碳纤维及其复合材料的发展和应用.docx
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碳纤维及其复合材料的发展和应用
·开发与创新·
DevelopmentandApplicationsofCarbonFiberandItsComposites
GAOBo,XUZi-Li
（WuhanTextileUniversity,WuhanHubei430073,China
Abstract:
Thispaperintroducesperformanceandfeaturesofcarbonfiber,brieflyoverviewsthehistory,includingbothforeignanddomestic.Andanalysesthepropertiesandapplicationsofcarbonfibercompositematerial,emphasizestherelatedperformancethatcarbonfiberaddstothemetalmatrixcompositesandpointsoutitsresearchprospects.Keywords:
carbonfiber;composite;metalmatrix
1引言
碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,是由有机母体纤维（聚丙烯睛、粘
胶丝或沥青等采用高温分解法在1000~3000℃高温的惰性气体下碳化制成的。
它是
一种力学性能优异的新材料,比重不到钢的1/4,能像铜那样导电,比不锈钢还耐腐蚀,
而其复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为
23000~43000Mpa,也高于钢。
碳纤维按其原料可分为三类:
聚丙烯腈基（PAN碳纤
维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维三类。
其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广,需求也最大[1]。
1碳纤维的发展史
1.1国外碳纤维的发展历史
20世纪50年代美国开始研究粘胶基碳纤维,1959
年生产出了粘胶基纤维Thormel-25,这是最早的碳纤维产品。
同一年,日本发明
了用聚丙烯腈基（PAN原丝
制造碳纤维的新方法。
紧接着英国皇家航空研究院研究了高性能
PAN
基碳纤
维的技术流程
使
PAN
基碳纤维成为碳纤维工业的主流。
20世纪
70年代中期,美国
联合碳化公司在美国空军和海军的资金支持下
研发高性能沥青基碳纤维。
碳纤维
的民用商业化也正是始于70年代。
日本东丽公司最早于1971年开始生产钓鱼杆和
高尔夫球棒。
1974年,美国最早把碳纤维用于网球。
接着羽毛球拍也都实现了
CFRP（carbon-fiberreinforced
plastic化。
20世纪80年代,碳纤维开始广泛用于客机
和航天飞机。
人造卫星也实现了CFRP化。
进入21世纪,碳纤维的需求量随之
增大,以大约13%的速度逐年递增。
碳纤维的主要性能见表1。
表2是不同领域碳
纤维的需求及预测见表2。
1.2国内碳纤维的发展
我国碳纤维起步于上世纪60年代末,在意识到碳
碳纤维及其复合材料的发展和应用
高波,徐自立
（武汉纺织大学机电学院,湖北武汉430073
收稿日期:
2010-05-31
作者简介:
高波（1986-,在读硕士研究生。
研究方向:
碳纤维增强;徐自立（1964-,硕士生导师,教授,博士。
摘要:
介绍了碳纤维的性能及其特性,概述了碳纤维的发展史,包括国外和国内。
分析了碳纤维复合材
料的特性和应用,着重说明了碳纤维增加金属基复合材料的相关性能,并指出了其研究前景。
关键词:
碳纤维;复合材料;金属基中图分类号:
F4
文献标识码:
A
doi:
10.3969/j.issn.1002-6673.2010.04.014
机电产品开发与创新
Development&InnovationofMachinery&ElectricalProducts
Vol.23,No.4July.,2010第23卷第4期2010年7月
文章编号:
1002-6673（201004-037-03
表1碳纤维的主要性能性能聚丙烯腈基碳
纤维
石油沥青级碳纤维
粘胶碳纤维
拉伸强度（Mpa>300016002100~2800
密度（g/cm31.76~1.941.72.0拉拉弹性模量
（Gpa
>207
379
441-552
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·开发与创新·
纤维对军工和民用的价值后开始重视。
自1975年11月全国第一次碳纤维复合
材料会议之后,一直将碳纤维及其复合材料纳入国家科技攻关项目。
经过四十多年
的发展,我国碳纤维从无到有,从研制到生产取得了一定的成绩,但总的来说,我国碳纤维的研制与生产水平还较低,近些年来,由于我国对碳纤维需求量的日益增加,碳纤维又成为国内新材料业研发的热点。
但是,除极个别企业外,大多数引进项目的技术和设备水平属国际中下等,生产的碳纤维产品也未达到高端水平[2]。
国内生产聚丙烯腈碳纤维的厂家主要有:
榆茨化纤厂、兰州石化公司化纤厂、兰州碳素纤维厂、衡
水碳纤维材料厂、无锡宏泰机械厂、上海合纤所等。
这些厂家的生产能力比较低,无法满足国内市场对碳纤维的需求。
2004年我国碳纤维消耗量约为4500t,2009年达到9000t,而95%依赖进口[3]。
值得庆幸的是,2009年6月14日,我国首个百吨级碳纤维生产基地——
—中国石油吉林石化公司碳纤维厂在吉林省吉林市建成并投产。
其自主研发的聚丙烯腈基碳纤维产品性能已达到国际先进水平,打破了国外技术封锁,标志着我国高性能碳纤维产业化实现了新突破。
2碳纤维增强复合材料
复合材料的组成相为增强相与基体相。
增强相一般有很高的力学性能（强度、弹性模量,其主要作用是承受载荷或显示功能。
增强相一般有三种:
纤维、晶须、颗
粒,它们是不连续相。
基体相也有三种:
金属、陶瓷、聚合物,它们是连续相。
碳纤维是高性能复合材料最常用、最重要的增强相,是目前可作MMCs增强物中价格最便
宜的一种。
一般是以500~12000根直径为5.6~14μm的细纤维组成束丝作为增强体使用。
而像硼纤维、碳化硅则是单丝做为增加体使用。
无论何种原丝纤维来制造碳纤维,都要经过五个阶段[4]:
①拉丝:
可用湿法、干法或者熔融状态三种中任意一种方法进行;②牵伸:
在室温以上,通常是在100-300℃范围内进行,W.Watt首先发现结晶定向纤维的拉伸效应,而且这效应控制着最终纤维的模量;③稳定:
通过400℃加热氧
化的方法;④碳化:
在1000~2000℃范围内进行;⑤石墨化:
在2000~3000℃范围内进
行。
经过以上五个阶段,所产生的最终纤维其基本成分都为碳,高模量碳纤维成分几乎为纯碳。
2.1碳纤维/聚合物复合材料
碳纤维/聚合物复合材料,也就是通常说的碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP,是目前最先进的复合材料之一,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。
这些材料在上世纪60、70年代开始应用,现在技术已经非常成熟了,如碳纤维
增强环氧树脂。
碳纤维增强树脂基复合材料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。
随着航空技术的不断发展,民用飞机在结构中大量地使用碳纤维增强聚合物复合材料,如副翼、发动机罩、阻力板、起落架舱门等[5]。
2.2碳纤维/陶瓷基复合材料
碳纤维/陶瓷基复合材料,与陶瓷材料相比有较好的韧性和力学性能,保持了基本原有的优异性能。
比高温合金密度低,是比较理想的高温结构材料。
用碳纤维增强陶瓷可以有效地改善韧性,改变陶瓷的脆性断裂形态,同时阻止裂纹在陶瓷基体中的扩展,目前国外比较成熟的碳纤维/陶瓷复合基复合材料是碳纤维增强碳化硅材料,因其良好的高温力学性能,在航空发动机、航天飞行器领域等具有广泛的应用。
2.3碳纤维/碳复合材料
碳纤维/碳复合材料汽化温度,抗热振,摩擦性能好,已用于制作刹车片、汽车和
赛车制动系统、高温模具、高温真空炉内衬材料。
碳纤维/碳复合材料作为烧蚀材
料早在20世纪70年代就被用于洲际导弹头的端头帽。
碳纤维/碳复合材料也是用
做高温输送装置、核反应堆零件、电触头、热密封垫和轴承的优良材料。
由于碳/碳复合材料与人体组织生理上相容,弹性模量和密度可以设计得与人骨相近,并且强度高,因此,可以做人工骨头,如接断骨、作膝关节和髋关节等[6]。
2.4碳纤维/金属基复合材料
碳纤维增强金属基复合材料是以碳为增强体,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;与陶瓷材料相比具有高的韧性和耐冲击性能。
金属一般采用铝、镁、镍、钛及其合金。
其中碳纤维增强铝基复合材料技术比较成熟,是应用最广的一种复合材料[7]。
下面以它为例来说明碳纤维/金属基复合材料的特性。
碳纤维铝基复合材料是一种较理想的轻质高强复合材料。
具有很高的高温强度
和弹性模量、良好的耐磨性、导电导热性和高温稳定性。
其密度小于铝合金,弹性模量却比铝合金高2~4倍,在制造铝基复合材料通常并不是用纯铝而是用各种铝合金,这主要是因为,与纯铝相比,铝合金具有更好的综合性能[8]。
碳纤维/铝基复
表2不同领域碳纤维的需求及预测年份宇航体育用品工业合计
200262006600115002430020057100780019400343002008810092003020047500
20119800113004740068500
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·开发与创新·
4结论
（1提出了一个二维转锥反应器瞬态传热过程的有限元模型,分析了转锥内部的
瞬态传热过程,为转锥反应器的虚拟制造和优化设计提供了新的方法和途径。
同时,
也为进一步的分析转锥的热应力奠定了一定的基础。
（2转锥的温度随时间变化而逐渐升高,温度分布情况大致为:
在底端温度最高,从底端向顶端温度逐渐降底。
在底端开口处温度很高,很可能会发生应力集中,因此在生产加工时一定要保证开口处的质量。
（3通过实验验证,ANSYS分析结果与实验所测结果基本一致,具有一定的可靠
性。
参考文献:
[1]吴创之.生物质能现代化利用技术[M].北京:
化学工业出版社,2003[2]秦
宇.ANSYS11.0基础与实例教程[M].北京:
化学工业出版社,2009.[3]李滨.转锥式生物
质闪速热解装置设计理论及仿真研究[D].哈尔滨:
东北林业大学,2004.
[4]李滨.基于模糊优化理论的生物质裂解装置转锥有限元安全分析[J].中国安全科学学报,2007,4.
[5]ANSYS有限元网格划分的基本原则
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