闲用 品是碳纤维复合材料应用的另 一 收稿日期：2 0 0 4 0 9 0 8；修定日期：2 0 0 4 0 9

6、-2 4 作者简介：苏小萍(1 9 6 6 一)，女，陕西宝鸡人，工程师，从事材料固体力学的研究测试工作。维普资讯 http:/ 第 5期 苏小萍：碳纤维增强复合材料的应用现状 一 3 5 一 个重要领域，如高尔夫球杆、滑雪板、滑雪车、网球拍、钓鱼竿等。用碳纤维复合材料制成 的球 拍与传统的铝合金球拍相比，其质量更轻、手感 和硬度更好、对震荡和振动的吸收也更好，且使 用寿命 大大 延 长。同时 由于 复合材 料本 身 的可 设 计性，使得制造商在球拍的硬度、弹性、球感、击球 性能 的设 计上，有 了更 大 的想 象 空间。而碳 纤维钓鱼竿 由于其 良好的韧性与耐用性，更是被 广泛青睐。近年来，

7、碳纤维复合材料在运动及休 闲型 自行车零 组件方面 的应 用亦非常广泛。1 3 风力发电用翼片 随着世 界 范 围 内环保 意 识 的 日益增 强，绿色 能源 正 日益 得 到重 视，作 为 绿色 能源之 一 的风 力 发电技术发展迅速。风力发 电装置的关键部件 一 转子叶片的材料及工艺设计成为研究的重点 。叶 片因为承受 的是周期性的动态载荷，为避免叶片 在较低应力水平下的疲劳破坏，因此对所用材料 的疲劳可靠性有较高的要求；另外，随着风力发 电功率的逐步增大，相应的叶片长度也在不断变 大，为了保证结构的稳定和正常工作，同时也要 求制造叶片的材料具有高的强度和刚度，而碳纤 维复合材料优 良的比

8、强度、比刚度和抗疲劳性，正好 可 以满足 这 一要求。由于 目前石 油价格 不 断 上涨，传统的燃煤火力发电污染环境，而核能发 电厂 的设立又遭反对，在这种背景下风力发 电工 业作为绿色洁净能源，被认为是最安全 的不会破 坏地球生态 的再生能源，碳纤维复合材料在这一 领域的应用也必将 日益广泛。1 4 土木建筑结构补强材料 由于 碳纤维材 料 比强度 l 0倍于钢材，且抗腐 蚀 和无磁 性，易于现场 施 工和树 脂 体系 可 以在 室 温下固化，因此碳纤维环氧树脂单 向片材在水泥 梁柱等修补中越来越得到重视。1 9 9 3年 3月日本 北方地震，北海 道教育大学房屋柱裂缝破坏，C o u s

9、t e c公司采用 MCC设计，用碳纤维单向片材 进 行加 固修 复；1 9 9 4年 1 0月北海道 又发生地 震，在对原被加 固建筑检查发现，采用碳纤维片 材加 固修复 的效果十分明显。U lJ L 是上次用碳纤 维单 向片材修复过的柱子都没有裂缝，而没有修 复的柱子火多裂缝破坏。另据统计，美国现有桥 梁 中的 4 0 都 已受到不 同程度 的锈蚀损伤，而 碳纤维由于施工便捷、且在施工过程中不影响桥 梁的使用，因此是用于修复这些桥 梁 的最好材 料。其修 复范 围主要包括：桥柱、桥墩、桥面 板、盖板、增强条、缆索、缆束等。对粘贴碳纤 维单向片材加 固在役损伤混凝土梁 的疲劳试验结 果表明：

10、损伤混凝土梁粘贴碳纤维单 向片材加固 后，疲劳寿命可提高 4 56 O，疲劳变形减 少 了 2 5 3 5，梁 的疲 劳抗 裂性 能亦得 到较 人提高。混凝士梁的疲劳试验见图 l。图 l 混凝土梁的疲劳试验 图 1 5 交通运输 碳纤维增强复合材料在交通运输方面主要是 汽 车 骨 架、螺旋 桨 芯轴、轮 毂、缓 冲 器、弹 簧 片、引擎零件、船舶的增强材料等，尤其在汽车 方面的应用更是潜力 巨大。早在 1 9 7 9 年，福特汽 车公司就在实验车上作 了试验，将其车身、框架 等 1 6 0个部件用碳纤维复合材料制造，结果整车 减重 3 3，汽油的利用率提高 了4 4，同时大 大降低了振动和噪音

11、”。2 结构功能型复合材料 碳纤维除因其优 良的力学性能而用于结构材 料 的增强外，还因其导电性极好且呈非磁性而用 作功能材料。2 1 电磁屏蔽 为了保护 电子线路免遭外部 电磁波的干扰和 防止 内部产 生的干扰波 向外发射，电磁屏蔽 已成 为现代电子设备的必备要求。以前 的电磁屏蔽材 料多为金属，成本高、质量大和结构笨重，随着 先进复合材料 的发展，在这一领域 的应用也逐步 维普资讯 http:/ 一3 6 一 高斜旌讦谁 与应用 第 2 9卷 扩大。碳纤维 由于具有较高的导电性能，因此其 聚合物基复合材料可作为理想的集功能与结构于 一体 的屏 蔽材料。屏蔽材料对 电磁 波可分为反 射、吸收

12、和透过 3种效果。随着碳纤维在生产过 程中热处理 的温度不 同，经石墨化处理 的石墨纤 维是电磁波 的反射材料，而未经石墨化处理的碳 纤维是电磁波的吸收材料。碳纤维与聚合物复合 成为填充 型复合材料，不 仅具有 良好 的屏蔽作 用，同时使壳体材料 的力学性能大大提高。2 2 结构自诊断 为防止结构材料 的突然破坏，避免一些灾难 性的后果，可在高摸量的增强材料中也复合部分高 韧性的增强材料，这样在高摸量的脆性材料发生突 然破坏时，暂时还可由高韧性的材料支撑应力。如 果高模量材料选为导 电体，而高韧性材料为绝缘 体，当导电的高模量材料破坏时整体复合材料的电 阻值便会明显提高，但此时高韧性材料仍在承

13、受负 荷，这样就可以在整个结构破坏之前，通过监测电 阻值的变化，方便的得知整个结构的损伤情况，以 便及时采取措施。这种组合 以碳纤维和玻璃纤维最 为多见。这种融合了功能和结构材料的结构功能性 复合材料，除了具有结构材料优 良的力学性能外，同时还可通过残留电阻值来记忆以前受过的最大损 伤，且信号明显易测量。3 作为功能材料 3 1 红外传感 热敏 电阻型红外传感器是根据红外照射后材 料 的电阻变化测定其温度上升，它能检测出静止 物或移动体发出的红外线，且在室温下操作。但 是一般材料 的热容量大，红外照射后温度上升慢 且输出小，故尚未实用化。碳纤维单丝直径可在 l 0 u m 以下，呈黑色故能吸收

14、红外线，其热容量 小，适当碳化，可得到对温度电阻变化大，能与 测定系统匹配的制 品。它们的热导率高，红外线 停止照射后温度可迅速降低，故响应灵敏，照射 时可保持输 出，停止照射时输 出立 即恢复至 0。用这种纤维在一边被照射，另一边作参比的电桥 电路组成的热敏电阻辐射热测量仪，就能检测出 红外线的照射情况。3 2 汽车称重 在混凝土中加入体积分数 0 0 0 2 nO 0 0 5的短 纤 维后，混凝 土路面 的电阻值 随外 加应 力变 化开 始成比例改变，当汽车驶上该混凝土路面时，通 过 测量路 面 电阻值变 化就 可方 便 的称量 出汽 车 的 重 量。这 与在 道路 内埋藏 传感 器等 测

15、量 应力 的 方 法原理相同，但成本相对低得多。4 结论 碳纤维复合材料 自 2 0世 纪 6 0年 代兴起 以 来，经过 4 0多 a的发展，在技术等各方面都取得 了长足 的进展，应用领域也在不断扩展，从 以前 主要集中在 航空航天及代表科技前 沿的军事领 域，逐步拓展到工业应用领域，特别是近几年 以 来，碳纤维复合材料在土木工程、交通运输、压 力容器、石油开采、纺织机械等方面 的应用大幅 增长，更有新开发的应用领域不断见诸报道。如 利用碳纤维复合材料制造人工韧带、人造假肢和 人造骨骼，作为航天光学遥 感器结 构件等。同 时，我国的碳纤维工业也得到了迅速发展，标志 肴我国碳纤维 已从研究转

16、向工业化生产，从而碳 纤维复合材料的应用必将快速发展。参考文献 l I 张鹏碳纤维的应用及市场A d v a n c e d Ma t e r i a l s I n d u s t r y，2 0 0 1，(7)：2 72 9 2 I 赵稼祥复合材料在风力发电上的应用高科技纤 维与应用，2 0 0 3，2 8(4)：l 4 3 I 陈光大碳纤维的应用前景中国投 资，2 0 0 2 3：2 42 5 4 J 刘沐宇，李开兵，张学明，等 碳 纤维布加 固损伤混凝 土梁的疲劳性能试验I J I 2 0 0 4，2 6(4)：5 2 5 5 5 I 翟国华，候培民 新世 纪中国汽车工业用纤维的发展

17、合成纤维工业，2 0 0 3，2 6(3)：l 一4 6 I 靳武刚 碳纤维在电磁屏蔽材料中的应用研究J J J 高 科技纤维与应用，2 0 0 3，2 8(4)：9一l 3 7 I 王茂章 用作智能材料的碳纤维I J J 新型碳材料，1 9 9 6，1 1(4)：1 11 7 (下转 3 9页)维普资讯 http:/ 第 5期 余艳娥，谭艳君：新型高性能纤维 一芳纶 3 9 产和应用的研发已取得了一定的成果，但是与国 外芳纶 比较起来，还有许多缺点。首先，国产芳 纶易断头，表面易起毛，吸湿性差，而且生产规 模小、品种和规格少，工程应用设计可选择余地 小；其次，芳纶的表面处理技术还不够成熟。还

18、 有，芳纶韧性大，其复 合材 料的机械加工性能 差，常规机械加工方法难 以加工。所 以，尚需要 对其做进一步的研究。参考文献 3 毕鸿章芳纶纤维复合材料及其应用概况I J I 建材工 业信息，1 9 9 6，(3)：8 9 Hi g h-P e r f o ma n c e F i b e r s J As i a n T e x t i l e B u s i n e s s，2 0 0 1：l ll 4 黄兴山芳纶的性能、应 用和生产I J I 化工时刊，2 0 0 2 甄 小阿 芳纶浅述纺织导报，1 9 9 7，(2)：1 4 l 7 沙中瑛，于振环，宋威芳纶纤维在轮胎工业中的应 用I

19、J I 弹性体，2 0 0 4，l 4(1)：6 26 5 靳武刚 芳纶纤维复合材料在天线工程 中的应用 电子M-T-程，2 0 0 3，1 9(1)：3 64 0 黄乃科，王曙中 对位芳纶在防护纺织品中的应用和 发展高科技纤维与应用，2 0 0 1，2 6(1)：2 3 2 7 毕鸿章 对位型芳纶的性能和应用I J I 高科技纤维与 应用，1 9 9 8，2 3(6)：4 04 4 陈平，蔡金刚芳纶纤维及其织物复合材料在电子电 气领域 中的应 用I J I 纤维复合材料，1 9 9 4，(4)：4 8 5 3 胡福田，程江，文秀防，等芳纶纤维在高性能覆铜板 中的应用 I J I 绝缘材料，2

20、 0 0 4，(1)：4 3 4 4 南九红 Ke v l a r-一 光纤光缆和 电缆用新材料I J I 光纤 与电缆及其应用技术，1 9 9 6，(5)：2 93 5 严志云，刘安华，贾德民 芳纶纤维的表面处理及其 在橡胶 工业 中的应用 I J I 橡胶 工业，2 0 0 4，5 1(1)：5 6 6 0 Ne w h i g h pe r f o r ma nc e fib e r-po l y a r mi d fib e r YU Ya n e：TAN Y a n-j u n (Xi a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h

21、n o l o g y，Xi a n 7 1 0 0 4 8 Ch i n a)Abs t r a c t：Th i s p a p e r p r i ma r i l y i n t r o d u c e s i n d u s t r y o f p o l y a r mi d fib e r，me a n wh i l e b r i e fl y S U r f a c e t h e p o p e r t y Ch a r a c t e r i s t i c s a n d a p p l i c a t i o n i n e x pl a i n s i t s me

22、 t h o d o f d y i n g a n d t r e a t me n t i n i t s Ke y wo r d s：p o l y a r mi d fib e r；a p p l i c a t i o n；p o p e r t y；c h a r a c t e r i s t i c s；d y i n g；t r e a t me n t i n s u r f a c e (上 接 3 6页)Ap pl i c a t i o n o f c a r bo n fib e r r e i n f o r c e d c o mpo s i t e S U X

23、i a o p i n g (Ce n t e r f o r Ma t e r i a l s Re s e a r c h a n d An a l y s i s，Wu h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，W u h a n 4 3 0 0 7 0 Ch i n a)Ab s t r ac t：To d a y，c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c o mp o s i t e h a s b e e n a f o C U S o f ma t e r i a I s c i

24、e n c eb e c a u s e 0 f i ts e x c e l l e n t i n t e g r a t i v e p r o p e r t i e s I n t h i s p a p e r t h e c o n c e p t a n d p r o p e r t i e s o f c a r b o n fib e r a r e i n t r o d u c e d At t h e s a me t i me，a s s t r u c t u r a I ma t e r i a l，s t r u c t ur a l-f u n c t i

25、 o n a I ma t e r i a I a n d f u n c t i o n a I ma t e r i a 1 s o me u s a g e s 0 f CF RP a r e d i s c u s s e d Ke y wor ds：c a r bo n fib e r；c a r b o n fib e r r e i n f o r c e d ma t e r i a l；s t r u c t u r a l ma t e r i a l；s t r u c t ur a l f u n c t i o n a I ma t e r i a I：f un c t i o n a 1 ma t e r i a l 4 5 6 7 8 9 维普资讯 http:/