碳纤维增强复合材料的种类及其行业应用解析

      
      碳纤维主要作为复合增强材料。碳纤维增强复合材料主要包括：碳纤维增强陶瓷基复合材料，C/C 复合材料，碳纤维增强金属基复合材料，碳纤维增强树脂基复合材料等。

       碳纤维主要作为复合增强材料。碳纤维增强复合材料主要包括：碳纤维增强陶瓷基复合材料，C/C 复合材料，碳纤维增强金属基复合材料，碳纤维增强树脂基复合材料等。它们的主要用途见表2。

表2 碳纤维的主要用途及应用形态、种类

(1) 碳纤维增强陶瓷基复合材料

用碳纤维增强陶瓷可有效改善韧性，改变陶瓷脆性断裂形态，同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料，在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域广泛应用。

       (2) C/C 复合材料

      它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成，主要由各类碳组成，即纤维碳、树脂碳和沉积碳。

       这种材料除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外，还具有较高的断裂韧性和假塑性。在高温环境中，强度高、不熔不燃，广泛应用于导弹弹头，固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等领域。

 (3) 碳纤维增强金属基复合材料

碳纤维增强金属基复合材料具有高的比强度和比模量，高的韧性和耐冲击性能。目前碳纤维增强铝、镁基复合材料的制备技术比较成熟。

(4) 碳纤维增强树脂基复合材料 (CFRP)

它具有轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点，被广泛应用作结构材料及耐高温烧蚀材料。

碳纤维增强树脂复合材料所用树脂基体主要分为两类，一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。碳纤维增强热塑性塑料是指碳纤维为分散质，热塑性塑料为基体的纤维增强塑料。用碳纤维增强热塑性塑料近年来发展较快，其特点是：强度与刚性高，蠕变小，热稳定性高，线膨胀系数小：减摩耐磨，不损伤磨件，阻尼特性优良。

碳纤维增强热固性塑料是以热固性塑料为基体，以碳纤维及其织物为分散质的纤维增强塑料。碳纤维及其织物与环氧、酚醛等树脂制成的复合材料具有强度高、模量高、密度小、减摩耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小、导热率大，耐水性好等特点。

        碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP），其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。它的比重不到钢的1/4，抗拉强度一般都在3500Mpa 以上，是钢的7~9 倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa，亦高于钢。因此碳纤维增强树脂（CFRP）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/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。在密度、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，可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。

作为高性能纤维的代表，碳纤维属于高技术密集型产品，其生产技术复杂，产业发展涉及官、产、学、研各个环节。由于它是发展航天航空和军事工业等尖端技术必不可少的新材料，也是民用工业更新换代的基础材料，国外又对其出口进行封锁，所以近年来我国就一直比较重视对其研制和生产，虽然起步较早，投入不薄，但仍处于失利地位。