一、 簡介

    碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上，它是利用各種有機纖維在惰性氣體中，高溫狀態下碳化而制得的。碳纖維具有十分優異的力學性能，是目前已大量生產的高性能纖維中具有最高的比強度和最高的比模量的纖維，特別是在2000°C以上的高溫惰性環境中，碳纖維是唯一強度不變的物質，是其他主要結構材料所無法比擬的。

    作為高性能纖維的一種，碳纖維既有碳材料的固有特性，又兼備了紡織纖維的柔軟可加工性，是先進復合材料中最重要的增強材料，已經在軍事以及民用中的各個領域取得廣泛應用。

    碳纖維復合材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強體，樹脂為基體所形成的復合材料，英文稱之為Carbon Fiber-reinforced Polymer（CFRP）。這種材料具有密度低，熱膨脹系數小，耐燒蝕性能好，輕質高強等優點，具有優異的力學性能和熱物理性能，使其被廣泛應用于軍事、航空、體育用品、賽車等領域，發展潛力巨大。

    二、 碳纖維復合材料的的制備

    1、碳纖維的生產

    根據碳纖維原料的不同，可以將其分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維。

    （1）PAN基碳纖維

    PAN基碳纖維制造的第一步是用丙烯腈（AN）單體制造PAN原絲，第二步是原絲的預氧化和碳化，預氧化處理的目的是使PAN的線性分子鏈轉化為耐熱的梯形結構，使其在高溫下碳化時不熔不燃，保持纖維形態。碳化過程是碳纖維形成的主要階段，除去了纖維中大量的氧、氮和其他元素，再經過表面處理、干燥上漿，得到具有金屬光澤的PAN基碳纖維產品。

    （2）瀝青基碳纖維

    首先是瀝青原料的精制，主要是為了除去瀝青中的游離炭和其他固體雜質，這些雜質再紡絲過程中可能會堵塞紡絲孔，接下來的瀝青調制過程是通過瀝青的熱縮聚、加氫預處理、溶劑萃取的方法制取可紡瀝青，目的是除去瀝青中的輕組分。瀝青的紡絲方法主要又擠壓法、離心法、熔吹法、渦流法等。由于瀝青的可溶性和粘性，在剛開始加溫就會黏合在一起，而不能形成單絲的碳纖維，所以必須在碳化前進行碳纖維的預氧化處理。預氧化處理還可以提高瀝青纖維的力學性能，增加碳化前的抗拉強度。預氧化處理后的瀝青纖維將在惰性氣體中進行碳化或石墨化處理，以除去其中的非碳原子，提高力學性能。

    （3）粘膠基碳纖維

    粘膠基碳纖維主要用于耐燒蝕材料和隔熱材料，其產量不足世界碳纖維總量的1%，但有著其他兩種碳纖維不可取代的地位。生產粘膠基碳纖維的原料主要是木漿和棉漿，粘膠纖維漿粕配制成紡絲液，通過濕法紡制成粘膠連續長絲，粘膠纖維經水洗、干燥和浸漬催化劑后，再經預氧化和碳化工藝就可以轉化為碳纖維。

    2、碳纖維復合材料成型工藝

    碳纖維復合材料的成型工藝主要有手糊及噴射工藝、熱壓罐成型、模壓成型、纏繞、拉擠、RTM工藝等。

    （1） 手糊及噴射工藝

    手糊和噴射工藝適合成型大型、復雜構件，成本低廉，工藝操作簡單，對操作人員要求較低。其缺點是生產效率較低，產品質量受人為因素影響較大。

    （2） 熱壓罐成型工藝

    熱壓罐成型工藝適合成型大型復雜構件，適合成型高纖維體積分數的復合材料，其缺點為設備成本高，生產效率低。

    （3） 模壓成型工藝

    模壓成型適合成型小型復雜構件，適合于成型高纖維體積分數的復合材料，制品的精度較高，缺點就是成本較高。

    （4） 纏繞成型工藝

    纏繞工藝適合于截面為回轉體的復合材料產品的制造，產品生產自動化程度 高，質量可控性好，制備大型構件需要大型纏繞設備。

    （5） 拉擠成型工藝

    拉擠工藝適合制備等截面復合材料構件，生產效率高。

    （6） RTM成型工藝

    RTM工藝是將預先預先根據設計鋪層結構的增強材料預成型體鋪放在模腔中，通過一個或幾個注射口將樹脂注入模腔，依靠帶壓樹脂的流動浸潤纖維，并排除模腔中的氣體，固化開模，成型制品。RTM工藝具有尺寸穩定性好，成型周期短，制品表面光潔度高等特定，但由于成型采用雙片模具，模具成本較高。

    三、 產業應用

    由于碳纖維復合材料具有高比強度和比模量、密度小、可設計性強、易于整形等優點，隨著逐漸產業化，其被廣泛應用于航空航天、汽車行業、體育用品、民用其他行業等領域，已經成為了新一代可應用材料。

    1、航空航天領域

    碳纖維復合材料在航空領域得到了大量應用。美國戰機超級“大黃蜂”（F/A-18E/F）CFRP用量約為19％，法國戰機“陣風”用量約為24％，英國戰機“臺風”（EP2000）用量約為40％。直升飛機也大量采用CFRP。例如，由哈爾濱飛機制造廠生產的直-9型直升飛機，武裝了駐港部隊和參加了2007年上海合作組織在俄羅斯的反恐軍演，是我國先進的直升飛機，該機復合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生產的“OH-1忍者”直升飛機，機身的40％是用CFRP，槳葉等也用CFRP制造。

    CFRP在空客A380和波音787上的用量已占到結構總質量的50％，稱之為復合材料飛機都不為過。

    2、汽車行業

    隨著人們對生態環保的重視，汽車的輕量化顯得越來越重要，這更加快了碳纖維復合材料在汽車中的使用。 目前碳纖維主要應用在小批量車型、高級轎車和F1賽事上的車體部分、發動機部分、傳動部分、底盤系統等。如法拉利F430裝備的制動盤、馬自達RX-8傳動軸、豐田1/X混合動力車車身骨架、奧迪R8 Spyder跑車的車頂、行李箱的兩邊及頂部，寶馬M6型的頂蓬等都不同程度地采用了碳纖維復合材料。

    最近推出的寶馬i8跑車，采用全新LC 500h的碳纖維車頂、碳纖維骨架的鋁合金車門，以及關鍵部位的大量輕質高強度鋼材，使得全新雷克薩斯LC的車身抗扭剛性甚至超越傳奇跑車LFA，為全新LC 500h帶來更為統一、緊致的操控表現和凌厲的轉向響應。

    3、體育器材

    由于碳纖維復合材料高強高模、質量輕、疲勞強度大、熱膨脹系數小、破損安全性能好，其用在像撐桿、高爾夫球桿、自行車、滑雪板、皮劃艇等靠人力來使其運動的體育器材，可以大大提高體育競技的水準。

    碳纖維撐竿可以保證撐竿既柔韌結實又不會斷裂或扭結，它可將運動員持竿快速助跑的動能部分轉變成撐竿的彈性變形能，當撐竿被壓彎到最大弧度后，這部分彈性變形能再釋放出來，轉變成運動員的勢能，幫助運動員騰空躍起，飛越橫桿。隨著現代社會的快速發展，自行車不僅是交通和運輸工具，還具有健身、旅游、競賽等多種功能。高檔自行車的車構架、前叉部件、車輪、曲軸及座位支架等均使用碳纖維復合材料制成，不僅使自行車外觀更具美感，同時也賦予了車體良好的剛性和減震性能。車體重量進一步下降，騎乘舒適性更好。

    碳纖維復合材料除了應用在以上幾個主要領域外，還有很多行業使用了碳纖維復合材料，像無人機、船舶、家電等等，由于篇幅有限，小編就不再一一列舉了。

    四、 總結與展望

    隨著科技的發展，碳纖維復合材料已經在國內很多行業得到了應用，但由于碳纖維技術不成熟，其生產成本較高，很難得到大規模使用。2016年2月15日，中國終于突破日本管制封鎖研制出高性能碳纖維。國內的碳纖維復合材料主要集中在大型國有企業，碳纖維復合材料的真正普及還需要靠大量民企的技術突破來進行推動，進行低成本化生產，真正做到碳纖維復合材料廣泛應用。

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責任編輯：劉洋

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