摘 要：主要介紹了碳纖維復(fù)合材料的基本概述，并對它的一些結(jié)構(gòu)性能、應(yīng)用（主要在航空領(lǐng)域的應(yīng)用）、發(fā)展，并分析了目前我國碳纖維復(fù)合材料的研究進展和應(yīng)用前景。
　　關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；碳纖維樹脂基復(fù)合材料；碳/碳復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)性能；發(fā)展；航空領(lǐng)域。
　　1、碳纖維復(fù)合材料的性能及主要用途
　　由于碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工性好，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強度，且碳纖維比重小。
　�。�1）碳纖維的化學性能
　　碳纖維是一種纖維狀的碳素材料。我們知道碳素材料是化學性能穩(wěn)定性極好的物質(zhì)之一。這是歷史上最早就被人類認識的碳素材料的特征之一。除強氧化性酸等特殊物質(zhì)外，在常溫常壓附近，幾乎為化學惰性。可以認為在普通的工作溫度≤250℃環(huán)境下使用，很難觀察到碳纖維發(fā)生化學變化。根據(jù)有關(guān)資料介紹，從碳素材料的化學性質(zhì)分析，在≤250℃環(huán)境下，碳素材料既沒有明顯的氧化發(fā)生，也沒有生成碳化物和層間化合物生成。由于碳素材料具有氣孔結(jié)構(gòu)，因此氣孔率高達25%左右，在加熱過程易產(chǎn)生吸附氣體脫氣情況，這樣的過程更有利于我們穩(wěn)定電氣性能和在電熱領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　（2）碳纖維的物理性能
　�。╝）熱學性質(zhì)
　　碳素材料因石墨晶體的高度各向異性，而不同于一般固體物質(zhì)與溫度的依存性，從工業(yè)的應(yīng)用角度來看，碳素材料比熱大體上是恒定的。幾乎不隨石墨化度和碳素材料的種類而變化
　�。╞）導熱性質(zhì)
　　碳素材料熱傳導機理并不依賴于電子，而是依靠晶格振動導熱，因此，不符合金屬所遵循的維德曼—夫蘭茲定律。根據(jù)有關(guān)資料介紹，普通的碳素材料導熱系數(shù)極高，平行于晶粒方向的導熱系數(shù)可與黃銅媲美
　�。╟）電學性質(zhì)
　　碳素材料電學性質(zhì)主要與石墨晶體的電子行為和不同的處理溫度有關(guān)，石墨的電子能帶結(jié)構(gòu)和載流子的種類及其擴散機理決定了上述性質(zhì)。碳素材料這類電學性質(zhì)具有本征半導體所具備的特征，電阻率變化主要與載流子的數(shù)量變化有關(guān)。
　　總結(jié)碳纖維復(fù)合材料的現(xiàn)實應(yīng)用有以下幾個方面
　�。�1）航天領(lǐng)域
　　碳纖維復(fù)合材料因其獨特、卓越的性能，在航空領(lǐng)越特別是飛機制造業(yè)中應(yīng)用廣泛。統(tǒng)計顯示，目前，碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)飛機和直升飛機上的使用量已占70%～80%，在軍用飛機上占30%～40%，在大型客機上占15%～50%。
　�。╝）碳纖維樹脂基復(fù)合材料
　　碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP）具有質(zhì)量輕
　　等一系列突出的性能，在對重量、剛度、疲勞特性等有嚴格要求的領(lǐng)域以及要求高溫、化學穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復(fù)合材料都具有很大優(yōu)勢。碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料已成為生產(chǎn)武器裝備的
　　重要材料。AV—8B 改型“鷂” 式飛機是美國軍用飛機中使用復(fù)合材料最多的機種，其機翼、前機身都用了石墨環(huán)氧大型部件，全機所用碳纖維的重量約占飛機結(jié)構(gòu)總重量的26%，使整機減重9%，有效載荷比AV—8A飛機增加了一倍。數(shù)據(jù)顯示采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的前機身段，可比金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量32.24%。用軍機戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的重要指標——結(jié)構(gòu)重量系數(shù)來衡量，國外第四代軍機的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)已達到27～28%。未來以F-22 為目標的背景機復(fù)合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復(fù)合材料將成為主體材料。國外一些輕型飛機和無人駕駛飛機，已實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化。
　　直升飛機上碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的用量更是與日俱增。武裝了駐港部隊并參加了2007 年上海合作組織在俄羅斯反恐軍演的直-9 型直升飛機，是我國先進的直升飛機。該機復(fù)合材料用量已占到60%左右，主要是CFRP。此外，日本生產(chǎn)的OH-1 “忍者”直升飛機，機身的40%是用CFRP，槳葉等也用CFRP 制造。
　　在民用領(lǐng)域，世界最大的飛機A380 由于CFRP 的大量使用，創(chuàng)造了飛行史上的奇跡。這種飛機25%重量的部件由復(fù)合材料制造，其中22%為碳纖維增強塑料（CFRP）。由于CFRP 的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損，從而大大減少了油耗和排放。燃油的經(jīng)濟性比其直接競爭機型要低13%左右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率最高飛機的低15%～20%，成為第一個每乘客每百公里耗油少于三升的遠程客機。
　�。╞）碳/ 碳復(fù)合材料
　　碳/ 碳復(fù)合材料是以碳纖維及其制品（碳氈或碳布）作為增強材料的復(fù)合材料。因為它的組成元素只有一個（即碳元素），因而碳/碳復(fù)合材料具有許多碳和石墨材料的優(yōu)點，如密度低（石墨的理論密度為2.3g/cm3）和優(yōu)異的熱性能，即高的熱導率、低熱膨脹系數(shù)，能承受極高的溫度和極大的熱加速率，有極強的抗熱沖擊，在高溫和超高溫環(huán)境下具有高強度、高模量和高化學惰性。憑借著輕質(zhì)難熔的優(yōu)良特性，碳纖維增強基體的（C/C）復(fù)合摩擦材料在航空航天工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。航天飛機軌道的鼻錐和機翼前緣材料，都會選用碳碳復(fù)合材料。另外還大量用作高超音速飛機的剎車片，目前，國際上大多數(shù)軍用和民用干線飛機采均用碳纖維增強基體的復(fù)合材料剎車副。這種剎車副不僅質(zhì)量輕、抗熱沖擊性好、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、使用壽命長，更為方便的是可設(shè)計性強，性能便于調(diào)節(jié)。還可制作發(fā)熱元件和機械緊固件、渦輪發(fā)動機葉片和內(nèi)燃機活塞等。
　　2.我國碳纖維復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀
　　現(xiàn)代的碳纖維是以聚丙烯腈、人造絲或木質(zhì)素為原絲，將有機纖維跟塑料樹脂結(jié)合在一起高溫分解并且碳化后得到的，還不能直接用碳或石墨來制取。
　　據(jù)了解，目前全球碳纖維產(chǎn)能約3.5萬噸，我國市場年需求量6500噸左右，屬于碳纖維消費大國。在以“高性能聚丙烯腈碳纖維制備的基礎(chǔ)科學問題”為主題的第335次香山科學會議上，會議執(zhí)行主席、國家自然科學基金委員會師緒院士指出，與國外技術(shù)相比，我國碳纖維領(lǐng)域還存在較大差距。2007年，我國碳纖維產(chǎn)能僅200噸左右，而且主要是低性能產(chǎn)品。由于缺少具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)支撐，目前國內(nèi)企業(yè)尚未掌握完整的碳纖維核心關(guān)鍵技術(shù)。這就使得我國碳纖維在質(zhì)量、技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模等方面均與國外存在很大差距，絕大部分高性能增強材料都長期依賴進口，價格非常昂貴。由于缺乏創(chuàng)新與集成和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，極大地制約了我國碳纖維復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展。
　　基于我國高性能碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)尚不能滿足國民經(jīng)濟快速、健康、持續(xù)發(fā)展的需求，國家發(fā)展改革委2008～2009 年組織實施高性能纖維復(fù)合材料高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項，重點支持碳纖維、芳綸纖維、高強聚乙烯纖維及其高性能復(fù)合材料的生產(chǎn)技術(shù)及關(guān)鍵裝備的產(chǎn)業(yè)化示范，以滿足國民經(jīng)濟以及航空航天等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，培育一批具有國際競爭力的龍頭企業(yè)。這一舉措將為我國從材料大國轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧蠌妵�奠定堅實的基礎(chǔ)。今年5月，由鷹游紡機自主研發(fā)的碳纖維生產(chǎn)線和神鷹碳纖維項目通過國家級驗收，標志著我國碳纖維生產(chǎn)已成功實現(xiàn)國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。
　　參考文獻
　　[1] 賀福.碳纖維及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.
　　[2] 益小蘇.先進復(fù)合材料技術(shù)研究與發(fā)展[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.
　　[3] 胡保全，牛晉川.先進復(fù)合材料[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.
　　作者簡介
　　鄭泓宇（1996-），男，漢族，江西景德鎮(zhèn)人，邵陽學院本科在讀，邵陽學院，專業(yè)方向：材料成型及控制工程
　　申愛玲，指導老師，當前任職邵陽學院
　　（作者單位：邵陽學院）

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