碳纤维及其复合材料（姓名：宁旭 学号：3128130）摘要：碳纤维及其复合材料作为当今一种高科技材料，具有比强高、比模量高等特性，并广泛应用于航空航天、电子、高速列车、工程建筑等领域。但同时，碳纤维也存在一定的缺陷需要去弥补，这就要求我们对其研究更加深入透彻。碳纤维行业在我国的发展还很有限，需要我们的共同努力。关键词：碳纤维；复合材料；家具；缺陷；发展0 引言碳纤维是碳含量高于90%的无极高分子材料，是由有机母体材料（聚丙烯腈、粘胶丝或沥青等）采用高温分解法在10003000高温的惰性气体下碳化制成的。碳纤维（CF）作为21世纪的新材料，其高强度、高弹性模量和低比重性能，以及碳纤维增强复合材料（CFRP）在航空航天、产业用领域的迅速拓展受到了人们的普遍关注1。1 碳纤维复合材料的特性1.1 比强度、比模量高单位质量的强度和模量，成为比强度和比模量，纤维复合材料特别是常用的碳纤维增强复合材料，其突出优点是比强度、比模量高2。比强度高的材料能承受较高的应力，而比模量高则说明材料轻且刚性大。几种常见树脂基复合材料与金属材料的性能比较见下表3。1.2 抗疲劳性好 疲劳破坏是指材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而造成的低应力破坏。纤维增强复合材料的基体，是断裂应变较大的任性材料，即使结构中出现了裂纹，基体的塑形形变也能是裂纹尖端锐化，从而减缓其扩展。另外，在基体中和界面上，固化后常有裂纹和缺陷存在，而纤维和基体间的界面常常能阻止裂纹的扩展或者改变裂纹扩展的方向，因此其抗疲劳破坏性能好。1.3 可设计性强 纤维增强复合材料及其结构的可设计性，具体表现在选择纤维的种类、性能和体积分数，安排铺层的方向、层数和层次等方面。根据载荷的种类、大小、使用要求和工艺条件等，对结构的形式、尺寸和厚度等进行设计，可使结构的性能、质量和经济指标等都做到合理和优化。 1.4 破损安全性能好 单向纤维增强复合材料，是由成千上万跟纤维在同一方向由基体粘合而成的。当复合材料沿纤维方向承受较高的拉伸载荷时，必定有一些纤维由于应力过殴打而首先断裂，已断裂的纤维由于基体传递应力的结果，除端口处不发挥作用和在端口附近一小段部分不发挥作用外，其余绝大部分纤维依旧发挥作用，即个别纤维的断裂不会引起连锁反应和灾难性的几句破坏，因而破损安全性能好4。 除上述主要特性外，碳纤维复合材料还具有其他一些重要的特性，如减震性能好，工艺性优良，生物相容性好，自润滑、耐磨损等5。一种材料具有如此多的功能和有点，是必然得到发展和应用的。2 我国碳纤维的适用领域 2003年后世界经济开始复苏，带动了符合材料产业强劲的发展。世界范围内对复合材料在工业领域的应用表现出了前所未有的发展兴趣6。2.1 航空领域欧洲空壳公司的超大型客机A380用复合材料高达25%，开创了大型民机上大规模应用符合从材料的先河。美国波音飞机公司最新研制的B787梦想飞机用符合材料更高达50%，他们称复合材料是航空航天结构的未来。进来又有欧洲多国联合研制的大型军用运输机A400用复合材料达35%40%，大型客机A350用复合材料达39%左右7，四大机种如此大规模的应用复合材料，将航空碳材料的总需求量占碳纤维总消耗量由过去20%提高到25%，导致航空用小丝束纤维的奇缺8。下图为大型客机A380使用复合材料图。2.2 风力发电的桨叶叶片 风力是清洁环保可再生的能源，当前风力发电是能源领域增长最快的，世界上大约以25%的年速率递增。由于单机发电容量越来越大，桨叶叶片越来越长，质量越来越大，强度和刚度的要求越来越高，于是桨叶材料纷纷由玻纤转向碳纤。目前的桨叶多用混杂复合材料，以碳纤与玻纤混杂为主，既使受力合理又节省碳纤维耗量，降低成本。2.3 汽车领域 复合材料用于汽车领域多数是代替钢材，可减质量40%以上，从而节省燃油降低使用成本。据知汽车结构每减质量10%，可节省燃油7%，在当前能源紧张、燃油涨价的形势下，复合材料在汽车领域的应用就大有可为了9。汽车应用复合材料量大面广，必将形成复合材料潜在的应用大户。 下图为一辆全部使用复合材料制成的汽车。2.4 基础设施领域 基础设施（Infrastructure）指建筑领域的房屋、桥梁、隧道、涵洞、地铁等及其相关的混凝土工程，当前世界上的一种“混凝土工程危机”，即各种因素导致的上述工程的损毁和破坏，很多是提前的破坏或地震等灾害事故导致的破坏，对其进行修复更新和加固机会用到符合材料，亦已成为碳纤维消耗的一个大户。此外，用复合材料加筋代替钢筋已渐成趋势。2.5 沿海油气田的应用 符合材料在沿海油气田的应用正被世界广泛接受，其典型的应用包括管道系统、油箱、油罐、海上钻井平台上的结构件，深海采油的竖井以及抽油杆等。由于碳纤维的耐腐蚀特点是其得以应用于沿海油气田领域10。2.6 生物工程领域的应用（以假肢为例） 20世纪90年代以后，假肢技术朝着更精密、更舒适和更符合个人要求的高科技方向发展11。 假脚：具有高弹性高强度的碳纤维复合材料适宜制造假脚，同时由于其质量轻，患者行走是较为省力12。 踝关节：踝关节与假肢的动作，对膝关节的支撑稳定性有重要的影响，碳纤维复合材料同样可用于踝关节的制作13。 膝关节：除脚板外，一个很重要的假肢构建就是膝关节，它也已采用碳纤维复合材料制作14。虽然碳纤维关节价格也相对较高，但其比强度是很好的。 接受腔：是指假肢上用于容纳残肢，传递残肢与假肢间的作用力、连接残肢与假肢间的部件，是决定假肢性能的重要因素15。瑞典成功研制了ISNY大腿软性接受腔，采用将包容残肢部分与支撑体质量部分相分离的结构。前者用柔软的聚乙烯板支撑透明的接受腔，后者用条状碳纤维玻璃纤维婚变增强的树脂支撑复合材料支撑框架16。2.7 家具领域 人们的生活工作都与室内息息相关，因此生活质量的高低很大部分取决于室内环境17。一般的室内中都布置有家具等陈设，家具是否低碳环保、是否坚固耐用、是否美观对人的影响很大18。近来，一些家具生产厂家开始将目光投向碳纤维这种高科技材料。由于碳纤维具有比强度、比模量高、抗疲劳性好、可设计性强、破损安全性能好、减震性能好、工艺性优良等优点19，使用其生产出的板材具有质量轻、强度好、牢固、防腐蚀、耐酸碱、不生锈等特点，优质板材为家具生产提供了非常有利的条件20。 碳纤维不仅能制成碳纤维板，其最大的应用在于制成织物。澳大利亚悉尼的Talon技术公司采用LIT（液晶关注技术）工艺指在椅子。这种椅子是在聚氨酯泡沫芯材上压模透明环氧树脂和碳纤维织物。该椅子强度比钢强3倍，而质量只有2.5kg。碳纤维的强度允许进行无固定的多孔式设计，并采用细锥形腿和靠背支撑。这种椅子是可层叠的，有温暖的触感，耐气候，并拥有ISO水平为5的耐久特性，这意味着它可长期耐久使用。下图为室内碳纤维家具图例，中间一把椅子被称为史上最轻的椅子，小孩都可以轻易将其搬起。 碳纤维同样被应用于户外家具。一说起户外家具，大多数人就会联想到实木、铁艺灯以自然休闲为诉求和传统材质。随着现代科技与工艺的发展，越来越多的新材料开始被运用到户外家具中，并由此带来外观与造型上的新变化21。时下新兴的化外家具开始尝试使用更多轻巧易塑形、更适合室外环境的新材质，使家具更加小巧灵活充满趣味，且便于移动拆卸22。强化橡胶、太空铝、碳纤维等重量轻极点的材料开始进军户外家具领域。 意大利著名户外家具品牌Zanotta最新推出的一款碳纤维制的躺椅，质量非常轻，儿童用一只手可以轻易移动。由于这种新材质弹性大，且具有柔软可加工性，躺上去有种弹簧床的感觉，轻微的反弹力更容易让人沉浸在野外旖旎的风光中。造型夸张而有趣得益于碳纤维极强的可塑性，能够轻易制造出不同于传统的夸张造型23。下图为以碳纤维为材料进行设计制作的户外家具图例。 除上述七大另由于外尚有海上舰船、电子、高速列车、工程建筑等领域的应用，可以说符合材料几乎是无所不为的新材料。3 缺陷是碳纤维的致命伤 20世纪50年代末，近藤昭男发明了聚丙烯腈基碳纤维，但未制造出高性能碳纤维。英国人瓦特打通了制造高性能碳纤维的技术途径。20世纪60年代末，日本东丽公司研究成功共聚PAN原丝，更适宜生存高性能PAN基碳纤维24。于此同时，人们对碳纤维的够效关系的研究逐步深入，是碳纤维品质在不断提高。研究结果表明，缺陷已是碳纤维的致命伤。如何消除各类缺陷的产生、减少缺陷尺寸和减少缺陷数目已成为研究够效关系的一条主线，也是提高其性能的基本思路。缺陷的种类繁多：有晶格缺陷、结构缺陷、杂质缺陷、损伤缺陷等25。其中，表面缺陷占90%，是影响抗拉强度的主要缺陷。表面缺陷属于后天性缺陷，主要由生产过程引入。3.1 强度与缺陷 日本东丽公司报道了碳纤维抗拉强度与表面缺陷尺寸的关系，如下左图所示。图中显示的是强度与缺陷尺寸的关系以及随着时间推进的发展概念图，可反映出随着时间的推进，缺陷尺寸趋小，强度随之而提高26。 下右图是碳纤维表面缺陷尺寸与抗拉强度的关系。显然，抗拉强度随表面裂纹尺寸增大而直线下降，同时呈现出多分散性，反应出缺陷随机分布27-28。 下图是内部孔的直径与抗拉强度的关系，显示出抗拉强度随孔径增大而直线下降，也呈现出多分散性。可以看出，试验点分散性很大是缺陷随即分布的反映，是脆性断裂的一大特征29。同时还可看出大部分缺陷尺寸在微米级，少部分在亚微米级，如果把缺陷尺寸控制在亚微米级或纳米级，碳纤维的抗拉强度将会得到大幅度提高30。3.2 缺陷的产生及防控措施生产碳纤维的全过程的流程长，工艺复杂，随时都可能引入各类缺陷。缺陷可分为先天缺陷和后天性缺陷。前者主要是指由原丝引入的缺陷，后者是在生产过程中引入的缺陷。防控缺陷的产生要从聚合部分、纺丝部分、预氧化部分、碳化部分四个部分分别进行。 品质的提升，除优化工艺、完善设备和严格的品质管理外，研究够效关系更是一个重要课题。其中，研究缺陷引入机制、缺陷演变规律和对碳纤维性能影响具有重大理论意义和使用价值。这些应用一处是提升品质的基础。决不能机械的从工艺刀工艺或从设备到设备，做简单肤浅的表面文章，而忽视够效关系的应用基础研究。只有在深入、扎实和可学的开展这一研究的基础上，创新工艺，完善设备，严格质量管理，才能咋普及基础上实线提高，真正打造出国产碳纤维精品。4 我国碳纤维产业发展现状及发展4.1 我国碳纤维产业的发展现状 随着我国经济的不断发展，人们对环境越来越重视，低碳的、可持续的经济也越来越受到人们的青睐。碳纤维因为其卓越的性能，成为人们心目中理想的众多领域的低碳环保替代材料31。 我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维及原丝，至今已有四十余年。经过近四十年的发展，在碳纤维生产技术和工艺上都有了一定突破，并且也已经建立了一定的碳纤维生产基础32。但是总的来说，我国碳纤维产业基础薄弱，生产水平较低，发展速度缓慢，核心技术还没突破，碳纤维质量差。于此相比，我国碳纤维的需求却急剧增长，对碳纤维质量的要求也越来越高33。4.2 我国碳纤维行业的发展道路碳纤维及其增强材料的发展需要高素质人才和长期稳定的研究与开发经验，需要资金的持续投入。目前，我国研究院所与企业在碳纤维原丝制备、纤维成型及应用领域方面虽然有所研究，但研究人员的素质及工作条件还不尽人意。企业大多只关心效益，见效快的经营观念与碳纤维技术的研发规律难于协调，投资环境的改善仍有很长的路要走34。因此，采取国家投资扶持碳纤