新型复合材料应用

论碳纤维复合材料的应用及其发展趋势

摘要：介绍了碳纤维复合材料的发展历程和其相比于一些传统材料的优点，指出碳纤维复合材料的主要应用市场及其面临的新形势，指出碳纤维复合材料发展所面临的问题和机遇。

关键词：碳纤维 复合材料 优点 应用 发展趋势

一、 碳纤维复合材料简介

碳纤维复合材料（CFRP）是以碳纤维(织物)或碳化硅等陶瓷纤维(织物)为增强体，以碳为基体的复合材料的总称。碳纤维是由有机纤维如粘胶纤维、聚丙烯晴纤维或沥青基纤维在保护气氛下热处理碳化成为含碳量90%~100%的纤维[1]。

碳基复合材料有两种制备方法：一是浸渍法，即用增强体浸渍熔融的石油或煤沥青，再经碳化和石墨处理，它的基体是石墨碳，呈层状条带结构，性能是各向异性的。还有用增强体浸渍糠醇或酚醛等热固性树脂，只经碳化处理，它的基体是玻璃碳，即无定型碳结构，性能是各向同性的；另一是CVD法，即把烃类化合物的热解碳沉积在增强体上来进行复合，这种方法的碳基体是类似玻璃碳的热解碳。碳/碳复合材料不耐氧化，所以有时需要加抗氧化涂层。

碳纤维复合材料主要包括以下几类：碳纤维增强树脂基复合材料、C/C复合材料、碳纤维增强金属基复合材料（CFRM）、碳纤维增强陶瓷复合材料、碳纤维增强橡胶复合材料等。碳纤维复合材料（CFRP）作为一种先进的复合材料，具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点，在航空航天、汽车等领域已有广泛的应用。

二、 碳纤维复合材料的性能及优点

2.1、力学性能

碳纤维复合材料拉伸强度高，模量大，密度小，具有较高的比强度和很高的比模量。与传统金属材料相比，碳纤维复合材料质量轻，强度高，韧度高，具有明显的优势。与同为新型材料的玻璃纤维复合材料相比，碳纤维的拉伸强度约为其3-7倍。碳纤维的弹性模量高于硅基纤维，所以碳纤维复合材料在相同外载荷下，应变较小，其制件的刚度比玻璃纤维复

合材料制件高。高模量碳纤维的断裂伸长率约为0.5%，高强度碳纤维的约为1%，玻璃纤维约为2.6%，而环氧树脂的约为1.7%，所以碳纤维复合材料中纤维的强度能得到充分的发挥。

由于碳纤维的脆性很大，冲击性能差，所以碳纤维复合材料的拉伸破坏方式属于脆性破坏，即在拉断前没有明显的塑性变形，应力应变曲线为直线，这一点与玻璃纤维相似，只是模量高于、断裂伸长率低于玻璃纤维。

2.2、热性能

碳纤维复合材料的耐高低温性能好。在隔绝空气（惰性气体保护下），2000°C仍有强度，液氮下也不脆断。

碳纤维复合材料的导热性能好。导热系数较高，但随温度升高有减小的趋势。碳纤维复合材料沿纤维轴向的导热系数为0.04cal/（s*cm* °C）；垂直纤维方向的导热系数为0.002 cal/（s*cm* °C）。

碳纤维复合材料的线膨胀系数沿纤维轴向具有负的温度效应，即随温度的升高，碳纤维复合材料有收缩的趋势，尺寸稳定好，耐疲劳性好。

2.3、 耐腐蚀性

碳纤维复合材料除了能被强氧化剂如浓硝酸、次氯酸及重铬酸盐氧化外，一般的酸碱对它的作用很小，比硅基纤维复合材料具有更好的耐腐蚀性。

碳纤维复合材料不像玻璃纤维复合材料那样在湿空气中会发生水解反应，具有好的耐水性及耐湿热老化特性。此外还具有耐油、抗辐射以及减速中字运动等特性。

2.4、优点

综上所述，碳纤维复合材料具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸震性好等一系列优点，这些性能都是传统金属材料所不具备的特征，相比于其他类型的新型复合材料也具有较强的性能。这使得碳纤维复合材料可以在很多领域获得广泛的应用，同时促进碳纤维复合材料的进一步研究，以继续提高其使用性能。

三、 碳纤维复合材料的应用

碳纤维复合材料凭借其优良的性能，已经在各个领域得到广泛的应用，主要有航空航天、汽车、结构加固工程、新能源开发、休闲用品等。

3.1、航空航天

碳纤维复合材料最初主要应用于航天业，因为发射航天器的成本与重量成正比关系，所以如何在保证航天器性能的同时减轻其重量成为最重要的问题。碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、使用温度范围高这些优点而在航天产业得到深入的应用，从航天器的外壳、内设、结构以及航空发动机几乎都是采用碳纤维复合材料制作而成[2]。近年来，随着碳纤维复合材料制造成本的下降，军用航空飞机和民用航空飞机方面也开始大规模使用该材料以大幅度减轻机体机构质量、改善气动弹性，提高飞机的综合性能。根据美国复合材料制造商协会统计，2001年世界上飞机生产对碳纤维的需求量约为900-1000t。

统计显示[3]，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70％~80％，在军用飞机上占30％~40％，在大型客机上占15％~50％。以美国波音公司的B777为例，碳纤维复合材料在该型号飞机上的使用比例达到9%，这些先进复合材料主要应用在飞机尾翼、襟翼、副翼、天线罩、整流罩、短舱和地板梁等构件，具体包括：垂直安定面翼盒、平尾翼盒、方向舵、升降舵、前后缘壁板、地板梁、外侧副翼、外侧襟翼、襟翼、襟副翼、整流包皮、内外侧扰流板、后缘壁板、发动机短舱、发动机支架整流罩、前起落架舱门、固定前缘、雷达天线罩等。从表1可以看出航空业大飞机对于碳纤维复合材料的需求在逐年增加：

表1、世界主要客机中碳纤维复合材料用量百分比

3.2、汽车

为了应对燃油费的不断上涨和温室效益，靠运输工具的轻量化显然是有效的，但CFRP制的超轻量结构材料，从目前的价格、信赖性、生产效率（包括制造速率和二次加工性）、再生性等观点看，基本上不可能用于通用的运输工具，然而从全球今后的人口增长和经济发展来看，节能减排问题又是当务之急。东京大学的高桥淳教授最近从有效利用CFRP的观点发表了关于“汽车的轻量化和树脂材料的展望”的论文，从各类运输工具特别是汽车的寿命周期评估及宏观分析的角度，较全面分析了汽车的轻量化和CFRP今后的技术开发方向。 图1示出日本运输部门提供的各种运输工具的能耗情况，可见家用乘用车和卡车的能耗最大

图1、不同交通工具的能耗推移

图2示出采用不同量CFRP的家用乘用车的轻量化情况；

图2、不同量CFRP的家用乘用车的轻量化情况

图3示出再生使用前后制造每1kg汽车部件时不同材料的能耗情况；

图3、再生使用前后制造每1kg汽车部件时不同材料的能耗情况

图4示出采用不同CFRP而达到比钢制品减重30%时，乘用车寿命周期内的能耗情况。

图4、涉及乘用车寿命周期耗能的CFRP再生效果

（轻量30%时内燃机乘用车的场合）

目前，世界每年生产乘用车5千万辆，若包括卡车和公共汽车为7千万辆，随着中、印等国汽车工业的快速发展，不久世界汽车的年产量确可能超过1亿辆。另外，目前世界PAN-CF的年产量只有数万吨，由于CFRP成本高、难加工、成型速度慢及还受再生问题的限制，只能用于航空航天、体育用品和工业产业领域，要想用于汽车上，最重要的是尽快开发适用于热塑性树脂（如聚丙烯等）的具有表面活性的CF以及其CFRTP超高速成型技术和二次加工技术，其次当CF需求量超过百万吨时，就要求开发以生物质为原料的CF，尽管目前还有一定难度。再次，当达到这么大规模时，需要开发CFRP的再生和CF高度再利用技术，还要解决这些材料和有关成型加工的评价和标准化问题。

目前德国宝马公司率先在开发和试验高强度轻量化的CFRP车体板和其它部件，所用CF与Zoltek公司生产的大丝束产品。美国自90年代后期因对环保问题越来越重视CF在未来车辆中的应用。1994年美国政府和工业部门开始出台联合开发先进车辆技术的计划

（PNGV）。目标是改进车辆的效能，降低污染物的排放并满足用户的各种需求。专家预测，未来环保型汽车每年所消耗的CF量将以万吨计。2010年中国汽车产量将突破年产1千万辆大关。新型节能型环保型汽车是未来汽车发展方向。为了和国际接轨，中国将来也必定要大量制造这类汽车，届时汽车工业将成为中国CFRP的巨大市场。

3.3、压力容器

如所周知，压缩天然气瓶已在汽车上大量使用，而最近伊纤维公司开发了燃料电池汽车所需的CFRP高压氢气瓶，内胆采用铬钼不锈钢，实现了高强度和低成本，并取得了高压气保安协会的认定。该公司现每年生产85万个高压气体容器，是世界最大生产厂家，同时已累积生产15万个汽车用的压缩天然气瓶。这次所开发的压缩氢气瓶因选用CrMo钢内胆，耐氢气发脆特性提高了，可耐超过11250次高压充填氢气，与采用铝合金胆相比，抗拉伸强度为其3倍，由于容器壁薄了，其质量与铝制品同级，而成本低50%以上。另外，东邦Tenax的CF已用于吸氧器制品上。由此可见，在发达国家的制造业中，高压力容器已经普遍开始进行CFRP的研究和应用，作为燃气消费大国，我们必然也将面临相同的需求。

表2 2007-2012年一般工业领域对CF的具体需求

3.4、新能源开发

3.4.1、CFRP在风力发电叶片上的应用

随着风力发电设备的大型化，要求减轻设备负荷，为此要求采用适应于大型叶片轻量化和高刚性化的CF，为此除已大量采用的大丝束PAN-CF外，日铁复合材料公司已正式生产销售高性能沥青CF制的风电大型圆柱翼根，代替以往的螺旋桨，通过在螺旋圆柱翼上所安装的螺旋状叶片，可使风车高效捕风并旋转，即使弱风也能发挥较高的发电稳定性，而且噪音等级极低。

德国拜耳材料科学公司现正着手建设世界最大的多层碳纳米管（MWCNT）的生产装置，规模为200t/a，商品名为“BAYTUBES”，其纯度超过95%，而且可以稳定再现。用它增强的塑料或金属铝，力学强度高，与以往的材料相比，密度是钢铁的1/3而强度相当，质量却只有钢的50%，因此可改善能效和CO2排放量的平衡，在某些领域取代钢、钛等特种金属及CFRP。

在风力发电领域，若在大型CF与玻璃纤维增强的环氧树脂叶片中加入上述MWCNT，则与未加入CNT的材料相比，达到同样的强度时，质量减轻30%，抗冲击强度提高10%～30%，耐疲劳性也提高50%～200%，耐久性好，可延长叶片的寿命。为此，该公司正与加拿大阿尔基安公司、德国PEAK及ZOZ公司协作来开拓各方面的市场，包括CNT增强铝的高性能材料、体育用品等，预期10年内的销售额目标为20亿美元。

据报道，2005～2008年全球CF风电叶片的平均增长率为11808.6 MW/a，相当于每年增设5904座2MW风机。若2kW风电机组每片叶片以12t计，需玻纤6t，CF占10%，则每片叶片的CF用量为0.6t，每座风机需1.8t CF，则年均需求量估计为10627t。目前风电用大丝束CF的提供者为美国ZOLTEK公司，由于瑞典复合材料研究所及Oxcon AB公司开发了能将12k～48k CF展开成超薄（48～80 g/m2）的扁带，再经纬纱方式编织成织物，它极适用于单向交叉铺层，经测试其CFRP性能与采用1k～6k CF相同。为此，这种技术的开发无疑有助于大丝束CF的扩大应用。正是由于其市场的不断扩大，ZOLTEK的产能计划由2008年的13000t/a扩大至2010年的15500t/a。德国SGL集团的大丝束PAN-CF也将从2008年的7400t/a，扩大到2010年的14000t/a。

由于我国风电的需求量很大，许多国际知名企业如Vestas、Repower、Gamesa、EHN、Suzulon、Nordex、GE及LM等，都相继登陆中国，这将大大提升我国风电的技术水平，但同时又将加剧企业间的竞争。但是为了掌握我们国家的新能源产业的支柱，促使我们必须要广泛深入的开展CFRP在风里发电中的研究和应用。

3.4.2、CFRP在抽油杆上的应用[4]

随着地球上油田进行三期开采期，打的油井越来越深，为了提高开采效率，世界上许多国家都在探索采用CFRP抽油杆。在油田深井使用CFRP抽油杆具有明显优势：首先，该抽油杆只是同类钢杆重量的1/8～1/10，甚至更轻；其次，采用CFRP抽油杆时地面装备显著减少，如可降低抽油机机型，节约地面设备投资；节能效果显著，因此采用CFRP抽油杆是抽油杆的一次革命。中国各油田正在使用的金属抽油杆超过1亿米，其中每年更新或新增2600万米。据北京化工大学预测，至2008年可能有8％～10％更新或新增的油杆用CFRP杆取代，则为200.260万米，CF用量为1.6吨／万米，共需CF320.420吨。至2010年如果按15％的取代量计算，则CF消耗量达624吨。目前国内已有三家生产CFRP抽油杆的企业，共有12条生产线。有的企业正在研制CFRP抽油杆，并积极准备建设。

3.5休闲用品

由于碳纤维复合材料的超轻质量和超高强度，其在休闲用品领域也有广泛应用，比如体育运动器材钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍、羽毛球拍、自行车等；电子消费产品笔记本外壳、手机外壳、音箱等。当然，随着碳纤维复合材料的进一步发展，必然会有更多的产品采用性能优良的碳纤维复合材料，给人们的生活带来更多的便利。

四、 碳纤维复合材料所面临的一些问题及其可实施解决方法

4.1碳纤维复合材料需要解决的一些问题

碳纤维复合材料的性能主要取决于碳纤维的种类、取向、含量和制备工艺等。碳纤维复合材料的高强、高模量的特性主要来自碳纤维，碳纤维强度的利用率一般可达25~50%。碳纤维复合材料在温度高达1627摄氏度时仍能保持其室温的强度，甚至还有所提高，这是目前工程材料中唯一能保持这一特性的材料。碳纤维在碳纤维复合材料中取向明显影响材料的强度，一般情况下单向增强复合材料强度在沿纤维方向强度最大，但横向性能差，正交增强可可减少纵横强度的差异。密度低的碳纤维和碳基组成碳纤维复合材料和金属基、陶瓷基戏那个比，其强度在1000摄氏度以上温度时优于其他材料。

碳纤维复合材料中碳纤维与碳基体的界面匹配影响其力学性能。碳纤维基体复合材料断裂应变及断裂应力通常要低于碳纤维，甚至在制备过程中热应力也会是碳基发生显微开裂。

使用CVD技术提高纤维增强陶瓷基复合材料的密度是很困难的，因为它很难使反应气体完全渗入到基体里面。这是由于“瓶颈”效应所致，即CVD过程阻塞了基体表面的小气孔，进而封闭了通向大气孔的入口。

碳纤维复合材料在使用中两大缺点是成本高、抗氧化能力差。

4.2碳纤维复合材料发展问题的部分解决方法

1）、采用新型的加工工艺[5]

近年来在碳纤维复合材料的过程中，已打破了传统的树脂法和CVD法的之间的界限，而是两种方法并用，这样有利于强化致密过程和使用返修技术。使用新型PCVD沉积技术

[6]，可以制造出对纤维无损伤且不产生气孔的碳纤维复合材料。

2）、提高材料的耐热性和抗氧化能力[7]

碳在正常大气压下于450℃就开始氧化, 650 ℃ 以后显著氧化，用于飞机刹车盘时抗氧化技术是实用的关键之一，当飞机在中止起飞制动时, 刹车盘表面温度高达2000℃。复合材料的抗氧化技术一般分为机械方法和化学方法。机械方法是用不锈钢罩把刹车盘非摩擦表面包起来, 以防氧化。化学方法又分为抗氧化涂层和抗氧化处理。抗氧化涂层一般使用等离子喷涂、CVD 、固体渗金属、电镀、化学镀、涂镀等技术。采用自愈型有机抗氧化涂料也是常用的方法之一。抗氧化处理就是提高材料本身的抗氧化能力。一种方法是用磷酸或硼酸及其金属盐进行浸溃处理，另一种方法是用硼和硼化钨颗粒涂复在碳布上, 在碳化和石墨化时, 碳与含硼添加剂生产“ 原地” 产物, 提高了材料的抗氧化能力和抗压抗弯强度。

3）、综合处理与再生

发展碳纤维复合材料的回收再生技术。重点发展物理回收——粉碎回收、化学回收——热裂解和能量回收，加强技术路线、综合处理技术研究，示范生产线建设，再生利用研究，大力拓展碳纤维复合材料的回收再利用，以期降低生产成本。

五、 碳纤维复合材料的发展趋势 [8]

根据JEC“复合材料工业的结构与动态”一文的预测，2005年全球复合材料的市场为530亿欧元，到2015年预期将增长至880亿欧元，而不同国家和地区的市场情况示于图5，其中中国的市场增长最快，其次是亚太地区，欧美的增长点主要在航空、风能、船艇及建筑业方面，目前越来越多的国外复合材料厂家登陆我国，一批国外汽车厂商在中国设立了研发中心，以达到本土化、降低生产成本和占领一席市场的目的。另据CFRP知名专家Tony Roberts在其著作“2006～2010年全球战略市场评估”中预测，全球CFRP的产值将从2006年的99亿美元增至2010年的136亿美元，到2025年可望超过250 亿美元，其中波音和空客到2010年的小丝束PAN-CF的用量，将占全球的15%～20 %，其次的大型用户是风能叶片，因此这两大应用领域仍是未来CF的主导市场。表1示出全球2007～2012年一般工业领域对CF的需求情况。我国目前正大规模发展风能，但迄今为止仍采用玻璃纤维复合材料（GFRP），今后随着叶片的大型化，势必要发展混杂的复合材料制品，即叶片的加强筋及其圆柱形翼根采用CFRP，而其它部位采用GFRP，只有特大型叶片会考虑采用全CFRP。此外，我国现正研制大型飞机，这对国内CF市场将是巨大的推动力。另外，电缆的CFRP加强芯材也将是我国的大市场，因为高压输电电缆将不断延伸至边远地区。总之，到2020年

我国势必将成为CF及其CFRP制品的生产大国。

图5、2005~2015年全球按不同区域碳纤维复合材料市场的增长预测

六、 总结

碳纤维复合材料具有其独特的优越性，已经在全球工业范围内已经得到广泛应用，而且市场将会进一步扩大。中国作为一个潜在的碳纤维复合材料需求大国，必须要重视碳纤维复合材料生产技术的研究与开发，进一步提高目前的工业生产水平，同时积极开发新的应用领域，为我国的国防工业和高科技产业的发展提供强有力的支撑。

参考文献：

[1] 贺福.碳纤维及其应用技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2] 赵稼祥，碳纤维复合材料在民用航空上的应用,高科技纤维与应用[J]，2003（6）：1-4.

[3] 贺福 张微，碳纤维复合材料在大飞机上的应用，高科技纤维与应用[J].2007(12):5-8.

[4] 吴则中 张海宴，碳纤维复合材料连续推油杆的特点及应用前景，石油机械

[J].2002,30(2):53-56.

[5] SCOTTKRAJCA. Carbon fibers enabling next generation commercial air

travel[A].Lecture given at “The Global Out for Carbon Fiber

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[6] Yang Xue Dai Yongyao Zhao Guangwen Jin Dongming, A Study of the Ceramic Matrix Composites Reinforced by Carbon Fibers.

[7] 闫联生 宋麦丽 邹武 王涛，高温处理对碳纤维及其复合材料性能的影响，宇航材料工艺.1998,1:18-21.

[8] 罗益锋，碳纤维复合材料新动向，高科技纤维与应用[J].2009(6):1-6.