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碳纤维材料及应用

摘要：简要介绍了碳纤维的发展，从航空航天与军事领域、体

育领域、一般工业制造业领域以及土木工程建筑及新能源开发领

域，总结了碳纤维材料的应用状况，并在此基础上对于我国的碳纤

维应用前景进行了展望。

关键词：碳纤维及复合材料；特性；应用

中图分类号：tq342+.74文献标识码：a文章编号：

碳纤维是一种新型非金属材料。碳纤维既可作为结构材料承载

负荷，又可作为功能材料碳纤维主要是由碳元素组成的一种特殊纤

维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般

碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但

与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加

工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，

因此有很高的比强度。近年来，在航天、航空、汽车、环境工程、

化工、能源、交通、建筑、电子、运动器材等众多领域得到广泛的

应用。

1碳纤维及复合材料的产品形式

碳纤维材料的产品有四种形式：丝束、布料、预浸料坯和短纤

维。布料是有碳纤维制成的织物。预浸料坯是将碳纤维按照一个方

向一致排列，并将碳纤维或布料用树脂浸泡使其转化成片状。碳纤

维的主要用途是与塑料、金属、陶瓷等基体复合，制成碳纤维复合

材料。根据用途不同，按照不同的配比，将不同的碳纤维产品和树

脂一起应用将形成碳纤维强化塑料，其加工方法有缠绕成型法、树

脂转注成型法（rtm）、薄片缠绕法。碳纤维与最合适的树脂及预制

工艺的结合使得碳纤维的应用更加具有吸引力。

2碳纤维的特性

碳纤维与钻石一样，是主要由碳元素组成，具有以下特性：轻

质高强，其比重为铁的四分之一，强度为铁的10倍，尤其是高弹

模量碳纤维，其抗拉强度比钢材大68倍，弹性模量比钢材大1.8~2.6

倍，如日本东丽已开发出高强型t1000系列碳纤维，其抗拉模量为

295gpa，拉伸强度达7.05gpa，而高强高模量m5j型碳纤维，抗拉

模量达640gpa，化学性能非常稳定，耐高温和低温以及耐腐蚀性

高，在600℃高温下其性能保持不变，在-180℃低温下仍很柔软，

不与恶劣环境下酸、碱、盐发生腐蚀性反应；可加工性能好。例如：

由于碳纤维布质轻又可折弯，可适应不同构件形状，成型很方便，

可根据受力需要粘粘若干层，而且施工时不需要大型设备，也不需

要采用临时固定，对原结构无新的损伤。此外，碳纤维的其他特性

还包括高强度的x穿透性、高抗热性、导电性及抗腐蚀性能等。

3碳纤维材料的应用

3.1航空航天领域

由于碳纤维性能优越，其复合材料具有高比强度、设计性好、

结构尺寸稳定、抗疲劳断裂性好和可大面积整体成型，以及特殊的

电磁性能和吸波隐身的特点，鉴于其在工业化生产初期，成本非常

高的高科技航空航天及军事领域，如用于生产军用、民用飞机以及

战略导弹和运载火箭等。在航空领域，碳纤维用于包括水平和垂直

机尾，地板梁等材料，它们被称为基础结构材料，除了基础结构材

料外，碳纤维还用于副翼、螺旋桨、升降机、引擎和其他部件。在

20世纪80年代早期，碳纤维作为结构材料开始被广泛的用在客机

和航空飞行器，80年代中期，欧洲空客公司开始将碳纤维增强塑料

（cfrp）作为首要的结构材料应用在它们的飞机上。2005年随着新

型空中客机a350和波音787科技dreamliner(也被称之为7e7)的

投产，给碳纤维工业产生显著的推进作用。空中客机a350中复合

材料用量已接近总质量40%，波音787的机翼和机身上使用的复合

材料超过了50%。

碳纤维也大量用于航天器的制造材料，如在人造卫星中它们被

用作构建、太阳能板、天线和其他部件等。

3.2土木建筑领域

20世纪80年代末90年代初在发达国家兴起了一种以碳纤维布

加固修复钢筋混凝土的结构补强加固技术。我国从20世纪90年代

也开始研究和应用，现在已经取得一定的研究成果。例如，位于深

圳市建设路的博悦大厦，主体由abc三栋建筑物构成。ab两栋为写

字楼，c栋为酒店式公寓，由于深圳地区抗震设防烈度由原来的6

度提高到了7度，造成原设计的主楼框支梁上部分楼层剪力墙水平

钢筋配比率低于现行抗震规范要求，因此，决定采用剪力墙表面粘

贴碳纤维进行加固处理。施工流程与现场施工方法为：混凝土基底

修补、打磨处理→涂底层hcj碳纤维胶粘结剂→用