碳纤维
2020-03-03 17:45:10 来源：范文大全收藏下载本文
碳纤维的应用
纤维复合材料的性能日臻完善，应用领域逐步拓宽。它不仅应用于航天航空和军事工业领域，而且在能源交通、信息通汛和建材领域等方面的应用与日俱增。新材料是新技术发展的物质基础，市场的需求促进了新材料的发展，加快了材料的更新换代。
一、碳纤维复合材料在高科技领域中的应用
1.在宇宙航天及战略武器方面的应用 随着科学技术的进步，人类活动范围已进入太空，各种宇宙飞行器、探测器、空间站和人造卫星等在太空轨道中飞行，航天飞机和战略武器重返大气层需经苛刻的高温环境，在这些恶劣的环境中飞行，碳纤维复合材料以它具有密度小；高温下具有较高的比强度和比模量；而且在高温下不熔不燃，仅仅是烧蚀；巳热膨胀系数小，尺寸稳定；抗热冲击力强；热导率高，耐磨抗磨抗辐射；使用寿命长的特点，起到了不可代替的特点。
（1）.运用碳纤维混杂增强树脂基复合材料，可以用来制造航天飞机的舱门、机械臂和压力容器等，还可以混杂些硼纤维来增强铝或钛基金属复合材料用来制造机体、推力支撑件。由于碳纤维的密度小，还实现了航天飞机自身减重的目的。
（2）.战略导弹弹头的材料采用的是一种耐热、耐腐蚀的酚醛树脂材料，用碳纤维参杂其中合成后，可以用来制造导弹头部大面积放热层。
（3）.人造卫星大量采用以碳纤维复合材料为主体的先进复合材料。它们具备轻、刚和减振吸能的性质以及热膨胀系数小、热导率大的特性，以满足发热时的振动、入轨后在温度恶劣的环境中得以工作。
2.在高新技术方面的应用
（1）.正负电子对撞机配套的CFRP构件
采用碳纤维来增强环氧树脂复合材料的湿式缠绕工艺制得束流管漂移室内、外筒构件，不仅满足设计要求，还大大提高了功效。
（2）.在核聚变方面的应用 在核聚变过程中，氢（H）原子同位素氘（D）和氚（T）形成燃料生成氦（He），除了释放大量能量之外，还释放出高能中子（n），用碳纤维来替代石墨作为第一内壁的热内衬，可以在失控或者运行不当时作为原液的紧靠件。
（3）.铀的分离与浓缩
由于碳纤维材料强度高、密度低，可以用来作为分离铀旋转体的材料之一，使得分离效果倍增。
3.航空领域中的应用
在保证飞行安全的前提下，飞机自重愈轻，飞得愈快、愈高，就可以增加航程或增加净载质量。这就要求使用的材料具有轻质、耐磨擦的特点，而碳纤维复合材料在这一领域中也展露出头角。
（1）.先进飞机的制造
过去，铝合金和钛合金是制造飞机的主要材料之一，而现在一些先进飞机采用的则是一种比铝合金还轻的碳纤维增强复合材料（CFRP），CFRP的比强度、比模量优于金属材料，特别是线膨胀系数大大低于金属材料，使得CFRP在飞机上的应用变得逐渐广泛。
（2）战斗机
战斗机结构材料轻量化，可以减少油耗，延长作战时间，而且能飞得更高更快，机动性变得灵活，大大提高了战斗机的生存和作战能力。例如隐形轰炸机B-2采用的是一种异性截面碳纤维，其雷达散射面积降到0.1~0.3㎡，大大提高作战能力。
（3）.制动刹车材料
飞机着陆依靠刹车制动装置才能在有效长度的跑道上停下来。采用碳纤维复合材料制造的刹车片可以减重降耗，可以使在制动刹车过程中产生的摩擦热能够较快的散逸，从而减少刹车片的磨损量，以提高刹车片的使用寿命。
二、碳纤维复合材料在民用领域中的应用
1.汽车及其交通运输领域中的应用 （1）.汽车工业
在汽车轻量化汽车工业大量采用新材料使其轻量化，可显著提高汽车的整体性能并节省燃油，减小行驶阻力和提高机械效率都能降低汽车的耗油，最有效的措施就是减轻车的质量和改善发动机的有效功率。采用碳纤维复合材料制造汽车构件不仅可以使汽车轻量化，还可以是其具有许多功能特性。例如用CFRP制造的发动机挺杆，里哦那个其阻尼减振性能，可以降低振动和噪声，行驶有舒适感。又如用CFRP制造的传动轴，不仅具有阻尼特性，而且由于CFRP高的比模量可以提高转速，使得行驶速度加快。同样，用CFRP制造的板簧性能也优越于钢制板簧。此外，碳纤维制造的非石棉刹车片不仅使用寿命长还无污染；碳纤维增强橡胶制造制造轮胎的胎面胶，可以延长轮胎的使用寿命；利用碳纤维的导电性能，制造座位的坐垫和靠枕，冬季行车舒适；用活性炭纤维制造空气净化器，可以消除车内的污染空气。
（2）.铁路交通
磁悬浮高速列车由无接触的电磁悬浮、导向和驱动工系统组成。电流通过线言圈在周围产生浮动磁场，并受到安装在高速列车下方的些悬浮磁铁的吸引或激发而推动列车前进。磁铁的核心部分是超导线圈，并以液氦(4．2K)冷却。该线圈在大气温度(300K)下的磁铁外槽内由负载支撑体支撑，支撑体除要求刚性和强度外，还应具备隔热性能。这可采用纤维复合材料。在室温(300K)附近GFRP的热导率最低；在液氦(4．2K)低温下，CFRP的热导率较低；在较宽温度范围内，AFRP的热导率都比较低。就综合力学和热性能而言，可采用CFRP制造支撑体。
铁路机车由钢材料制造→铝合金材制造→铝合金与不锈钢混杂制造不断的演变成现在的用耐火性优异的酚醛树脂为基体的CFRP，不仅实现了车辆轻量化，而且防火，运行中的噪声低。
2.新能源
（1）.质子交换膜燃料电池
采用超薄石墨纤维布或者碳纤维纸来制造质子交换膜，不仅具有气体扩散层作用，又具有传递电子的功能。
（2）.锂电池
以低结晶性碳纤维材料作为锂电池的负极材料，低温热处理碳材料的结晶较低，尤其是难石墨碳化，不同于石墨插层化合物(GIC)的结构。在这种低取向的乱层结构中，锂离子可以插层到局部微晶碳层中，也可嵌入到它们之间的开孔中。酚醛树脂、糠醛树脂等在1100℃炭化后属于难石墨化碳，呈现出较大的充放电容量。特殊结构的有机化合物，经热解处理后，大多属于这类难石墨化碳，同样呈现出较大的充放电容量。它们作为二次锂离子电池的负极材料具有优良的性能价格比，是当前开发的重要实用性课题，有着广阔的市场前景。
（3）.双层电容器近年来，双垫层电容器与二次电池配合使用，通过其平衡或抵消所需短时间的高负荷，可作为电动汽车的电源等。双层电容器的正极和负极采用超级表面活性炭或活性碳纤维布；电解质采用水溶性电解质或有机溶液系电解质，前者耐压低，在1．2V以下；后者耐压高，在2．8—3V之间。但前者的导电率是后者的10倍左右，充放电的电流较大。电容量C与电极比表面积S成正比，因此所用电极材料的比表面积应在2000~3000㎡/g之间，同时，离子半径一般以A为单位，要求有纳米尺寸的孔径，也就是说，要求活性炭或活性碳纤维布为中孔发达的材料，2nm以下的孔要尽可能少。而酚醛基活性炭微球或酚醛基活性碳纤维布在制造过程中可调控比表面积和孔径尺寸，易制得大比表面积的中孔型制品，是较理想的双层电容器的电极材料。
此外，碳纤维还可以改善传统铅酸蓄电池的性能，在铅粉活性物质中加入短碳纤维(2mm长)和聚乙烯粉末(熔点为120℃)，混匀，热熔，加入硫酸水溶液调制成糊状铅膏，涂糊到板栅上，可防止活性物质的脱落和膨胀，提高其放电容量
3.在太阳能领域中的应用
太阳能领域中的应用衬板太阳能是取之不尽、用之不竭的无污染再生能源。太阳能的开发利用已是当今社会获取洁净能源的一条有效途径
（1）.航天器的太阳能电池
充分利用碳纤维复合材料的比强度、比模量高，热膨胀系数小和抗辐射的特性，用来制造蜂窝结构与碳纤维或石墨纤维蒙皮复合而成的轻型太阳能电池板已广泛的适用于各种韦新及宇宙航天器上。
（2）.太阳能电池
在设计和制造半导体太阳能电池时，基板的热性能要与半导体相近，而且要求电阻率比半导体层低，碳纤维复合材料完全满足这一条件，它具有的导电性好、热膨胀系数小和耐热性好使得它成为制造半导体太阳能基板和电池的首选。
（3）.太阳能暖屋
太阳能暖屋太阳能暖屋是目前开发的零能源住宅。核心部分是碳纤维薄板集热器、碳纤维薄板和嵌入式碳纤维薄板集热器。它们吸收太阳光的光能后与室内冷空气通过热交换器进行热交换，另一部分热能则贮存在蓄热材料中；如果冷水与热交换器进行热交换，则可得到热水而贮存在热水贮罐中。如果将嵌入式碳纤维薄板集热器与碳纤维薄板集热器联用并与屋壁、屋顶组装一体化，则既可暖屋，又有热水可用。
4.土木建筑和基础设施 （1）.建筑及住宅材料
短切碳纤维增强水泥（CFRC）可以制造各种幕墙版，实现现代材料的轻量化。特别是沿海建显示出来的耐腐蚀性。利用碳纤维的导电性可以用来制造发热元件为碳纤维制的面状发热体，从而制造暖地板。
（2）.维修加固材料
碳纤维复合材料在维修加固土木建筑和基础设施方面的应用已取得长足发展，成为碳纤维市场的新增长点。现在，年久失修的桥梁、旧码头都采用CFRP维修加固的。此外，CFRP也是维修加固文物建筑的优良材料。
（3）.电磁屏蔽材料
在信息化高度发展的今天，信息通讯遍布全球，电磁波干扰和机密泄露等新问题需要解决，解决方法之一就是建造电磁波屏蔽室，可以用碳纤维增强水泥 （CFRC）和增强木材（CFRW）来制造建筑材料的屏蔽室。此外，可以用短切碳纤维增强热塑性树脂（CFRTP）来制造电子设备的屏蔽壳体。
5.医疗器械和医用器材 （1）.高性能医疗器械
在为患者使用X射线机检查是，使用CFRP床板，大大减轻了X射线对患者的危害，而且可以得到清晰的诊断信息。CFRP还广泛的应用在超声波诊断仪、CT扫描、手术台、放射用床板、轮椅、担架上。
（2）.生物体用材料
碳纤维与生物具有良好的组织相容性和血液相容性，可作为生体植人材料；同时发现，碳纤维具有诱发组织再生功能，促进新生组织的再生并在植入碳纤维周围形成。例如人造器官、人造关节以及人造牙根牙床等，都在医疗上得到了充分的利用。
（3）.医用材料
碳纤维还广泛的用于外伤包扎带、医用电热毯和防毒衣服和口罩的生产上，具有一定的拉伸强度和柔软性、透气性和杀菌功能。
6.体育娱乐器材
世界碳纤维总量的三分之一用来制造体育娱乐器材。高档的羽毛球拍、网球拍、钓竿、高尔夫球棒和赛车等几乎都是以碳纤维复合材料制造的
（1）.钓竿
CFRP钓竿轻而强、刚而挺勃，不仅大大降低了垂钓者的操作强度，而且钓竿微妙的振动可快速地传递给垂钓者，大大增加了垂钓的概率。
（2）.高尔夫球棒
为提高球棒击出后飞行的距离和把握方向性，球棒的长柄要轻棒头要重而且不能扭曲，采用具有高强大的拉伸作用的CFRP制造的球棒是最佳选择。
（3）.网球、羽毛球球拍
为保证接球之后球拍的弦线紧绷而不断，球拍框的几何形状不变，采用高比强度、比模量和具有减振阻尼左右的CFRP制造的球拍能好好的保证这一效果。
7.碳纤维密封材料
碳纤维增强聚四氟乙烯(PTFE)等复合材料是优异的密封填料，也是石棉密封填料的更新换代产品。这种新型密封填料具有耐高温、耐高压、耐磨损、耐腐蚀、热膨胀系数小、自润滑和使用寿命长等一系列优异性能，广泛用于化学化肥、石油化工、发电能源、轻工造纸和轻纺机械等许多领域。
8.耐热织物
以预氧化纤维制造耐燃织物及特种服装的工艺流程如图13．49所示。由预氧丝经纺纱织布制得的布柔软性、服用性好，形状不易变形，尺寸稳定，适于制造各种特殊服装。同时，由预氧丝布可以进一步深加工成碳纤维布、活性碳纤维布和石墨纤维布。在生产过程中，牵切制条和粗纺、细纺有一定的技术难度，预氧丝不同于一般的纺织纤维，因为预氧丝有一定刚性，不易卷曲，抱合力差，制成均匀的条很不容易。这个技术难点已被突破，已经进行了批量生产。
9.环保方面的应用
（1）.净化气体和回收溶剂
用活性炭纤维毡或者活性炭纤维布制成的具有瓦楞结构的ACF纸，不仅能大大减少同气阻力，还能提供很大的接触面积，提高了吸附速度和吸附容量，在净化空气和回收溶剂上的道理实际的应用。
（2）.净化水 传统的净化水机中使用颗粒状的活性炭作为吸附器里的吸附物质，而用纤维状活性炭比颗粒状活性炭对水中残留氯的分解速度快得多，对引饮用水的净化更为有效。
（3）.脱硫及回收硫酸
发电厂及一些冶炼厂排废气时需要进行脱硫，并以硫酸的行驶回收。含硫化物废气进入活性炭吸附塔，二氧化硫被吸附，在加热的再生塔中脱附出二氧化硫，进入活性炭纤维层时，被ACF表面活性点吸附，二氧化硫被氧化成三氧化硫，再与体系中的水反应生成硫酸。
参考文献：
周玉娟．美国载人宇宙飞船再人热防护系统发展概况．材料工艺，1973，3：76—97 韩红硕．航天飞机轨道器结构材料的热防护材料．材料工艺，1980，5：24—49 贺福，王茂章．碳纤维及其复合材料．北京：科学出版社，1995 霍肖旭．碳纤维复合材料在固体火箭上的应用．高科技纤维与应用，2000，25(3)：1一7
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