碳纤维复合材料的应用现状与发展趋势

摘要

本文简述了我国碳纤维复合材料的性能与碳纤维增强剂复合材料（CFRP）的几种成型工艺，同时说明了碳纤维复合材料的应用领域现状，重点分析了碳纤维复合材料在航空航天、汽车领域、风电领域的应用。

碳纤维复合材料分类

碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料，以树脂、金属、陶瓷等作为基体材料，经过复合成型制成的结构材料，与传统的金属材料相比，其具有密度小、比强度/比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、便于设计、易于大面积整体成型加工等优点。按基体的不同，可分为树脂基复合材料（CFRP）、碳/碳复合材料（C/C）、金属基复合材料（CFRM）、陶瓷基复合材料（CFRC）及橡胶基复合材料（CFRR）等。

碳纤维材料的性能分析

①密度小、质量轻
②强度、弹性模量高，其强度比钢大4~5倍，弹性回复为100%；
③热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，
④摩擦系数小，并具有润滑性；
⑤导电性好，25℃时高模量碳纤维的比电阻为775Q*cm，高强度碳纤维则为1500Q*cm；
⑥耐高温和低温性好，在3000℃非氧化气氛下不熔化、不软化
⑦耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。

碳纤维增强剂复合材料（CFRP）成型工艺

     热压罐法

热压罐成型是最早开发用于航空结构复合材料制造并仍普遍使用的一种技术，热压罐成型工艺流程为：将单层预浸料按预定方向铺叠成的复合材料坯料放在热压罐内，在一定温度和压力下完成固化过程。这种成型工艺采用的原料也是碳纤维预浸料中间体，其具有可固化不同厚度的层合板、可制造复杂曲面零件、使用范围广泛、工艺稳定可靠等优点，但也存在设备投资成本高、工艺生产成本高、制品大小受热压罐尺寸限制等缺点，适用于制造飞机舱门、整流罩、机载雷达罩，支架、机翼、尾翼等产品。

碳纤维复合材料的应用现状

1.汽车领域

目前我国在轨道车辆在碳纤维复合材料的应用上也取得了不小的成果。2011年，研发的碳纤维复合材料车头罩应用于时速500km/h高速试验车，抗冲击性能和力学性能优良。2013年，研发城际动车组碳纤维设备舱裙板，较铝合金裙板减重大于30%，装车试运行时各项性能优异。2015年，研发的中国标准动车组碳纤维复合材料设备舱，较铝合金减重35%，完成各项型式试验及60万公里运营考核，最高试验时速420km/h，分解检查状态良好

航空领域

空客A380是目前世界上最大的飞机,其结构重量的25%为复合材料,碳纤维复合材料构件(机身段、襟翼、副翼、舱壁等)占其结构重量的22%。碳纤维复合材料的大量应用使其明显减重,大大减少了油耗,降低了运营成本。

碳/碳复合材料具有耐高温、抗磨损、比热容大等特点,是制造飞机制动装置的优异材料。用其制作的飞机制动盘同金属制动盘相比可节省40%的结构重量,使用寿命是金属制动盘的5~7倍。

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