摘 要：主要介紹了碳纖維復合材料的基本概述，并對它的一些結構性能、應用（主要在航空領域的應用）、發(fā)展，并分析了目前我國碳纖維復合材料的研究進展和應用前景。
　　關鍵詞：碳纖維復合材料；碳纖維樹脂基復合材料；碳/碳復合材料；結構性能；發(fā)展；航空領域。
　　1、碳纖維復合材料的性能及主要用途
　　由于碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維經熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工性好，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強度，且碳纖維比重小。
　�。�1）碳纖維的化學性能
　　碳纖維是一種纖維狀的碳素材料。我們知道碳素材料是化學性能穩(wěn)定性極好的物質之一。這是歷史上最早就被人類認識的碳素材料的特征之一。除強氧化性酸等特殊物質外，在常溫常壓附近，幾乎為化學惰性。可以認為在普通的工作溫度≤250℃環(huán)境下使用，很難觀察到碳纖維發(fā)生化學變化。根據(jù)有關資料介紹，從碳素材料的化學性質分析，在≤250℃環(huán)境下，碳素材料既沒有明顯的氧化發(fā)生，也沒有生成碳化物和層間化合物生成。由于碳素材料具有氣孔結構，因此氣孔率高達25%左右，在加熱過程易產生吸附氣體脫氣情況，這樣的過程更有利于我們穩(wěn)定電氣性能和在電熱領域的應用。
　�。�2）碳纖維的物理性能
　�。╝）熱學性質
　　碳素材料因石墨晶體的高度各向異性，而不同于一般固體物質與溫度的依存性，從工業(yè)的應用角度來看，碳素材料比熱大體上是恒定的。幾乎不隨石墨化度和碳素材料的種類而變化
　�。╞）導熱性質
　　碳素材料熱傳導機理并不依賴于電子，而是依靠晶格振動導熱，因此，不符合金屬所遵循的維德曼—夫蘭茲定律。根據(jù)有關資料介紹，普通的碳素材料導熱系數(shù)極高，平行于晶粒方向的導熱系數(shù)可與黃銅媲美
　�。╟）電學性質
　　碳素材料電學性質主要與石墨晶體的電子行為和不同的處理溫度有關，石墨的電子能帶結構和載流子的種類及其擴散機理決定了上述性質。碳素材料這類電學性質具有本征半導體所具備的特征，電阻率變化主要與載流子的數(shù)量變化有關。
　　總結碳纖維復合材料的現(xiàn)實應用有以下幾個方面
　�。�1）航天領域
　　碳纖維復合材料因其獨特、卓越的性能，在航空領越特別是飛機制造業(yè)中應用廣泛。統(tǒng)計顯示，目前，碳纖維復合材料在小型商務飛機和直升飛機上的使用量已占70%～80%，在軍用飛機上占30%～40%，在大型客機上占15%～50%。
　　（a）碳纖維樹脂基復合材料
　　碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）具有質量輕
　　等一系列突出的性能，在對重量、剛度、疲勞特性等有嚴格要求的領域以及要求高溫、化學穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復合材料都具有很大優(yōu)勢。碳纖維增強樹脂基復合材料已成為生產武器裝備的
　　重要材料。AV—8B 改型“鷂” 式飛機是美國軍用飛機中使用復合材料最多的機種，其機翼、前機身都用了石墨環(huán)氧大型部件，全機所用碳纖維的重量約占飛機結構總重量的26%，使整機減重9%，有效載荷比AV—8A飛機增加了一倍。數(shù)據(jù)顯示采用復合材料結構的前機身段，可比金屬結構減輕質量32.24%。用軍機戰(zhàn)術技術性能的重要指標——結構重量系數(shù)來衡量，國外第四代軍機的結構重量系數(shù)已達到27～28%。未來以F-22 為目標的背景機復合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復合材料將成為主體材料。國外一些輕型飛機和無人駕駛飛機，已實現(xiàn)了結構的復合材料化。
　　直升飛機上碳纖維增強樹脂基復合材料的用量更是與日俱增。武裝了駐港部隊并參加了2007 年上海合作組織在俄羅斯反恐軍演的直-9 型直升飛機，是我國先進的直升飛機。該機復合材料用量已占到60%左右，主要是CFRP。此外，日本生產的OH-1 “忍者”直升飛機，機身的40%是用CFRP，槳葉等也用CFRP 制造。
　　在民用領域，世界最大的飛機A380 由于CFRP 的大量使用，創(chuàng)造了飛行史上的奇跡。這種飛機25%重量的部件由復合材料制造，其中22%為碳纖維增強塑料（CFRP）。由于CFRP 的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損，從而大大減少了油耗和排放。燃油的經濟性比其直接競爭機型要低13%左右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率最高飛機的低15%～20%，成為第一個每乘客每百公里耗油少于三升的遠程客機。
　�。╞）碳/ 碳復合材料
　　碳/ 碳復合材料是以碳纖維及其制品（碳氈或碳布）作為增強材料的復合材料。因為它的組成元素只有一個（即碳元素），因而碳/碳復合材料具有許多碳和石墨材料的優(yōu)點，如密度低（石墨的理論密度為2.3g/cm3）和優(yōu)異的熱性能，即高的熱導率、低熱膨脹系數(shù)，能承受極高的溫度和極大的熱加速率，有極強的抗熱沖擊，在高溫和超高溫環(huán)境下具有高強度、高模量和高化學惰性。憑借著輕質難熔的優(yōu)良特性，碳纖維增強基體的（C/C）復合摩擦材料在航空航天工業(yè)中得到了廣泛應用。航天飛機軌道的鼻錐和機翼前緣材料，都會選用碳碳復合材料。另外還大量用作高超音速飛機的剎車片，目前，國際上大多數(shù)軍用和民用干線飛機采均用碳纖維增強基體的復合材料剎車副。這種剎車副不僅質量輕、抗熱沖擊性好、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、使用壽命長，更為方便的是可設計性強，性能便于調節(jié)。還可制作發(fā)熱元件和機械緊固件、渦輪發(fā)動機葉片和內燃機活塞等。
　　2.我國碳纖維復合材料發(fā)展現(xiàn)狀
　　現(xiàn)代的碳纖維是以聚丙烯腈、人造絲或木質素為原絲，將有機纖維跟塑料樹脂結合在一起高溫分解并且碳化后得到的，還不能直接用碳或石墨來制取。
　　據(jù)了解，目前全球碳纖維產能約3.5萬噸，我國市場年需求量6500噸左右，屬于碳纖維消費大國。在以“高性能聚丙烯腈碳纖維制備的基礎科學問題”為主題的第335次香山科學會議上，會議執(zhí)行主席、國家自然科學基金委員會師緒院士指出，與國外技術相比，我國碳纖維領域還存在較大差距。2007年，我國碳纖維產能僅200噸左右，而且主要是低性能產品。由于缺少具有自主知識產權的技術支撐，目前國內企業(yè)尚未掌握完整的碳纖維核心關鍵技術。這就使得我國碳纖維在質量、技術和生產規(guī)模等方面均與國外存在很大差距，絕大部分高性能增強材料都長期依賴進口，價格非常昂貴。由于缺乏創(chuàng)新與集成和應用領域的拓展，極大地制約了我國碳纖維復合材料工業(yè)的發(fā)展。
　　基于我國高性能碳纖維復合材料產業(yè)尚不能滿足國民經濟快速、健康、持續(xù)發(fā)展的需求，國家發(fā)展改革委2008～2009 年組織實施高性能纖維復合材料高技術產業(yè)化專項，重點支持碳纖維、芳綸纖維、高強聚乙烯纖維及其高性能復合材料的生產技術及關鍵裝備的產業(yè)化示范，以滿足國民經濟以及航空航天等高技術產業(yè)發(fā)展的需求，培育一批具有國際競爭力的龍頭企業(yè)。這一舉措將為我國從材料大國轉變?yōu)椴牧蠌妵�奠定堅實的基礎。今年5月，由鷹游紡機自主研發(fā)的碳纖維生產線和神鷹碳纖維項目通過國家級驗收，標志著我國碳纖維生產已成功實現(xiàn)國產化和產業(yè)化。
　　參考文獻
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　　[2] 益小蘇.先進復合材料技術研究與發(fā)展[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.
　　[3] 胡保全，牛晉川.先進復合材料[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.
　　作者簡介
　　鄭泓宇（1996-），男，漢族，江西景德鎮(zhèn)人，邵陽學院本科在讀，邵陽學院，專業(yè)方向：材料成型及控制工程
　　申愛玲，指導老師，當前任職邵陽學院
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