高性能碳纤维复合材料分类及前沿应用东纶科技

  用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究真实的碳纤维结构发现，碳纤维属于乱层石墨结构 ， 基元是六角形碳原子的层晶格，由层晶格组成层平面。在层平面内的碳原子以强的共价键相连， 其键长为0.1421 nm;在层平面之间则由弱的范德华力相连， 层间距在0.3360 ～ 0.3440 nm之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置， 因而层片边缘参差不齐。

  碳纤维是纤维状的碳材料， 由有机纤维原丝在1000℃以上的高温下碳化形成， 且含碳量在90%以上的高性能纤维材料。碳纤维主要具备以下特性：

  ①密度小、质量轻， 碳纤维的密度为1.5~2 g/cm3 ， 相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;

  ③热膨胀系数小， 导热率随温度升高而下降， 耐骤冷、急热， 即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂;

  ⑥耐高温和低温性好， 在3000℃非氧化气氛下不熔化、不软化， 在液氮温度下依旧很柔软， 也不脆化;

  ⑦耐酸性好， 对酸呈惰性， 能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀 。除此之外， 碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。

  (1)根据碳纤维的力学性能可分为高模量， 超高模量， 高强度和超高强度4种;

  (2)根据原丝的类型可分为聚丙烯腈基碳纤维、纤维素基碳纤维、沥青基碳纤维、酚醛基碳纤维等。

  聚丙烯腈(PAN)基碳纤维由聚丙烯腈经纺丝、预氧、碳化几个阶段形成。PAN基碳纤维具有高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点， 并具有很强的抗压抗弯性能， 一直在增强复合材料中保持着主导地位。目前， PAN基碳纤维仍是碳纤维市场中的主流。

  主要应用领域有：航空航天工业， 地面交通工具， 如汽车、赛车、快速列车等， 造船工业、码头和海上设施， 体育用品与休闲用品， 电子产品， 基础设施以及造纸、纺织、医疗器械、化工、冶金、石油、机械工业等领域， 要求零部件在高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作。

  粘胶基碳纤维是由主要成分为纤维素的粘胶纤维经过脱水、热解然后碳化而得来的。粘胶基碳纤维的三维石墨结构不发达， 导热系数小;石墨层间距大， 石墨微晶取向度低， 因此是理想的耐烧蚀和隔热及热防护材料。同时， 粘胶基碳纤维是由天然纤维素木材或棉绒转化而来， 与生物的相容性极好， 又可作为良好的环保和医用卫生材料。

  由于生产粘胶基碳纤维的工艺流程较长， 工艺条件苛刻， 不适宜大批量生产， 成本较高;另外，粘胶基碳纤维的整体性能指标比PAN基碳纤维的要差， 综合性能价格比在竞争中处于劣势， 因此从20世纪60年代以来其生产规模逐渐萎缩， 目前产量已不足世界碳纤维产量的1%。

  沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料， 经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成。沥青基碳纤维的生产原料成本低于聚丙烯腈基碳纤维， 但由于沥青基碳纤维的生产工艺复杂， 反而使其生产成本大大增加。此外， 沥青基碳纤维抗压强度比较低， 其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纤维， 因此其生产规模和应用领域都受到了一定限制。不过， 由于沥青基碳纤维具有优良的传热、导电性能和极低的热膨胀系数， 因此仍在必须要求这些性能的军工及航天领域发挥着独特作用。

  酚醛基碳纤维阻燃性、绝缘性极好;可在松弛条件下碳化， 加工工艺简单， 碳化时间短且温度低， 碳化率高， 且手感柔软， 但强度和模量较低。酚醛基碳纤维主要用于复写纸原料， 耐腐蚀电线， 以及用来制造耐热、防化防毒、无尘等特种服装。

  尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能， 然而， 它属于脆性材料， 只有将它与基体材料牢固地结合在一起时， 才能利用其优异的力学性能， 使之更好地承载负荷。因此， 碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷， 而目前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料 。

  (1) 比强度、比模量高：CFRP 的比强度比钢高5倍，比模量也比钢高。

  (2) 密度小，强度高：CFRP 的密度是其它金属材料密度的0.5 倍左右。高性能的CFRP强度能达到钢材的十几倍。

  (3) 抗疲劳特性好：CFRP 的疲劳极限是拉伸强度的70%～80%，远大于一般金属的疲劳极限(40%～50%)。

  (4) 抗震性能好：CFRP 中基体纤维界面可以吸收较大的震动能量，因此抗震性能好。

  (5) 可设计性强：CFRP 具有各向异性，可以通过改变各铺层的方向和层数来得到满足强度、刚度和各种特殊需求。

  (6) 高温性能好：CFRP 在400℃的高温下强度和弹性模量几乎无变化，而铝合金在400℃下强度显著下降，弹性模量几乎下降到零。

  陶瓷具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性， 广泛应用于工业和民用产品。但是， 它的致命弱点是脆性大， 并且对裂纹、气孔和夹杂物等细微的缺陷很敏感。用碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性， 改变陶瓷的脆性断裂形态， 同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。

  目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料， 因其具有优良的高温力学性能， 在高温下服役不需要额外的隔热措施， 因而在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域具有广泛应用。

  碳/碳复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称， 也是一种高级复合材料。它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成。碳/碳复合材料主要由各类碳组成， 即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种完全由人工设计、制造出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能， 除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外， 还具有较高的断裂韧性和假塑性。特别是在高温环境中， 强度高、不熔不燃， 仅是均匀烧蚀。这是任何金属材料无法与其比拟的。因此广泛应用于导弹弹头， 固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等高科技领域 。

  碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维， 金属为基体的复合材料。碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比， 具有高的比强度和比模量;与陶瓷相比， 具有高的韧性和耐冲击性能。金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等。其中， 碳纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟。

  制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层， 以防止在复合过程中损伤碳纤维， 从而使复合材料的整体性能下降。目前， 在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等， 但因其过程复杂、成本高， 限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用 。

  碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是目前__的复合材料之一。它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料， 是其他纤维增强复合材料所无法比拟的 。

  CFRP具有质量轻、强度高的优点，在航空航天领域有着大量的应用， 如航天飞机的舱门、仿生机械臂以及压力容器等。随着航空制造技术的不断发展， 先进民用飞机在结构中大量地使用了碳纤维增强树脂基复合材料， 主要部位有：整流包皮、副翼、发动机罩、阻力板、扰流器、起落架舱门、水平和垂直尾翼、方向舵及其他主要及次要承力结构件等。在民用领域， 碳纤维增强树脂基复合材料的应用也不断扩大， 如汽车结构件、风力发电机叶片、体育器材等。

  碳纤维复合材料(CFRP) 问世于20 世纪四、五十年代，最早由美国开始制造。1950 年，在美国空军基地，人们2 000℃的高温下首次通过牵引人造丝制备得到了CFRP，随后CFRP 进入到了高速发展时期。1959 年美国联合碳化物公司以粘胶纤维为原丝制成纤维素基CFRP ;1969 年日本东丽公司研制成功高比强度和高比模量的碳纤维。碳纤维的生产，在国际上一直由美、日两国主导，目前日本东丽、东邦和三菱人造丝三家日本公司，占据世界70% 以上的高性能军用碳纤维生产份额。

  据宝钢集团宝汽新能源控股首席技术官宋廷瑞介绍，碳纤维的产量其实非常低，相当于钢铁和铝合金。上图可以看到：2014 年__碳纤维总共 40 万吨左右，中国目前实际产能将近 1 万吨，但实际产量只有 3000 多吨。所以基本上国内碳纤维的现状就是，实际产量远低于产能。

  据美国复合材料预测和咨询公司2015年做出的一个详细预测，__范围内碳纤维的需求量是与日俱增的。__碳纤维市场分为消费品和体育休闲，航空航天和工业。其中工业包括汽车风电等其他具体需求。

  受益于美国液燃气气瓶的增长以及海上风电的大规模开发，尤其是应对新能源汽车和传统汽车的轻量化要求，汽车厂汽车产业对碳纤维的需求量实际非常庞大。预计在 2020 年__碳纤维的需求量可能实现 13 万吨。如下表示。

  (1)比强度和比刚度大：相比于其它复合材料，在满足飞机机体相同强度和刚度的前提下，碳纤维复合材料高比强度和高比刚度的特性能够大大减轻机身质量，降低载荷成本，对结构的轻质化、小型化和高性能化意义重大，以确保飞机尤其是无人机拥有更长的飞行距离和飞行时间。

  (2)可整体一体化成型：小型机往往需要具有高度翼身融合的飞翼式总体气动外形，需要在结构上采用大面积整体一体化成型技术。而碳纤维复合材料不仅可以通过模压成型、热压罐外固化成型或RTM树脂传递模塑成型等工艺进行大面积一体化整体成型，而且还可以引入自动化流水线生产工艺，提高效率，大大降低生产制造成本，非常适合大规模制造小型机的机身结构。

  (3)耐腐蚀和耐热性好：碳纤维复合材料还具有优异的耐腐蚀和耐热性能，能够耐受自然界中的水和多种介质的腐蚀以及热膨胀的影响，可满足飞机各种环境条件下长储存寿命的特殊要求，降低使用维护的寿命周期成本。

  (4)可植入芯片或合金导体：碳纤维复合材料还可以植入芯片或合金导体，形成具有智能的结构整体，可在恶劣环境下长期使用，且不会破坏植入的设备性能，能够可靠的执行特殊任务。

  通用汽车__研发总监认为，未来汽车发展将呈现四个方向：轻量化、电动化、智能化、网络化。这是电动汽车，尤其对自动驾驶和智能电动汽车而言的四个基本点。

  应用于汽车轻量化的复合材料，尤其是先进复合材料，是指用碳纤维等高性能纤维增强的复合材料。宝马和大众均曾预测，在 2020 年碳纤维制品的成本会与铝合金持平，碳纤维复合材料尤其它的可设计性和模块化，会大大的会或者彻底颠覆整个汽车的制造格局，从而完全颠覆现有的汽车产业格局。

  随着我国在碳纤维生产以及复合材料制备工艺领域的进一步发展， 碳纤维及其复合材料在建筑、交通、化工等民用领域的应用前景将十分乐观，以碳纤维复合材料代替传统金属材料制作建筑物的横梁、抗震结构， 补强、修补或加固桥梁， 制造油田勘探和开采器材以及平台、油、气储罐等将会有很大的发展，而其在航空航天及军事领域的应用也会更加广泛。

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