碳纤维复合材料的研究及应用分析

  碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理后得到的微晶石墨材料,具有轴向强度和模量高、密度低、热膨胀系数小、耐化学腐蚀等性能,又有纺织纤维的柔软可加工性,属于一种性能优异的新型材料。碳纤维可在2000℃的高温下使用,在不接触空气和氧化剂的条件下,能够耐受3000℃的高温。

  根据机械强度和模量的不同,碳纤维可分为以下几大类:高模量纤维、高强度纤维、中模量纤维、低模量纤维、一般级纤维。根据丝束的大小可以分为大丝束和小丝束,大丝束一般指48-480K,小丝束一般指1-24K。按制备工艺分有三类碳纤维,分别是:聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和黏胶基碳纤维,其中聚丙烯腈基碳纤维用量最大,发展最快。碳纤维增强树脂复合材料是轻量高强高模材料的典型代表,也是目前使用最多发展较快的一种复合材料,下面介绍几种碳纤维复合材料的常见应用。

1. 航天航空领域

  包括客机、人造卫星、运载火箭、无人机等。如波音787客机中使用大量碳纤维复合材料,既减轻了重量,又不损失机身强度和刚度。新一代的飞行器将使用更高比例的碳纤维复合材料。

2. 土木建筑领域

  利用碳纤维复合材料棒材替代钢材,利用碳纤维复合材料层板加固或修复桥粱及建筑物。目前在土木建筑中的应用有复合材料棒材、纤维增强胶接层板、碳纤维增强混凝土、碳纤维复合材料片等。

3.工业领域

  在基础设施、油气钻探、压力容器、复合材料辊、风力发电等工业领域得到广泛应用。交通运输领域,新一代的汽车要求降低能耗,最重要的措施之一就是减轻汽车质量,用一般钢材是不可能实现的,因此采用复合材料是最有效的办法。国外的各大主要汽车厂家,都在开发使用碳纤维复合材料的能、环保汽车。虽然目前主要是用在豪华车型,但未来随着大丝束碳纤维价格的下降,将使碳纤维在更多普通车型中推广。

4.体育休闲领域

  近年来体育器材生产越来越多地使用碳纤维生产管状复合材料,像高尔夫球杆和球拍等,其它还有箭杆、钓鱼竿、自行车架、船桨、滑雪工具、棒球棒、公路赛车等体育用品。