碳纤维复合材料的应用研究进展

《碳纤维复合材料的应用研究进展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、碳纤维复合材料的应用研究进展姜楠（湖北大学材料科学与工程学院，武汉430062）摘要：本文概述了碳纤维复合材料（CFRP）的性能特点和应用研究进展。简要介绍了碳纤维复合材料在大飞机制造业，深海油气田，非织造设备等方面的应用情况，碳纤维复合材料湿热性能和抗氧化烧蚀技术的研究进展以及国内外的研究状况。关键词：碳纤维复合材料大飞机深海油气田非织造设备湿热性能抗氧化烧蚀技术应用研究1前言碳纤维复合材料（CFRP）自20世纪50年代面世以来就主要用于军工，航天，航空等尖端科学技术领域，其高强、高模、轻质、耐热、

2、抗腐蚀等独特的性能使其在飞机、火箭、导弹、人造卫星等方面发挥了巨大作用。随着CFRP材料性能的不断完善和提高，其优越的性能逐步被认可及价格的大幅度下降，使得它在民用工业上的应用逐步扩大，目前在土木建筑、纺织、石油工业、医疗机械、汽车工业等领域得到了广泛应用。2CFRP材料的性能特点碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。其最高强度已达7000MPa，最高弹性模量达900GPa，而其密度约为1.8~2.1g/cm3，并具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温等优异性能，是一种很有发展前景的高性能纤维。碳纤维

3、由高度取向的石墨片层组成，并有明显的各向异性，沿纤维轴向,强度高、模量高，而横向性能差，其强度和模量都很低。因此在使用时，主要应用碳纤维在轴向的高性能。[1-2]碳纤维是黑色有光泽，柔软的细丝。单纤维直径为5~10µm，一般以数百根至一万根碳纤维组成的束丝供使用。由于原料和热处理工艺不同，碳纤维的品种很多。高强度型碳纤维的密度约为1.8g/cm3，而高模量和超高模量的碳纤维密度约为1.85~2.1g/cm3。碳纤维具有优异的力学性能和物理化学性能。碳纤维的另一特征是热膨胀系数小，其热膨胀系数与石墨片层

4、取向和石墨化程度有密切的关系。碳纤维具有优异的耐热和耐腐蚀性能。在惰性气氛下碳纤维热稳定性好，在2000℃的高温下仍能保持良好的力学性能；但在氧化氛围下超过450℃碳纤维将被氧化，使其力学性能下降。碳纤维能耐一般的酸，碱腐蚀。在高温下和金属有不同程度的界面反应，严重损伤纤维，因此在用作金属基复合材料的增强物时，应采取有效的防止反应的措施。另外碳纤维还有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化。[3]3CFRP材料的应用进展3.1碳纤维在大飞机上的应用所谓大飞机是指200座以上（含200座），有效载荷在

5、200t以上的大型飞机。CFRP材料在空客A380和波音787上的用量已占到结构总质量的50％，可称之为复合材料飞机。在波音787所用结构材料的质量比，制造波音机通用的铝合金，钛合金分别降到20％和15％，CFRP材料成为制造大飞机的主体材料。[4-6]大飞机除了大型民航客机外，还包括战略轰炸机、预警机、运输机等。如果这些大飞机大量采用CFRP，可大大减轻自身质量，可有效增加航程或有效载荷。CFRP还可用来制造隐身飞机。B-2战略轰炸机属于隐身飞机，其雷达散射截面积（RCS）仅有0.1m2，不易被对方

6、雷达发现，大大增加了突防能力和生存概率。B-2轰炸机大量采用先进的特种CFRP，所用碳纤维的截面积不是圆形，而是异型截面，如方形截面，且在表面沉积1层多孔碳粒或附着1层多孔微球，实施对雷达波的散射和吸收，赋予其吸波功能。这也就是说，特种CFRP不仅是结构材料，而且也是结构吸波材料。[7]我国国务院已批准大飞机立项，航空强国在不久的将来变为现实。但这一宏观计划任重道远。首先是我国碳纤维工业与先进国家相比存在15年左右的差距，我们还不能生产高强中模碳纤维，T300任处于产业化阶段。实验室研制高强中模碳纤维

7、虽然取得长足进步，但产业化仍有一段路要走。在国家大力支持和有实力民营企业的介入，缩短产业化时间已具备条件，高强中模碳纤维指日可待。[8]制造大飞机约有10项关键技术，其中就包括碳纤维复合材料的设计和制造。虽然我国制造较大飞机有一定的工作基础，如曾在20世纪80年代制造的运10和现在制造的新支线飞机ARJ21，以及为波音，空客制造零部件，但主体制造大飞机，仍需解决许多关键技术问题。与此同时发展的高强中模碳纤维必须产业化。材料与制造密不可分，同步发展必将使国产大飞机获得成功。[9]3.2碳纤维在深海油气田

8、开发中的应用随着石油和天然气在易开发陆地及浅海资源的急剧减少，近海油气田勘探逐渐向深海发展。[10-13]因此，对于能够承受恶劣海洋气候的需求不断扩大。由于碳纤维复合材料（CFRP）具有弯曲刚性高，极限强度大，耐腐蚀性强，易于补修，抗冲击性强，热膨胀系数和导热性低，质量轻又无浮力等诸多优点，CFRP被深海石油开采业成功的应用于近海石油平台的构件上。碳纤维拉挤杆是以碳纤维系缆替代聚酯锚固缆绳来固定移动的近海钻井系统（MODVs),尤其是固定油船和移动的水下