碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用

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　　一、碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展和戰(zhàn)略地位
碳纖維的出現(xiàn)是材料史上的一次革命。碳纖維是目前世界首選的高性能材料，具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗疲勞、導(dǎo)電、質(zhì)輕、易加工等多種優(yōu)異性能，正逐步征服和取代傳統(tǒng)材料?，F(xiàn)已廣泛(extensive)應(yīng)用于航天、航空和軍事領(lǐng)域。世界各國(guó)均把發(fā)展高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)放在極其重要的位置。碳纖維除了在軍事領(lǐng)域上的重要應(yīng)用外，在民品的發(fā)展上有著更加廣闊的空間，并已經(jīng)開始深入到國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域。在機(jī)械電子、建筑材料、文體、化工、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域碳纖維有著無(wú)可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
碳(C)纖維是50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要而產(chǎn)生的。80年代期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現(xiàn)，這在技術(shù)上是又一次飛躍，同時(shí)也標(biāo)志著碳纖維的研究和生產(chǎn)(Produce)已進(jìn)入一個(gè)高級(jí)階段。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，碳纖維及其復(fù)合材料已從初創(chuàng)期轉(zhuǎn)入增長(zhǎng)發(fā)展期，其工業(yè)地位已基本確立，美、日、英、法、德等國(guó)的碳纖維產(chǎn)量已經(jīng)占世界產(chǎn)量的絕大部分，并已逐步形成壟斷優(yōu)勢(shì)。
我國(guó)對(duì)碳纖維的研究由于起步較晚，技術(shù)力量薄弱，雖然碳纖維及其復(fù)合材料(Material)在我國(guó)已被納入國(guó)家 ;863 ;和 ;973 ;計(jì)劃，但總體情況(Condition)不盡理想，我國(guó)仍不具備成熟的碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，國(guó)防和民用碳纖維產(chǎn)品基本依賴進(jìn)口。

　　二、碳纖維復(fù)合材料的性能和用途
碳(C)纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是由含碳量較高、在熱處理過(guò)程中不熔融的人造化學(xué)纖維經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨(化學(xué)式C )化等工藝制成的。其含碳量隨種類不同而異，一般90以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工性好，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的度，且碳纖維比重小。
1、碳纖維的化學(xué)性能
碳纖維是一種纖維狀的碳素材料。我們知道碳素材料是化學(xué)性能穩(wěn)定性(The stability of)極好的物質(zhì)之一。這是歷史上最早就被人類認(rèn)識(shí)的碳素材料的特征之一。除強(qiáng)氧化性酸等特殊物質(zhì)外，在常溫常壓附近，幾乎為化學(xué)惰性。可以認(rèn)為在普通的工作溫度≤250℃環(huán)境下使用，很難觀察到碳纖維發(fā)生化學(xué)變化。根據(jù)有關(guān)資料介紹，從碳素材料的化學(xué)性質(zhì)分析，在≤250℃環(huán)境下，碳素材料既沒有明顯的氧化發(fā)生，也沒有生成碳化物(carbide)和層間化合物生成。由于碳素材料具有氣孔結(jié)構(gòu)，因此氣孔率高達(dá)25%左右，在加熱過(guò)程易產(chǎn)生吸附氣體脫氣情況，這樣的過(guò)程更有利于我們穩(wěn)定電氣性能和在電熱領(lǐng)域的應(yīng)用。

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2、碳(C)纖維的物理性能
(a)熱學(xué)性質(zhì)：碳素材料因石墨晶體的高度各向異性，而不同于一般固體物質(zhì)與溫度的依存性，從工業(yè)的應(yīng)用角度來(lái)看，碳素材料比熱大體上是恒定的。幾乎不隨石墨化度和碳素材料的種類而化
(b)導(dǎo)熱性質(zhì)：碳素材料熱傳導(dǎo)機(jī)理并不依賴于電子，而是依靠晶格振動(dòng)導(dǎo)熱，因此，不符合金屬所遵循的維德曼—夫蘭茲定律。根據(jù)有關(guān)資料介紹，普通的碳素材料導(dǎo)熱系數(shù)極高，平行于晶粒方向的導(dǎo)熱系數(shù)可與黃銅媲美(比美)。
(c)電學(xué)性質(zhì)：碳素材料電學(xué)性質(zhì)主要與石墨晶體的電子行為和不同的處理溫度（temperature)有關(guān)，石墨的電子能帶結(jié)構(gòu)和載流子的種類及其擴(kuò)散機(jī)理決定了上述性質(zhì)。碳素材料這類電學(xué)性質(zhì)具有本征半導(dǎo)體所具備的特征，電阻率變化主要與載流子的數(shù)量變化有關(guān)。
3、碳纖維的主要用途
與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，做成結(jié)構(gòu)材料。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。在剛度、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(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都頗具優(yōu)勢(shì)。 123456
由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性好和強(qiáng)度高而成為一種先進(jìn)的航空航天材料。碳纖維生產(chǎn)傳統(tǒng)的玻璃纖維相比，楊氏模量是其3倍多；它與凱夫拉纖維相比，楊氏模量是其2倍左右，在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出。
最神奇的應(yīng)用是采用長(zhǎng)碳(C)纖維制成的 ;納米繩 ;可以將 ;太空電梯 ;由理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，太空電梯將可以將乘客和各種貨物運(yùn)送到空間軌道站上，也可以用這種 ;納米繩 ;將太空中發(fā)射平臺(tái)與地面固定在一起，在這樣的發(fā)射平臺(tái)上發(fā)射人造衛(wèi)星和太空探測(cè)器(detector)就可以大大降低發(fā)射成本?？偨Y(jié)碳纖維復(fù)合材料的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：

　　(1)宇航工業(yè)用作導(dǎo)彈防熱及結(jié)構(gòu)材料如火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層;衛(wèi)星構(gòu)架、天線、太陽(yáng)能翼片底板、衛(wèi)星-火箭結(jié)合部件;航天飛機(jī)機(jī)頭，機(jī)翼前緣和艙門等制件;哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量構(gòu)架，太陽(yáng)能電池板和無(wú)線（wireless)電天線。

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　　(2)航空工業(yè)用作主承力結(jié)構(gòu)材料(Material)，如主翼、尾翼和機(jī)體;次承力構(gòu)件，如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、整流罩及座板等，此外還有c/c剎車片。

　　(3)交通運(yùn)輸用作汽車傳動(dòng)軸、板簧、構(gòu)架和剎車片等制件;船舶和海洋工程用作制造漁船、魚雷快艇、快艇巡邏艇，以及賽艇的桅桿、航桿、殼體及劃水漿;海底電纜、潛水艇、雷達(dá)罩、深海油田的升降器和管道。

　　(4)運(yùn)動(dòng)器材用作網(wǎng)球、羽毛球、和壁球拍及桿、棒球、曲棍球和高爾夫球桿、自行車、賽艇、釣桿、滑雪板、雪車等。碳纖維配件一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。

　　(5)土木建筑幕墻、嵌(qiàn)板、間隔壁板、橋梁、架設(shè)跨度大的管線、海水和水輪結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)筋、地板、窗框、管道、海洋浮桿、面狀發(fā)熱嵌板、抗震救災(zāi)用補(bǔ)強(qiáng)材料(Material)。 123,123

　　(6)其它工業(yè)化工用的防腐泵、閥、槽、罐;催化劑，吸附劑和密封制品等。生體和醫(yī)療器材如人造骨骼、牙齒、韌帶、x光機(jī)的床板和膠卷盒。編織機(jī)用的劍竿頭和劍竿防靜電刷。其它還有電磁屏蔽、電極度、音響、減磨、儲(chǔ)能及防靜電等材料也已獲得廣泛應(yīng)用。

　　三、碳纖維復(fù)合材料在電線電纜中的應(yīng)用
碳(C)纖維以其固有的特性賦予了其復(fù)合材料優(yōu)異的性能，它具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，從而為其在電線電纜（Cable)行業(yè)中的應(yīng)用提供了可能和必然。

　　(一)碳(C)纖維加熱電纜的開發(fā)和應(yīng)用
人們?cè)缇椭?，以金屬材料為發(fā)熱體的電加熱技術(shù)已在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是金屬絲在高溫狀態(tài)下表面易氧化，由于氧化層不斷的增厚，造成了有效通過(guò)(tōng guò)電流的面積減小，增大了電流的負(fù)荷，因此易燒斷。在相同的允許的電流負(fù)荷面積下，金屬絲的強(qiáng)度比碳纖維低6-10倍，在使用過(guò)程中易折斷。

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碳纖維是一種石墨的六方晶格層狀結(jié)構(gòu)組成，是一種全黑體材料，因此在電熱應(yīng)用中，表現(xiàn)出來(lái)的電熱轉(zhuǎn)換效率高。在特定的條件下，高溫不氧(Oxygen)化，單位面積的電流(Electron flow)的負(fù)荷強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度不發(fā)生改變。
目前碳纖維加熱電纜的應(yīng)用如下：
低溫輻射發(fā)熱電纜地板采暖系統(tǒng)。
恒溫育雛箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保溫采暖。
道路化雪、機(jī)場(chǎng)跑道化雪：用于混凝土(Concrete)結(jié)構(gòu)中樓面加熱的理想產(chǎn)品，也可以用在融雪裝置中，對(duì)屋面雨水和排水管進(jìn)行防霜，還可以用于土壤加熱。
管道、罐體保溫防凍：電伴熱產(chǎn)品近幾年在中國(guó)得到了大力的推廣和廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在石油、化工、電力、鐵路和民用或商業(yè)建筑等。隨著中國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展，以清潔、無(wú)二次污染的電能為主要能源的電伴熱產(chǎn)品市場(chǎng)(shì chǎng)前景非常廣闊，同時(shí)，也為電伴熱產(chǎn)品的性能提出了更高的要求。

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足球場(chǎng)草坪、公共綠地土壤保溫：太陽(yáng)能熱水器電能補(bǔ)充加熱器，主要用于在長(zhǎng)期陰雨天或寒冬季節(jié)，因光照不足而導(dǎo)致太陽(yáng)能熱水器水溫不能滿足生活、工程需要時(shí)，為補(bǔ)充熱能而設(shè)計(jì)的。碳纖維生產(chǎn)傳統(tǒng)的玻璃纖維相比，楊氏模量是其3倍多；它與凱夫拉纖維相比，楊氏模量是其2倍左右，在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出。它具有較強(qiáng)的耐酷暑、嚴(yán)寒和高溫潮濕環(huán)境的性能，并具有防干燒的功能。即使偶爾水箱缺水誤通電，也不至于燒壞電加熱器和水箱，故能確保安全使用。

　　(二)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的開發(fā)和應(yīng)用
我國(guó)是個(gè)缺電的國(guó)家，不僅發(fā)電業(yè)的發(fā)展滯后，輸電業(yè)的弊端也凸現(xiàn)出來(lái)，輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴(kuò)容的需求，由于過(guò)負(fù)荷造成的停電、斷電故障頻頻發(fā)生，電力傳輸成為電力工業(yè)發(fā)展的 ;瓶頸 ；各國(guó)均在研究新型架空輸電路用導(dǎo)線，以取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線由此應(yīng)運(yùn)而生。與鋼芯鋁絞線相比，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、和同樣直徑的acsr電纜相比，可以提供雙倍的載流容量。
2、有效解決電纜下垂問(wèn)題。
3、可以在更高的溫度下工作，最高可達(dá)200攝氏度。
4、線芯可以抗腐蝕，而且沒有雙金屬間腐蝕問(wèn)題。
5、因?yàn)榭梢蕴峁└叩妮d流容量，所以同時(shí)也有效的降低了工程成本。
6、與相同直徑傳統(tǒng)電纜相比可以多容納28%的導(dǎo)體。
7、高強(qiáng)度線芯可以有效減少電纜架的數(shù)量，或降低電纜架的高度。
8、有效減少電纜下垂，使地面生物更加安全。
除了上述提及的優(yōu)點(diǎn)外，還可減少傳輸中電力的損耗，減少20%的塔桿，節(jié)省用地，減少有色金屬資源消耗，有助于構(gòu)造安全、環(huán)保、高效節(jié)約型輸電網(wǎng)絡(luò)。目前世界上只有美國(guó)和日本開發(fā)出這種新型導(dǎo)線，他們還達(dá)成默契：不向第三國(guó)輸出，日本一家碳纖維導(dǎo)線企業(yè)的產(chǎn)量就占到世界40%左右。目前我國(guó)電線電纜研究所、電力建筑研究院以及國(guó)家電網(wǎng)有限公司都已經(jīng)開始了對(duì)accc導(dǎo)線的試驗(yàn)研究工作。國(guó)內(nèi)電纜廠家也加大與外方合作，將這種新型電纜引進(jìn)到中國(guó)生產(chǎn)，積極推動(dòng)我國(guó)架空輸電線路的技術(shù)革命。最近福建電網(wǎng)已經(jīng)將該新型導(dǎo)線架設(shè)運(yùn)行。

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　　(三)在高低溫、腐蝕等苛刻環(huán)境應(yīng)用的可能碳纖維細(xì)如蛛絲，三型碳纖維比強(qiáng)度是鋼的62倍以上，成形工藝性好，是一代新型工程材料，其彈性量高，抗變性能力比鋼大2倍多，抗拉強(qiáng)度30～40t/cm2pa,而比重還不到鋼的四分之一，是鋁合金的二分之一，高彈模量比鋼鐵大16倍，比鋁合金大12倍。且碳纖維比鋼等柔軟。因此，碳纖維可用于要求能承重、不易損傷內(nèi)部元件的電纜的加強(qiáng)芯，如海底光纜等。
碳纖維可以耐-180℃的低溫，在此條件下，許多材料都變的很脆，連堅(jiān)固的鋼鐵也變的比玻璃還容易碎，而碳纖維在此條件下依舊很柔軟。因此，碳纖維復(fù)合芯可用于極地(如南極考察研究等)條件下輸電載體的設(shè)計(jì)和制造。碳纖維又可以耐3000℃～3500℃的高溫，在此高溫下最好的耐熱鋼也變成鋼水，但在沒有氧(Oxygen)氣的情況下，碳纖維沒有變化。
碳纖維即使從3000℃的高溫快速冷卻到室溫也不會(huì)炸裂，因而可在急冷急熱的環(huán)境中工作。這為鋼鐵、冶金、鍋爐等行業(yè)中高溫特高溫場(chǎng)合電纜的設(shè)計(jì)提供了可能。此外，碳纖維紗、碳纖維繩、碳纖維布都可用于消防電纜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)選用。 123456
碳纖維有超強(qiáng)的耐腐蝕性。金屬中耐腐蝕性最強(qiáng)的是黃金和鉑，在一份硝酸(濃%)和三份硫酸(濃度39%)配成的稱 ;王水 ;的溶液中黃金、鉑會(huì)被腐蝕的千瘡百孔，而 ;王水 ;中的碳纖維卻安然無(wú)恙。為各種化學(xué)環(huán)境下輕型耐化學(xué)腐蝕電纜（Cable)的設(shè)計(jì)提供了新的思路。 
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