材料概论论文

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1、材料概论论文碳纤维复合材料摘要:主要介绍了碳纤维复合材料的基本概述，并对它的一些结构性能、应用(主 要在航空领域的应用)、发展，并分析了目前我国碳纤维复合材料的研究进展和 应用前景。关键字：碳纤维复合材料、碳纤维树脂基复合材料、碳碳复合材料、结构性能、 发展、航空领域。1、引言碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，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、耐磨擦、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”。碳纤维属于聚合物碳，

2、是有机纤维经固相反应转变为纤维状的 无机碳化合物。碳纤维是一种新型非金属材料，它和它的复合材料具有高强度、 耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、比重小和热胀胀系数小等优异 性能，碳纤维单独使用时主要是利用其耐热性、耐蚀性、导电性和其它性质。碳 纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材 料抗拉 强度一般都在 3500Mpa 以 上，是钢的 79 倍，抗 拉弹性 模量为 2300043000Mpa亦高于钢。因此CFRP (即碳纤维复合材料)的比强度即材料的 强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3) 以上，而 A3 钢的比强度仅为59Mpa/(g/

3、cm3)左右，其比模量也比钢高。目前，碳纤维不仅广泛应用军事工业， 而且在汽车构件、风力发电叶片、核电、油田钻探、体育用品、碳纤维复合芯电 缆以及建筑补强材料领域也存在巨大应用空间，而其在航空领域的光辉业绩尤为 引人注目。2、碳纤维的发展碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料, 具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能， 正逐步征服和取代传统材料。现已广泛应用于航天、航空和军事领域。世界各国 均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重 要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的 各个

4、领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无 可比拟的应用优势。碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的。80 年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同 时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。经过二十多年的发展，碳 纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期，其工业地位已基本确立，美、日、 英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分，并已逐步形成垄断优 势。我国对碳纤维的研究由于起步较晚，技术力量薄弱，虽然碳纤维及其复合材 料在我国已被纳入国家“863”和“973”计划，但总体情况不尽理想，我国仍不 具

5、备成熟的碳纤维工业化生产技术，国防和民用碳纤维产品基本依赖进口。3、碳纤维复合材料的性能及主要用途由于碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是由含碳量较高、在热处 理过程中不熔融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制 成的。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、耐磨擦、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、可加工性好，沿纤维轴方向表现出很高的强度， 且碳纤维比重小。(1) 碳纤维的化学性能碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。这是历史上最早就被人类

6、认识的碳素材料的特征之一。除强氧 化性酸等特殊物质外，在常温常压附近，几乎为化学惰性。可以认为在普通的 工作温度W250C环境下使用，很难观察到碳纤维发生化学变化。根据有关资 料介绍，从碳素材料的化学性质分析，在W250C环境下，碳素材料既没有明 显的氧化发生，也没有生成碳化物和层间化合物生成。由于碳素材料具有气孔 结构，因此气孔率高达25%左右，在加热过程易产生吸附气体脱气情况，这样 的过程更有利于我们稳定电气性能和在电热领域的应用。(2) 碳纤维的物理性能(a) 热学性质碳素材料因石墨晶体的高度各向异性，而不同于一般固体物质与温度的依存 性，从工业的应用角度来看，碳素材料比热大体上是恒定的

7、。几乎不随石墨化 度和碳素材料的种类而变化(b) 导热性质碳素材料热传导机理并不依赖于电子，而是依靠晶格振动导热，因此，不符 合金属所遵循的维德曼一夫兰兹定律。根据有关资料介绍，普通的碳素材料导 热系数极高，平行于晶粒方向的导热系数可与黄铜媲美(c) 电学性质碳素材料电学性质主要与石墨晶体的电子行为和不同的处理温度有关，石墨 的电子能带结构和载流子的种类及其扩散机理决定了上述性质。碳素材料这类 电学性质具有本征半导体所具备的特征，电阻率变化主要与载流子的数量变化 有关。碳纤维的主要用途：与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合 材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结

8、构材料中是最高的。在刚度、重 量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤 维复合材料都颇具优势。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比 重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。最神奇的应用是采用 长碳纤维制成的“纳米绳”可以将“太空电梯”由理想变为现实，太空电梯将 可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上，也可以用这种“纳米绳”将太空 中发射平台与地面固定在一起，在这样的发射平台上发射人造卫星和太空探测 器就可以大大降低发射成本。总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面(一)航天领域碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在航空领越特别是飞机制造业中应

9、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%。（a）碳纤维树脂基复合材料碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有质量轻等一系列突出的性能，在对重量、刚度、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求 高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具有很大优势。碳纤维增强树脂 基复合材料已成为生产武器装备的重要材料。AV8B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，全机所用碳纤维的重量约占飞机 结构总重量的26%，使整机减重9 %,有效载荷比AV8A飞机增

10、加了一倍。数据 显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量32.24%。用军机战术 技术性能的重要指标结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数 已达到2728%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右， 其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实 现了结构的复合材料化。直升飞机上碳纤维增强树脂基复合材料的用量更是与日俱增。武装了驻港部 队并参加了2007 年上海合作组织在俄罗斯反恐军演的直-9 型直升飞机，是我国 先进的直升飞机。该机复合材料用量已占到60 %左右，主要是CFRP。此外，日本 生产的OH-1 “忍者”直升飞机，

11、机身的40%是用CFRP，桨叶等也用CFRP制造。在民用领域，世界最大的飞机A380由于CFRP的大量使用，创造了飞行史上 的奇迹。这种飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料 （CFRP）。由于CFRP的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损，从而大大 减少了油耗和排放。燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运 营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%20%，成为第一个每乘客每百 公里耗油少于三升的远程客机。（b） 碳碳复合材料 碳碳复合材料是以碳纤维及其制品（碳毡或碳布）作为增强材料的复合材 料。因为它的组成元素只有一个（即碳元素） ,因而碳碳复

12、合材料具有许多碳 和石墨材料的优点，如密度低（石墨的理论密度为2.3g/cm3）和优异的热性能， 即高的热导率、低热膨胀系数,能承受极高的温度和极大的热加速率，有极强的 抗热冲击， 在高温和超高温环境下具有高强度、高模量和高化学惰性。凭借着轻 质难熔的优良特性，碳纤维增强基体的（C/C）复合摩擦材料在航空航天工业中 得到了广泛应用。航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料，都会选用碳碳复合材料。 另外还大量用作高超音速飞机的刹车片，目前，国际上大多数军用和民用干线飞 机采均用碳纤维增强基体的复合材料刹车副。这种刹车副不仅质量轻、抗热冲击 性好、摩擦系数稳定、使用寿命长，更为方便的是可设计性强，性能便于

13、调节。 还可制作发热元件和机械紧固件、涡轮发动机叶片和内燃机活塞等。（二）、其他领域1）、高尔夫球棒用 CFRP 制成的高尔夫球棒、可减轻重量约 10 一40。根据动量守恒定律，可使球获得较大的初速度。另一方面.CFRP具有高的阻尼特性，可使击球时间 延长,球被击得更远。2）、 钓鱼竿碳纤维增强复合材料制成的钓鱼竿比GFRP制品或竹竿都要轻得多，使其在 撒竿时消耗能量少，而且撤竿距比后者远20%左右。CFRP所制的钓鱼竿长而好， 刚性大，钓鱼竿在弯曲之后能迅速复原，使其传递诱饵的感觉较为灵敏。现在已 有商品销售，用碳纤维增强塑料还可以制成渔具的卷铀，其重量不超过140克, 但它的疲劳强度高，耐

14、摩擦，因而使用寿命长。3）、赛车用石墨纤维长丝制成的管材可用来制造比赛车或通用自行车的车架,其特点 是重量轻，比钢制架可减重50%左右，使自行车的总重量减轻15%。碳纤维与玻璃纤维混合增强复合材料可用来制造越野赛汽车，它的特点是重 量轻。用金属材料制造的同样车体的总重量为226.8公斤，用CFRP制造时为63.5 公斤，用CF/ GPRP制造时重量可减轻到31.8至36.5公斤。在赛车领域，碳纤维复合材料最著名的运用无疑是F1车身。为了使重量保 持最小，所有车队都广泛使用碳纤材料，而这些材料的强固性足以支撑车子的重 量。4. 我国碳纤维复合材料发展现状现代的碳纤维是以聚丙烯腈、人造丝或木质素为

15、原丝，将有机纤维跟塑料树 脂结合在一起高温分解并且碳化后得到的，还不能直接用碳或石墨来制取。据了解，目前全球碳纤维产能约3.5万吨，我国市场年需求量6500吨左右， 属于碳纤维消费大国。在以“高性能聚丙烯腈碳纤维制备的基础科学问题”为主 题的第335次香山科学会议上，会议执行主席、国家自然科学基金委员会师绪院 士指出，与国外技术相比，我国碳纤维领域还存在较大差距。2007年，我国碳纤 维产能仅200吨左右，而且主要是低性能产品。由于缺少具有自主知识产权的技 术支撑，目前国内企业尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。这就使得我国碳纤 维在质量、技术和生产规模等方面均与国外存在很大差距，绝大部分高性能

16、增强 材料都长期依赖进口，价格非常昂贵。由于缺乏创新与集成和应用领域的拓展， 极大地制约了我国碳纤维复合材料工业的发展。基于我国高性能碳纤维复合材料产业尚不能满足国民经济快速、健康、持续 发展的需求，国家发展改革委20082009 年组织实施高性能纤维复合材料高技术 产业化专项，重点支持碳纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维及其高性能复合材料 的生产技术及关键装备的产业化示范，以满足国民经济以及航空航天等高技术产 业发展的需求，培育一批具有国际竞争力的龙头企业。这一举措将为我国从材料 大国转变为材料强国奠定坚实的基础。今年5月，由鹰游纺机自主研发的碳纤维 生产线和神鹰碳纤维项目通过国家级验收，标志着我国碳纤维生产已成功实现国 产化和产业化。5. 结语我国对发展碳纤维复合材料所做的努力是有目共睹的，而且所取得的成绩和 进步也是令人振奋的，但是仍然较发达国家