碳纤维复合材料应用研究报告

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[1]。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[2]：表1-1各材料性能比较材料密度ρ/(g⋅cm-3)弹性模量E/GPa抗拉强度σ/MPa比模量(E/ρ)/[GPa/(g⋅cm-3)]比强度(σ/ρ)/[GPa/(g⋅cm-3)]最高使用温度/℃钢SAE1010（冷轧）7.8720736526.300.05500～650铝6061-T62.7068.931025.520.11150～250高强度碳纤维环氧基（单向）1.55137.8155088.901.0080~215高模量碳纤维环氧基（单向）1.632151240131.900.7680～215碳纤维环氧基（准各向同性）1.5545.557929.350.3780～215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7.2万t，2020年预计需求量将达14.6万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1-12011—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ImpossibleObjects的复合型增强材制造出碳纤维零件[5]。2015年10月，宝马将推出全新碳纤维复合材料车，全新BMW7系打造了CarbonCore高强度碳纤维,内核，碳纤维增强复合材料被用于加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130kg[6]。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。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[7]图2-12014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2-22014年中国各种碳纤维复合材料市场需求份额百分比2.1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]。2.1.1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]。2.1．2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1kg，可使洲际导弹射程增大20km，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]。2.2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2-12004-2020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1L燃油，将减少2.45kg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著提高[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。2.3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].2.4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结构主要用于制造结构受力构件或局部结构单体，以改善构件和结构的性能，适应不同环境或工况要求，还可以利用碳纤维材料的优良性能形成多样化的新型、智能结构[17]。2.5在运动休闲领域的应用出于对安全、减重的需要，碳纤维复合材料用于生产自行车、钓鱼竿、冲浪板、滑雪板、高尔夫球杆、羽毛球拍和网球拍等，是我国目前消耗量最大的碳纤维应用领域。用碳纤维复合材料制成的高尔夫球棒可减轻重量约10%-40%。由碳纤维复合材料制成的钓鱼竿竹竿要轻得多，使其在撒竿时消耗能量少，而且撒竿距比后者远20%左右，且刚性大，钓鱼竿在弯曲之后能迅速复原使其传递诱饵的感觉较为灵敏[18]。2013年碳纤维复合材料在运动休闲领域产值达14.7亿美元，其中高尔夫杆等产品产值5.6亿美元，占38%，网球和羽毛球球拍占21%，自行车占14%。运动休闲用碳纤维消耗量最大在亚洲，特别是中国，高尔夫球杆、网球拍、钓鱼竿、自行车架、船桨、公路赛车等都用到碳纤维。由于成本问题，制约碳纤维在该领域的快速发展，预计2015年全球运动休闲领域对碳纤维需求增长依然保持在4%左右[19]。2.6其他领域的应用（1）压力容器方面：压缩的液化天然气具有成本低、效益高、无污染和使用方便等特点，在生活燃料、汽车动力等领域有着广泛的应用。碳纤维复合材料产品具有轻质高强、耐疲劳性能更好、耐破损安全性佳以及减震性能优等特点，故其推广和应用越来越受到重视。丰田公司也将于2015年发售燃料电池车。此外，新能源页岩气罐也用碳纤维复合材料制造。（2）深海石油平台：深海采油，由于海上空气湿度大，海水的盐碱度高。而传统金属石油平台质量大、耐腐蚀性和抗疲劳性能较差。如果不能及时对金属石油平台进行维护，则可能在采油过程中发生事故。碳纤维复合材料有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温等优异性能,凭借此优异性能，碳纤维复合材料可以在此方面实现其应用价值。（3）高速铁路：高速加超重不光消耗巨大的能源，更大幅度增加了轨道设施的基础建设成本。所以，高铁的轻量化势在必行。国际上各大高铁技术公司都在研制高铁用碳纤维复合材料，诸如转型架、车头、地板等部件的开发，国外均有碳纤维复合材料的研发。3碳纤维树脂基复合材料存在的问题及改善对策（1）组织技术攻关。碳纤维复合材料生产工艺流程长、技术关键点多，是多学科、多技术的集成。在国内起步较晚，可采用消化吸收引进技术与自主创新相结合办法，尽快实现规模化工业生产。首先必须解决原丝质量问题，同时还需要加强预氧化、碳化、石墨化设备及表面处理工程技术研究开发，并重点解决T300级等中低端碳纤维产品稳定性，加快T700系列、T800系列等中高端碳纤维产品产业化及高模量碳纤维研发。（2）价格是制约碳纤维复合材料发展的主要因素。世界上碳纤维复合材料生产厂商都在致力于降低碳纤维生产成本。在保证质量的基础上降低成本，许多工业应用才有实用价值。为广泛应用创造了条件，才能带来碳纤维工业的高速发展。降低成本的主要措施有降低碳纤维的成本及新型节能技术及装备的采用等。（3）碳纤维复合材料的应用难度大。碳纤维复合材料的应用具有设计—制造—应用一体化的特点，碳纤维每一个中间产品或复合材料产品的应用，都需要专有技术、专门的设备、专用的树脂，都需要生产企业和应用企业点对点定向开发。参考文献[1]唐见茂.碳纤维树脂基复合材料发展现状及前