PAGEPAGE4碳纖維增強復合材料概述摘要：本文對碳纖維增強復合材料進行了介紹，詳細介紹了其優點和應用。并對碳纖維復合材料存在的問題提出建議。關鍵字：碳纖維，復合材料，應用Abstract:Inthispaper,thecarbonfiberreinforcedcompositematerialsareintroduced,itsadvantagesandapplicationwasintroducedindetail.AndputsforwardSuggestionsontheproblemsexistinginthecarbonfibercompositematerials.Keywords:carbonfiber,compositematerials,applications1.碳纖維增強復合材料介紹復合材料是將兩種或兩種以上不同品質的材料通過專門的成型工藝和制造方法復合而成的一種高性能新材料，按使用要求可分為結構復合材料和功能復合材料，到目前為止，主要的發展方向是結構復合材料，但現在也正在發展集結構和功能一體化的復合材料。通常將組成復合材料的材料或原材料稱之為組分材料（constituentmaterials），它們可以是金屬陶瓷或高聚物材料。對結構復合材料而言，組分材料包括基體和增強體，基體是復合材料中的連續相，其作用是將增強體固結在一起并在增強體之間傳遞載荷；增強體是復合材料中承載的主體，包括纖維、顆粒、晶須或片狀物等的增強體，其中纖維可分為連續纖維、長纖維和短切纖維，按纖維材料又可分為金屬纖維、陶瓷纖維和聚合物纖維，而目前用得最多的和最重要的是碳纖維[1]。碳纖維是一種直徑極細的連續細絲材料，直徑范圍在6～8μm內，是近幾十年發展起來的一種新型材料。目前用在復合材料中的碳纖維主要有兩大類：聚丙烯腈基碳纖維和瀝青基碳纖維，分別用聚丙烯腈原絲（稱之為前驅體）、瀝青原絲通過專門而又復雜的碳化工藝制備而得。通過碳化工藝，使纖維中的氫、氧等元素得以排出，成為一種接近純碳的材料，含碳量一般都在90%以上，而本身質量卻大為減輕；由于碳化過程中對纖維進行了沿軸向的預拉伸處理，使得分子沿軸向進行取向排列，因而碳纖維軸向拉伸強度大大提高，成為一種輕質、高強度、高模量、化學性能穩定的高性能纖維材料。用碳纖維和高性能的樹脂基體復合而成的先進樹脂基復合材料是目前用得最多，也是最重要的一種結構復合材料。此外，用天然纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維作增強體的樹脂基復合材料也在快速發展。碳纖維增強復合材料(CFRP)是目前最先進的復合材料之一。它可以兼顧碳纖維和基體的性能而成為綜合性能更為優異的工程結構材料和具有特殊性能的功能材料。它以其輕質高強、耐高溫、抗腐蝕、熱力學性能優良等特點廣泛用作結構材料及耐高溫抗燒蝕材料,是其它纖維增強復合材料所無法比擬的。碳纖維復合材料因其較高的比強度、比模量在國外先進戰略、戰術固體火箭發動機方面應用較多,如美國的戰略導彈侏儒三級發動機殼體,三叉戟
一、二、三級發動機殼體的復合材料裙,民兵系列發動機的噴管擴張段,部分固體發動機及高速戰術導彈美國的THAAD、ERINT等。目前,CFRC在人造衛星及高性能飛機等航空航天材料中得到了相當廣泛的應用，除軍用外,開發纖維復合材料的其它應用也大有作為,如飛機及高速列車剎車系統、民用飛機及汽車復合材料結構件、高性能碳纖維軸承、風力發電機大型葉片、體育運動器材(如滑雪板、球拍、漁桿)等。隨著碳纖維生產規模的擴大和生產成本的逐步下降,在增強混凝土、新型取暖裝置、新型電極材料乃至日常生活用品中的應用也必將迅速擴大。我國為配合北京奧運會,擬大力開發新型CFRP建材及CFRP的研究和開發應用已成為一項涉及多項學科領域的系統工程,而CFRP的發展狀況則成為一個國家材料科學乃至整個科學技術發展水平的重要標志之一。 2.碳纖維復合材料的優點[2]碳纖維復合材料與金屬材料或其他工程材料相比，具有以下許多優良的性能：1）比強度和比模量高高強度碳纖維-環氧基復合材料（單向）的比強度是鋼SAE1010（冷軋）的多折迭式碳纖維復合材料剛性太陽電池陣結構等。4.碳纖維復合材料存在的問題及建議我國的碳纖維樹脂基復合材料研制起步于20世紀60年代末，至今已有40多年的發展歷程，在產品開發、制造加工、產品應用及人才培養等方面都取得了很大進步，但是同先進國家相比仍有很大差距，尤其近年來，由于西方國家的快速發展，這種差距還有加大的趨勢。目前我國碳纖維的品種、質量和產業規模遠不能滿足國內復合材料快速發展的要求，仍然是制約我國碳纖維復合材料發展的瓶頸，這主要表現在：1）產品質量不完全過關，缺陷多，性能分散性大；2）產品規格和品種少；3）由于性能和質量上的問題以及生產成本高，制約了生產規模的擴大。從技術上看，造成上述問題的主要原因是基礎研究工作薄弱，造成生產碳纖維的pan基原絲質量不高。因此，以提高原絲質量為目標，應加強科學基礎及工程化研究，強化國內碳纖維研究生產的自主創新能力，建立高效的產業創新體系，堅持原始創新與引進消化吸收并舉，突破瓶頸，改變我國碳纖維落后局面。在管理體制上也存在如下一些問題：1）碳纖維是多學科和多技術集成的高新技術產品，國家在項目組織、管理、實施和政策扶持等上應起主導作用，但多年來這種局面尚未形成，國家總體上的規劃和領導以及集中調控作用不夠，基礎研究、技術攻關、中試生產、工業化生產和應用開發之間缺乏有機聯系，因而無論從規模和質量上，與國外水平的差距越拉越大。2）國內碳纖維多元化研發的格局尚未建立。從碳纖維產業的源頭到最終產品，真正擁有完整研發與生產過程的單位不多，技術水平同國外相比差距較大。潛心研究碳纖維產業發展的氣氛不夠濃厚，民營企業中拿來主義現象較為明顯，急于求成、急功近利的思想十分嚴重。3）以應用牽頭，帶動碳纖維產業發展的體制未健全，以往國內航空航天高端產品應用主要依賴進口，而國產碳纖維得不到應用，因此也就得不到改進和提高的機會。4）企業之間產、學、研交流相當欠缺。碳纖維產業的發展不僅需要產、學、研相結合，而且更需要產、學、研、用有機地相結合，但在現有體制下產、學、研、用這個有機體系尚未真正建立，因而阻礙了國內碳纖維產業的快速發展。5）裝備技術研發滯后。有關碳纖維裝備技術研發工作長期沒有得到相應的重視。到目前為止，如大容量聚合反應器等被稱為碳纖維7大關鍵性設備只有兩種設備實現了國產化，而其余5種設備尚需進口，嚴重影響著國內碳纖維產業化的進程。6）目前國內缺乏具有工程孵化特征的研發基地。科研院所目前更多地承擔產品研發，工程研發放在企業，而企業又往往缺乏強大的研發力量。因此，我國需要一個以產業化為目的、以科研院所技術力量為主導、企業積極參與的具有工程孵化功能和特征的研發基地。其實，這些問題在國內業界早有所認識，但長期沒有得到認真解決，主要原因還是在于體制和機制方面的問題[5]。針對碳纖維產業存在的問題，提出建議如下：1）建立以市場需求為動力的機制。國內航空航天等行業領域的高端產品應加大應用國產碳纖維的力度，及時解決在應用中發現的問題，促進高端碳纖維的發展。2）建立符合中國市場特征的自主生產的碳纖維產品規格和質量評價體系，科學論證產品和技術的質量定位，以終端復合材料的應用來評價碳纖維的質量。建立高、中、低3個層次的碳纖維產業和相應的產業標準，應根據不同的應用目標建立符合中國市場的技術—生產—應用的產業鏈條，形成產—學—研—用一體化的研發體系，既有多功能的開發能力，又有小批量生產能力[6]。3）集中力量進行高端碳纖維的技術和質量攻關。加快碳纖維國產化進程不僅需要明確的產品市場定位、充足的資金支持、發展中市場的及時跟進，而且需要強大的社會與政府力量的支持、多元化力量的有效介入，才能有力地推動碳纖維產業化進程。4）發展高強度的碳纖維聚丙腈前驅體原絲生產技術，建立全方位質量保證體系和標準化體系，重點發展原絲原材料入廠檢驗和驗收標準、生產過程中工藝參數優化和穩定性控制等質量保證體系，保證批量生產質量穩定，在此基礎上形成大規模產能并建立碳纖維原材料生產的產業鏈。5）強化碳纖維生產線的全面質量控制與質量保證體系和標準化體系。特別是重點發展前驅體原絲入廠檢驗和驗收標準、碳化過程的工藝參數優化和質量保證體系，保證批量生產的性能和質量穩定，在此基礎上形成年產能達千t規模的高性能碳纖維生產基地。6）在參考國外碳纖維產品相關標準的同時，盡快建立健全符合中國國情的獨立自主的產品標準體系，避免碳纖維發達國家對我國碳纖維產品的限制和干擾。7）實現主要生產設備國產化，重點是大規格的反應釜、預氧化爐、碳化爐、收絲機、尾氣焚燒爐及高溫碳化爐等設備的國產化，耐高溫（≥1800℃）、大尺寸（≥1500mm×1000mm×10是在航海及風電應用領域，有待于提高低成本成型技術生產的產品品種和規模。針對低成本成型技術存在的主要問題，提出建議如下：1）加快發展高效低成本的樹脂基復合材料整體化成型技術，包括樹脂傳遞成型技術（RTM）、預浸帶自動鋪放技術（ATP）、拉擠成型技術、纖維纏繞技術等，形成規模化生產能力，滿足航空、航天和民用工業需求，特別是大飛機復合材料次結構件及主結構件制造技術需求。2）重點發展集設計、材料成型和配套保障的技術體系，加快發展紡織用復合材料的液態成型技術和自動化技術（如纖維纏繞、拉擠、編織、絲束鋪放、隔膜成型、自動成套裁減、激光樣板等）；發展高效率的非熱壓罐固化技術，如微波、電子束、超聲波、X射線等新固化技術[7]。3）建立飛機復合材料設計中心和試驗評價驗證中心。跟蹤國外的先進經驗，研究和發展復合材料結構優化設計的新概念、新方法，推進結構整體化設計和制造技術。4）發展復合材料的應用分析方法和分析工具，重點發展用來預測復合材料的加工性能、結構完整性以及耐久性的先進計算機應用分析工具；發展將先進的分析法及模擬方法與數據庫技術相結合的智能化設計和驗證系統。5.結語在固體火箭發動機領域,先進復合材料起著重要的、無與倫比的作用。當前,先進的碳纖維增強復合材料技術的快速發展,使研制和應用碳纖維增強的復合材料殼體、噴管等發動機構件成為可能,先進的碳纖維增強復合材料技術將給高性能固體發動機的研制和開發提供強有力的技術支持,使發動機性能獲得新的飛躍。此外,高性能碳纖維增強復合材料在空間技術領域的應用,將會簡化飛行器結構設計,減輕結構重量并降低飛行器的起飛重量,對于大幅提高空間飛行器的性能和壽命、降低成本有著重要意義。參考文獻：1王茂章,賀福,碳纖維的制造、性能及其應用[M],科學出版社,19842楊乃賓.先進樹脂基復合材料[M].中國材料工程大典:第十卷,第七篇.北京:化學工業出版社,20003陳祥寶,包建文.聚合物基體材料[M].中國材料工程大典:第十卷,第三篇.北京:化