碳纤维是含碳量在90%以上的特种纤维,在纤维增强材料中发展最为迅速、应用范围最广。自上世纪50年代以来,碳纤维复合材料因其独特的性能,在航空航天领域有着广泛的应用,随着碳纤维复合材料性能的不断提升,碳纤维开始普及到建筑、石油、体育等多个领域。
1.航空航天领域的应用
航天飞行器的重量每减少1公斤,就可以帮助运载火箭减少500公斤的重量。同样,飞机重量的减轻可以节省油耗,提高航速,在航空航天工业中竞相采用先进复合材料。碳纤维具有高比强度、比模量、低热膨胀系数和高导热性等独特性能,因而由其增强的复合材料用作航空航天结构材料,减重效果十分显著,应用潜力巨大。例如欧洲空客公司A380客机上的机舱内壁板、后机身蒙皮、水平安定面等都是碳纤维复合材料。
采用碳纤维复合材料将大大减轻火箭和导弹的惰性重量,既减轻发射重量又可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。早在八十年代我国就在某型海防导弹上成功采用了碳纤维复合材料。人造卫星展开式太阳能电池板也多采用碳复合材料制作。碳纤维增强热固性树脂基复合材料(如C/EP、C/PI或C/BMI)和热塑性树脂基复合材料(如C/PEEK ,C/PPS) ,作为结构隐身材料目前也已经得到了某些应用。
2.石油工业的应用
美国于20世纪90年代初研制成功碳纤维复合材料连续抽油杆,试验结果表明:碳纤维复合材料连续抽油杆克服普通钢抽油杆质量大、耗能高、失效频繁、活塞效应大、起下作业速度慢易偏磨的缺点,是一种很有发展前途的特种抽油杆网。
近来世界第五、亚洲第一大石油公 司中国石油将致力于发展碳纤维产业,未来有能力跻身于碳纤维产业世界前三强。中国石油致力于拓宽碳纤维复合材料的应用领域,向高端市场延伸。特别是海上钻井平台,目前每个平台要使用钢材8万吨,如果改用复合材料,则每个平台仅消耗1.3万吨的碳纤维复合材料。深海油气田将是碳纤维复合材料发挥作用的重要领域。
3.建筑领域的应用
水泥在土木建材领域中用量最大,但水泥也有诸如脆性大、抗拉强度低等缺点,而现在用混凝土或水泥做基体制成的碳纤维增强复合材料,强度高、模量大、比重小、耐碱腐蚀,克服了水泥的缺点,在土木建筑应用中日益受到重视。用碳纤维取代钢筋,可消除钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用,使建筑构件重量减轻,安装施工方便,缩短建筑工期。
4.汽车制造业及体育用品中的应用
与普通钢材相比,碳纤维的重量仅为其四分之一,但强度却达到它的10倍。应用碳纤维复合材料生产汽车零部件后,有望大幅降低车身重量。车辆使用碳纤维,可以拥有更轻的重量、更好的燃油经济性以及同样出色的安全性。碳纤维复合材料在运动器材中也得到了广泛应用。包括高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、钓鱼竿、自行车架、冰球拍、船桨、赛艇等,都已经形成了成熟的市场。
目前我国碳纤维复合材料发展迅速,在“神七”飞船所用材料中,碳纤维复合材料的比例已达到65%左右,前不久针对我国启动的大飞机攻关项目,专家明确提出,复合材料用量应至少达到25%。但由于技术原因,我国碳纤维复合材料的工业化进展一直不快,碳纤维原料及其复合材料一直严重依赖进口,在碳纤维的低成本上和复合材料成型技术上我们还要花很大的力气。
阅读延伸:《碳纤维复合材料在轨道交通车体中的轻量化应用》