王家骏
河北农业大学 河北 保定 074199
摘要：碳纤维增强材料主要指的是以各种金属碳纤维或其它碳纤维复合织物材料作为主要的增强结构件,以各种金属,树脂,陶瓷,水泥,碳质或者橡胶等作为主要组成件所进行的一种新型复合材料。因其本身所具有的比强度,比刚性,轻量化的使用效果极其明显。所以被广泛用于各种航空飞行,军工产品中。其轻量化这一主要优点在汽车制造中对于车身内部结构件进行实际应用中得到了更加突出的作用,减轻车重和质量化的优点效果尤为明显,比其他钢铁和铝金属材料减少了50%的重量,比其他铝材和金属材料减少了30%的重量,因此国内外各大型汽车制造企业对此种新材料的应用给予了很大程度上的研究和重视。本文笔者就碳纤维增强复合材料的发展现状和在我国发展趋势进行了深入的研究和讨论。
关键词:碳纤维增强复合材料;发展趋势;
引言:
碳纤维增强复合材料是当前稳定快速发展的一类非常能够吸引人们注意力的一种新型材料,这是一种已经可以同时起到兼顾多种碳纤维以及其材料基体的特殊性能，并已成为一种新的材料综合应用性能远远高于其材料本体的新型工程材料结构复合材料,可以同时起到一加一大于二的效果,新的复合材料本体综合应用性能更为优异,具有材料本体不具备的特殊综合性能。目前该碳纤维性能增强结构复合材料在民用人造卫星及民用军用高性能航空飞机等各种航空航天复合材料,汽车部辆车身主体结构件,齿轮与传动轴承等各种机械传动结构复合材料以及通用半导体器件和连接点触头等各种热电子多功能复合材料中均已经得到了相当广泛的技术应用。目前对于碳纤维增强复合材料的科学技术研究和工程技术开发以及应用已逐渐发展成为一项主要涵盖多个材料科学技术领域的体系工程,碳纤维增强复合材料的研究和发展应用状况已经逐步发展成为一个国家提高材料科学技术领域乃至整个材料科学工程技术持续性发展创新水平的重要因素体现在各个方面之一。本文以我国碳纤维加强复合材料研究现状及在未来在我国的发展趋势问题展开了深入研究及学术讨论。
一、碳纤维增强复合材料的发展现状
(一)碳纤维增强复合材料的发展历程
碳纤维增强复合材料的研究与发展大致可分为两个阶段。
第一阶段主要是以玻璃树脂纤维作为塑料基体,在外层玻璃纤维形成增强塑料(又称玻璃钢)的基础上发展起来的。自1960年至1979年以来所发展的材料初具规模,1980年后该复合材料开始得到了大量的研究推广应用,这一时期主要目的是对树脂碳纤维的应用性能,树脂纤维基体的材料选择,碳纤维树脂基新型复合材料的开发制造生产工艺以及其应用性能等问题进行主要的技术研究,致力于研究开发制造碳纤维树脂基新型复合材料的主要应用性和市场。碳纤维树脂基结构复合材料的结构比重小,力学性能和结构化学性能稳定相比于其他材料更好,用它操作制成的飞机构件在与其他金属材料等整体重量等同的刚度下时既可以大大减少自身重量,用于大型飞行导航器件中时也可以大大减轻自身整体重量,增加有效率的航程,因此这一时期最引人关注的问题是由于碳纤维树脂基结构复合材料大量广泛应用于大型飞机飞行器件,而且随着科学技术的不断发展,成本的大大降低,在航空机械,化工以及汽车等各种结构力学零件中也逐步发展得以广泛应用。
第二个技术发展阶段是我国碳纤维金属基其他复合材料研究起步的阶段,这一技术发展阶段主要有三个方面,第一个是在树脂基其他复合材料正式出现并问世后不久方才进行研究,在金属基复合材料的导热特性研究基础上进行研究,利用金属比其他树脂材料具有更高的导热强度,更好的耐热性,更优异的隔热导电性和导热性,及其抗隔热吸潮抗老化等优势来研究开发比碳纤维树脂基复合材料导热性能更卓越或者其具有特殊导热性能的复合材料。
(二)碳纤维增强复合材料的发展特点
碳纤维自身的应用性能对碳纤维产品增强以及复合材料的应用发展有着一个极其重要的直接影响,因此国内外对碳纤维增强复合材料的技术研究都给予极高的技术重视,对产品合成应用碳纤维的主要原料及产品合成生产工艺都已经进行了极其广泛和高度深入的技术研究。目前所用碳纤维按材料制造商和原料的不同而可以分成含碳聚丙烯睛型和沥青型两种主要制造类型。聚丙烯睛型复合碳纤维虽然性能优异并一直占市场主导地位,但因其超低成本利用较高,目前主要广泛应用于工业航空航天或其他军工工业用品等等领域,沥青型复合碳纤维因为其具有相当明显的超低成本利用优势,在工程机械,汽车,建筑等其他各类民用工业产品领域中都具有着巨大的市场应用发展潜能和良好的市场应用发展前景。
二、碳纤维增强复合材料在我国的发展趋势
在民用航空和航天技术应用领域中的碳纤维增强复合材料一般来说是民用飞机与其他航空飞行元器件中极为重要的一种轻质碳纤维增强复合材料。国外一些大型军事飞机前部的主翼,尾翅膀及后部的机身等整体结构的组成部位大约只有70%以上的主要选择采用这类复合材料,它们的整体使用量己经占到了整个飞机总承载重量的20%以上。民用航空运输飞机上若是采用了碳纤维或者增强型复合材料则很可使它能够在运输时的重量中大大降低一半,从而能够可以极大地降低运输油耗,提高航空效率和运输航程。随着近年来我国民民经济快速增长,我国民用业和航空业的迅速健康发展对制造飞机的轻质增强结构复合材料市场需求将不断地大幅度增加,碳纤维材料的增强结构复合材料将被大规模应用到制造飞机内部舱门、机身、方向舵及各种流线型飞机体内部外壳等。
汽车制造行业将会成为是未来几年我国开发的碳纤维以及其他增强金属复合材料又一重要应用领域,碳纤维以及其他增强金属复合材料主要被广泛应用于新型汽车设计和制造的整体车身、大梁、小盖等整个车体结构件及其主要零部件,这可使得我国每辆汽车的承载重量每年减轻数百公斤。我国已经将新型碳纤维板和增强性金属复合材料广泛地应用于各类汽车和机械零配件上,并将其相关产品和设备的技术特点列入90年代我国汽车和机械行业十大重要的关键技术。在现代化的汽车零配件制造中,以轻质这种碳纤维性能增强新型复合结构材料可以代替其他现有复合材料,一方面必须不断提高新型复合材料的使用性能并大幅降低制造成本,另一方面因为其碳纤维性能增强新型复合材料在现代汽车车用零部件制造中的广泛应用发展时间尚远不长,还必须不断提高其具有综合性的应用率和技术,如不断改进民用汽车的结构总体设计,提高汽车零部件的材料成型率和加工工艺技术等。此外,随着碳纤维增强复合材料及其耐高温腐蚀耐用性能的进一步提高,它在石油管道、阀门、泵及电动风机等石油化工设备及金属配件行业中的广泛应用将进一步不断扩大,在工业建筑及工程生物医学等各个领域也都将有着良好的产业应用发展前景。
三、结束语
综上所述,碳纤维增强复合材料属于一类耐热和高效的新型材料,可以得到广泛应用于各个领域,给各个领域的发展起着推波助澜的作用。碳纤维增强复合材料在我国市场有着良好的市场应用及发展前景。但这一材料领域是技术密集的领域,所以我国必须要投入人力物力,进一步加强该材料的研究和开发应用。
参考文献
[1]许祯基,金属基础复合材料的调研,苏州科技情报所,1986.2
[2]王茂章,贺福,碳纤维在工业中的制造、性能及其实际应用,科学出版社,1984
作者简介：王家骏，（1994年2月-），汉族，河北保定，单位：河北农业大学。方向：碳碳复合材料碳纤维。074199