基礎(chǔ)篇

碳纖維復(fù)合材料的基本概念

說起材料，似乎挺復(fù)雜的，其實不盡然。大家肯定都聽說過石器時代、銅器時代和鐵器時代。這很通俗、又很清楚的表明了人類歷史發(fā)展與材料的關(guān)系。到今天，全球材料結(jié)構(gòu)中仍然有有大約一半是鋼鐵或其合金，從這個意義上講，我們現(xiàn)在仍然處于鐵器時代。

一種用于結(jié)構(gòu)的好材料，一般應(yīng)具有較大的強(qiáng)度，或者外力作用下發(fā)生形變相對較小，或者重量較輕。而有時候，我們要求材料必須同時具備強(qiáng)度高、變形小和重量低這三種特性。因此，材料科學(xué)領(lǐng)域提出了比強(qiáng)度和比模量的概念。

比強(qiáng)度（specific strength）是材料的強(qiáng)度（斷開時單位面積所受的力）除以其密度。又被稱為強(qiáng)度－重量比。比強(qiáng)度高，簡單的說，就是材料又要結(jié)實，又要輕。

舉個例子來說，比普通鋼強(qiáng)度高7倍的合金鋼，夠結(jié)實。可是太重。要用合金鋼增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，就必須同時增加重量，這對需要高速運動的物體，意義就不大了。因此我們說，合金鋼的比強(qiáng)度還是不夠高。

比模量（specific modulus）是材料的模量（在受力狀態(tài)下的應(yīng)力與應(yīng)變之比）除以其密度，又稱勁度－質(zhì)量比。比模量高，簡單的說，就是材料又要變形小，又要輕。

各種工程材料，比如木材、鋁、鋼，它們的比強(qiáng)度差別很大，但比模量其實都差不多，僅僅從比模量角度，他們之間相互替代的意義也并不大。

強(qiáng)度高、變形小、重量低，什么地方會用到這樣的材料呢？

對了，就是航空和航天工業(yè)。飛行器的運動速度高，過載大，對材料強(qiáng)度和變形有嚴(yán)格要求。而且，商用飛機(jī)每減重一公斤，一年就能節(jié)約3000美元的燃料。遠(yuǎn)程火箭、太空飛船每減重一公斤，就能節(jié)約10，000美元的燃料。能夠減少重量，就能夠增加有效載荷，降低飛行成本。因此高速飛行領(lǐng)域?qū)Σ牧现亓渴呛苊舾械摹?/span>

當(dāng)然，大家可以聯(lián)想到，航空航天領(lǐng)域的材料，還需要一個特質(zhì)，就是耐高溫。

有朋友說：那鈦合金呢？沒錯，鈦合金確實比鋼鐵更加符合飛行器的要求。但問題是鈦資源很少，開采、提煉和加工又很麻煩，因此鈦合金的價格相當(dāng)昂貴。這部分的限制了鈦的大規(guī)模商用，甚至是大規(guī)模軍用。對于鈦合金，兵器迷將來另有專貼分析，這里就不贅述了。

強(qiáng)度高、變形小、重量低、耐高溫、不太貴。這五個要求像是密集的交叉火力，把絕大部分已知材料封殺殆盡。就在這個時候，咱們故事的主角，碳纖維復(fù)合材料，終于登場了。

碳纖維，指碳的重量占90%以上的纖維狀碳材料。碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成的材料，就是碳纖維復(fù)合材料（CFRP）。

碳纖維布的編織紋理

碳纖維復(fù)材中最重要的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。其比模量比鋼和鋁合金高5倍，比強(qiáng)度要高3倍。而碳纖維的比重，一般在1.6左右，是鋁的二分之一，鋼的五分之一。碳在各種溶劑中不溶解，在隔絕空氣的惰性環(huán)境中（常壓下），在高溫時也不會熔融，而且是在2000攝氏度以上唯一強(qiáng)度不下降的已知材料。只有在10Mpa壓力和3000K以上高溫條件下，才不經(jīng)液相直接升華。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場合，CFRP都具有很高的優(yōu)勢。

東西是好東西。可在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)誕生之前，人們卻一直以為，碳產(chǎn)品的脆性非常大，碳纖維也很難做出來。就是好不容易做出來了，力學(xué)性能又極差。因此并沒有認(rèn)識到這是個寶貝。碳纖維的利用，可以追溯到1880年，那個以發(fā)明燈泡而著名的愛迪生，申請專利，提出利用碳纖維作為電燈的燈絲，后來因為鎢絲的替代而不了了之。此后關(guān)于碳纖維及其復(fù)合材料的研發(fā)，在很長時間處于停滯狀態(tài)。直至二戰(zhàn)之后，美國和日本為主的研發(fā)工作陸續(xù)獲得突破，才終于迎來了碳纖維的春天。

1950年，美國Wright-Patterson空軍基地開始研究用人造絲制造碳纖維，并得到了力學(xué)性能優(yōu)良的碳纖維。1967年，美國Uninon Carbide公司已經(jīng)能夠供應(yīng)彈性模量為2.8-3.5×106公斤/厘米2的石墨紗。1969年，日本東麗公司研制成功特殊的聚丙烯腈共聚PAN纖維，并結(jié)合Uninon Carbide公司的碳化技術(shù)，生產(chǎn)出了比強(qiáng)度和比模量都很高的碳纖維。此后至今，東麗公司一直是首屈一指的高性能碳纖維供應(yīng)商，產(chǎn)量居世界首位。其與日本東邦和三菱人造絲三家日本公司，生產(chǎn)世界70%以上的軍用碳纖維，代表著當(dāng)今高性能碳纖維的最高水平。而以Akzo和Zoltek為代表的美國公司，則把持著低端碳纖維市場的主要份額。

東麗公司的碳纖維產(chǎn)品

對了。在此，順便解釋一個有朋友問過兵器迷的問題，就是大家經(jīng)常聽說的T300，T800這些碳纖維究竟是什么意思。其實，就是以日本東麗公司TORYA的首字母命名的碳纖維原絲的品級。

東麗公司碳纖維品級性能表

補(bǔ)充一句：在理論上，碳纖維的抗拉強(qiáng)度可能達(dá)到180Gpa，實驗室碳纖維最高抗拉強(qiáng)度已達(dá)到9.03Gpa，未來有可能做到20Gpa。

兵器迷嘆口氣，日本在高性能碳纖維和其他諸多領(lǐng)域，能夠在基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品研發(fā)、市場占有和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)這四方面獨占鰲頭，成為一個行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者。而放眼望去，中國，能夠做到如此地步的，又有幾何？軍工領(lǐng)域尚在追趕，暫且不談；就是民用領(lǐng)域，除了袁隆平的雜交水稻，這個GDP規(guī)模第二的國家在行業(yè)領(lǐng)先方面似乎也是寥若星辰。大而無當(dāng)，大而不強(qiáng)，實積弊已久，國人自強(qiáng)自精之路，尚在漫漫。

書歸正傳。

碳纖維的應(yīng)用，其實可以分為兩個大的分支。即高端軍用領(lǐng)域的小絲束碳纖維和低端民用領(lǐng)域的大絲束碳纖維。

對不住了，材料領(lǐng)域的術(shù)語就是多，兵器迷一樣撓頭。呵呵，各位耐心點看吧。

碳纖維的絲束以K表示，1K表示一個絲束含1000根碳纖維，3K就是3000根。一般來講，24K以下為小絲束（small tow），24K以上的為大絲束（large tow）。

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