第四节　碳纤维复合材料及其应用

一、碳纤维增强复合材料的种类

碳纤维具有一系列优异的特性，使用过程中往往将它与基体材料复合使用，充分发挥其优异的性能。根据使用目的不同可选用不同的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、金属及无机陶瓷，目前使用最广泛的是树脂基复合材料。[59]

1.碳纤维增强陶瓷基复合材料

陶瓷材料具有优异的耐蚀性、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，但它为脆性材料且对裂纹、气孔和夹杂物等细微的缺陷很敏感。碳纤维具有良好的耐高温和力学性能，与陶瓷材料复合后可增强材料的强度和韧性，同时保持了陶瓷的优异性能。陶瓷材料有多种，但是碳纤维增强碳化硅材料是目前国内外比较成熟，在高温条件下力学性能优异，不需要额外的隔热措施，在航空发动机、航天飞行器等领域具有广泛应用[60]。

2.碳/碳复合材料

碳/碳复合材料是由碳纤维、织物或编织物等增强碳基复合材料构成，具有密度低、热膨胀系数小、高温环境下力学性能优异、抗热震和耐高温烧蚀等优异特点，特别是在高温环境中，不熔不燃，并能保持高强度，在导弹弹头、固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等高技术领域得到广泛应用。

3.碳纤维增强金属基复合材料

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。与金属材料相比，此类复合材料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[59]。

4.碳纤维增强树脂基复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料具有轻质、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。根据基体树脂的不同可以分为热固性树脂和热塑性树脂。热固性树脂在固化剂或热作用下进行交联、缩聚，形成不熔不溶的交联体型结构，常采用的热固性树脂有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。热塑性树脂在一定条件下溶解熔融，只发生物理变化，常用的有聚乙烯、聚酰胺、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。

碳纤维和增强树脂复合后，碳纤维为增强基体，承载外界传递的载荷，而树脂基体则使复合材料整体成型。碳纤维在复合材料中以两种形态展现：连续纤维和短纤维，相比较之下，连续纤维增强的复合材料通常具有更好的力学性能，通常采用拉挤成型制备；短纤维复合材料可采用模压成型、注射成型以及挤出成型等方式制备。

二、碳纤维复合材料应用领域

1.航空航天领域[61，62]

碳纤维复合材料性能优异，在2000℃的高温惰性环境中性能不下降，并且可编可织，具有很高的设计自由度，在航空领域特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升机上的使用量占70%～80%，在军用飞机上占30%～40%，在大型客机上占15%～50%。

碳纤维在航空航天领域的应用主要有以下几种形式：碳纤维与树脂复合；碳纤维与金属复合；碳纤维与陶瓷复合等。碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）已经成为生产武器装备的重要材料，AV—8B改型“鹞”式飞机是美国军用飞机中使用复合材料最多的机种，其机翼、前机身都用了石墨/环氧大型部件，全机所用碳纤维的质量约占飞机结构总质量的26%，使整机减重9%，有效载荷比AV—8A飞机增加了一倍。碳碳复合材料则广泛应用于航天飞机的鼻锥和机翼的前缘材料，另外大型超高音速飞机的刹车片也在应用，包括民用和军用的干线飞机。

在法国电信一号通信卫星本体结构中，带有4条环形加强筋的中心承力筒是由CFRP制成的，卫星的蒙皮是由T300 CFRP制成的[63，64]；日本JERS—1地球资源卫星壳体内部的推力筒、仪器支架、8根支撑杆和分隔环都使用了碳纤维复合材料。

我国从1996年11月20日的“神舟一号”升空开始到“神舟十号”上天，在飞船、卫星、返回舱中大量使用了碳纤维复合材料，为我国的航天事业立下了汗马功劳。

随着科学的进步，碳纤维复合材料将会越来越多地应用于在航空航天领域中，为世界航空航天技术的发展做出更大的贡献。

2.军工领域[65]

碳纤维以其优异的性能广泛应用于军工和民用领域，是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料，已成为国家大力发展的战略性新兴产业，现已被广泛应用于火箭、导弹、军用飞机、个体防护等军工领域。

（1）洲际导弹。在高温惰性环境下，碳纤维是唯一一种在2000℃以上环境中强度不下降的材料，而军用碳纤维可耐3000℃以上高温。

洲际弹道导弹是战略性武器中的撒手锏，在碳纤维复合材料广泛用来制造洲际弹道导弹的鼻锥、发动机喷管和壳体。不仅提高了洲际导弹的热力学性能，而且减轻了导弹的质量，有效提高了射程。

火箭发动机是发射各种导弹的主要动力，而碳纤维复合材料在火箭发动机壳体上的应用十分广泛。美国的多款机动洲际弹道导弹鼻锥和发动机喷管喉衬都使用了3D C/C复合材料，其中卫兵型、SPI型反弹道导弹、民兵Ⅲ鼻锥均采用了碳纤维复合材料。MX弹道导弹第三级发动机喷管及三叉戟Ⅱ型导弹的固体发动机壳体采用了CFRP。2010年，法国成功试射M51导弹，导弹的一级发动机外壳全部为碳纤维复合材料，采用编织工艺制备而成。

2003年9月，我国首个采用碳纤维复合材料固体小运载发动机的“开拓者一号”飞行成功，其发动机的第四级（直径640mm）采用了碳纤维复合材料，实现了由GFRP壳体向CFRP壳体的历史性跨越。随后，碳纤维复合材料在军工领域遍地开花，成功应用于陆基机动洲际弹道导弹“东风—31”和“东风—31A”的弹头上，潜射洲际弹道导弹“巨浪-Ⅱ”型发动机喷管也采用了C/C复合材料。碳纤维复合材料在军工领域的广泛应用，必将使得战略导弹和运载火箭的整体性能大大提高。

（2）碳纤维炸弹（石墨炸弹）。碳纤维炸弹（图2-32）俗称石墨炸弹或软炸弹，主要攻击对象是城市的电力输配系统，至其瘫痪，又被称为断电炸弹。其原料为特殊处理后的碳丝制成，爆炸后碳丝可在高空中长时间漂浮，落到发电厂和配电站高压电网上，碳丝可进入电子设备内部、冷却管道和控制系统的黑匣子，造成电力短路，从而破坏其电厂生产、各种输变电功能[66]，达到破坏以电为能源的军事指挥及各种武器装备的目的。在美伊战争中，美军向巴格达电厂、电站发射了多枚碳纤维炸弹，包括军事机关和通信部门，造成巴格达全市停电，直接影响了其作战能力[67]。

（3）军用舟桥。传统军用桥梁一般都为钢铁或铝合金材质，这类材料制成的桥梁都比较笨重，与现代部队快速机动的要求已不相适应。应用碳纤维、玻璃纤维和芳纶等新型复合材料，不但提高了桥梁的强度和韧性，而且大大减轻了桥梁的质量，满足了飞机运输的要求。

（4）军用防护用品。目前，碳纤维军工防护用品主要有碳纤维复合材料防弹头盔、防弹插板、防弹盔甲等，具有质量轻，导热、散热性好等特点，能有效阻挡子弹的侵蚀，实现对身体的有效防护。美国的新一代士兵头盔（又称强化格斗头盔ECH）引进了碳纤维材料，这种头盔内软外硬，轻便，质量减轻了20%。除此之外，碳纤维还用于制造防弹板等用途。

3.新能源领域[68]

风能是一种可以长期使用的可再生资源，随着绿色发展进程的加快，风力发电设备的应用日益广阔。叶片是风力发电装备的关键部件，目前多采用玻璃纤维增强材料制备，但是当叶片尺寸大到一定程度，用常规的玻璃纤维增强材料制备叶片已难以满足叶片尺寸加大对刚性与质量的综合要求，大尺寸（超过40m）风力叶片采用碳纤维材料已经成为一种趋势，同时，碳纤维复合材料优异的抗疲劳特性和良好的导电特性，可有效减弱恶劣环境对叶片材料的损害。当前，全球风机装机容量处于迅速增长时期，碳纤维复合材料风机叶片的应用已成为一种趋势。

4.高速车辆制动系统

一般传统材料的极限制动速度是300km/h，而碳纤维复合材料制动装置具有强度高、弹性模量适中、耐热性好、质量轻、膨胀系数小、耐磨损等优点，可以应用在速度更高的列车上[69]。德国铁路部门联合Knoor Bremse公司研制了高速列车用碳纤维复合材料盘型制动器；日本、法国开发研制的碳纤维复合材料刹车片已成功地应用于新干线和TGV高速列车制动[70]。随着我国路况的日益好转，特别是高铁时代的到来，大力发展碳纤维复合材料刹车片具有重要的现实意义和推广应用价值[71]。

5.体育用品

与传统材料体育用品相比，碳纤维复合材料具有质轻、高强、力学性能好、可设计性强等优点，在体育用品方面得到了广泛的应用，其用量占全世界碳纤维总消耗量的40%左右。

高尔夫球杆采用碳纤维复合材料可减轻质量10%～40%，使用过程中可使球获得较大的初速度。另外，碳纤维复合材料具有高阻尼特性，可延长击球时间，球被击得更远[72]。碳纤维增强复合材料制成的钓鱼竿质量更轻，收竿时消耗能量更少，而且收竿距增加20%左右，渔具的卷轴也可以采用碳纤维复合材料制备，其强度高，耐腐蚀，能延长使用寿命。碳纤维复合材料制成的网球拍和羽毛球拍，质轻高强，能降低球与球拍接触时的偏离度，使球获得较大的加速度。碳纤维复合材料滑雪板具有刚性大、耐摩擦等优点，在转弯、斜坡和越野赛中脚底用力较小。碳纤维复合材料自行车强度高，质量轻，车架质量低于1kg，而全车质量甚至不足6kg，堪称自行车王国的“至尊王者”。此外，在动力雪橇用的弹簧板、弓、箭、跳竿、冰球棒、游艇、赛艇、赛艇桨、帆船桅杆、摩托车零件、登山用品以及滑翔机、人力飞机等领域应用广泛。

6.电力领域

随着国民经济及城市化的发展，电力需求日益增加，输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求，由于过负荷造成的停电、断电故障频频发生，电力传输成为电力工业发展的瓶颈，碳纤维复合芯导线的出现为电力行业的变革与发展提供了契机。

碳纤维复合芯导线的基本特性如下[73，74]。

（1）强度高。一般钢丝的抗拉强度为1240MPa，碳纤维复合材料导线芯棒的抗拉强度可达到2600MPa，为钢丝的2倍以上，更适合大跨越输电。

（2）质量轻。碳纤维复合芯材料的密度约为钢的1/5，在相同的外径下，碳纤维复合芯导线的质量比常规钢芯铝绞线ACSR轻10%～20%。

碳纤维复合芯导线弹性模量高，线膨胀系数小，弛度小。它与ACSR导线相比，具有显著的低弛度特性。有研究表明，在高温下碳纤维复合芯导线的弧垂不到钢芯铝绞线的1/10，能有效减小架空导线的绝缘空间，提高导线运行的安全性和可靠性。

（3）线损小，倍容输电。碳纤维复合芯导线与钢芯铝绞线不同，不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，在相同输电条件下，具有更低的运行温度和更小的输电损失。碳纤维导线可以在连续高温（150℃）条件下运行，其载流量可达到常规导线的两倍左右，达到倍容输电的目的。

（4）耐腐蚀，使用寿命长。与传统的钢芯相比，在酸、碱、盐、紫外线等环境下，碳纤维复合材料具有更高的耐腐蚀性，较好地解决了铝导线长期运行的老化问题，延长了使用寿命。

（5）降低线路改造成本。与传统钢芯铝绞线相比，在旧线路增容改造中，由于碳纤维复合芯导线质量轻，强度高，在满足输电容量的前提下只需要更换导线，无须改变铁塔，大大缩短了施工工期，节省了线路综合造价。

山东大学开发的高性能倍容导线（图2-33），属于国家“十一五”“863”课题，与传统导线相比，具有更高的传输容量，降低了电力损耗，增大了跨距，减少杆塔约20%，节省用地，减少了有色金属资源消耗，有助于构造安全、环保、高效节约型智能电网，其中多项技术指标超过了国外同类产品。

碳纤维复合芯导线技术的应用对降低输电损耗、改善输电环境有着非常重要的意义，具有广泛的应用前景。

7.原油开采

有杆泵抽油技术是当前国内外应用最广泛的机械采油技术，而抽油杆是其关键部件之一。抽油杆在工作过程中，不但要承受交变载荷、震动载荷、冲击载荷等复杂外力的作用，还受到工作环境中腐蚀环境的破坏，如沙子、粉尘、酸、碱、盐及厌氧菌微生物等，在偏心条件下还要受到抽油杆与套管之间的摩擦，侧面损坏特别严重。目前国内主要有钢制拉杆和玻璃纤维增强的玻璃钢拉杆，这两种抽油杆均呈刚性，由于其本身的结构特点，存在一些难以克服的缺点：接头多，易破损；作业周期长，质量高，能耗大；寿命低等。抽油杆已成为有杆泵抽油系统中最薄弱的环节，也成为制约这种采油方式进一步发展和应用的“瓶颈”。据统计，我国由于抽油杆失效引起事故的修井次数占总数的60%～70%。我国目前有30余万口油井，由于地况复杂，多数油井处于高渗、低渗水平，需要超深开采，目前普通抽油杆已经远远不能满足油田开采的投资和能耗需求，因而，开发综合性能优异的抽油杆是充分挖掘我国油田资源的当务之急。

与传统钢制抽油杆相比，碳纤维复合材料抽油杆具有质轻、高强、耐磨性和耐腐蚀性好等特性。其抗疲劳性能好，107次疲劳实验后，剩余强度90%，同样条件下，钢杆的剩余强度仅为30%～40%，从而大大延长了抽油杆的使用寿命。减轻质量，每千米碳纤维抽油杆质量仅200～240kg，而钢制抽油杆每千米的质量为3.8t，节能节电效果显著，并使超深井采油成为可能，避免了油田采油设备的二次投入。抽油杆为连续长度，只有上下两个接头，避免了采油过程中的活塞效应，降低了接头断脱率，抽油杆的连续特性，有利于实现机械化作业，节省了作业时间，降低了劳动强度。碳纤维抽油杆截面面积小，仅为钢制抽油杆的20%，使得抽油杆使用过程中的运行阻力大大减小。碳纤维抽油杆柔韧性好，最小曲率半径为350mm，可盘绕生产和运输。碳纤维的减磨特性和可弯曲性，极大地减小了摩擦力，保护了油管。与钢杆混合使用，可调节弹性频率，实现超行程抽油，提高产油量。废杆可回收再利用，运输使用安全方便。实测结果表明，单纯将钢制抽油杆更换为碳纤维抽油杆，可节电30%以上，提高产油量20%以上，经济效益显著。

山东大学发明的碳纤维抽油杆（图2-34），是国家“十五”“十一五”和“十二五”重点专项计划，产品性能优异，高效节能，已成功应用于胜利油田。千米碳纤维抽油杆质量仅为钢制抽油杆的5%，可节电30%、提高产油量30%，使用寿命延长一倍。该产品已被中国石油总公司立项为“重大工业性实验推广项目”。

8.汽车轻量化[75，76]

轻量化技术是汽车降低能耗，减少排放的有效途径之一，采用碳纤维复合材料是实现轻量化的关键，其最大的优点是质量轻、强度大，能有效降低油耗。为实现汽车轻量化，碳纤维在汽车驱动轴、车身、车门、底盘、横梁、油箱、悬臂梁、板簧、减速器、变速器支架、座位架、CNG瓶、保险杆、座椅、行李箱板、导流罩、侧护板和方向盘等部件中已经得到广泛应用。

2010年兰博基尼推出Sesto Elemento概念车型，车身80%由碳纤维制造而成，质量仅为999kg，车速从静止提速到100km/h仅需2.5s即可完成。宝马公司2013年年底推出的纯电动i3概念轿车与混合动力i8概念运动轿跑为全新概念的碳纤维电动都市豪华轿车。

9.建筑工程

碳纤维因其强度高、模量大、密度小、耐碱腐蚀、对人畜无害等特点，在土木建筑应用中日益受到人们的青睐[77]。例如，采用短纤维或长纤维增强混凝土，可用作高层建筑的外墙墙板，作用是减轻建筑构件，安装施工方便，缩短建筑工期。碳纤维复合材料具有耐腐蚀、强度高等特性，可广泛在海堤、造纸厂、化工厂、高速公路护栏、房屋地基和桥梁、隧道、飞机跑道等场合使用。此外，纤维具有良好的阻燃性能，根据设计要求，将碳纤维复合材料粘贴在结构物需要加固的部位，是建筑补强的新材料。