碳纤维复合材料的应用分析

熊睿彦 湖南省长沙市长郡中学

碳纤维复合材料的应用分析

熊睿彦 湖南省长沙市长郡中学

碳纤维复合材料诞生于上世纪60年代，是以沥青、粘胶纤维、PAN为原材料，经氧化与碳化生产出的一种高强度、耐高温、高模量特种材料。碳纤维复合材料有着优良的特性，应用领域十分广泛，本文就碳纤维复合材料的应用展开分析。

碳纤维复合材料 特性 应用

碳纤维复合材料是新一代高性能无机复合纤维材料，以树脂、陶瓷、金属等材料为基体，经热处理工艺加工而成，含碳量高达90%以上，具有优良的力学、电学性能，质量轻，易于加工，是传统材料替代品的首选，被广泛应用于航天航空、机械电子、电力、通信、生物、纺织化工等领域。

1 碳纤维复合材料的性能

1.1 化学性能

碳纤维复合材料的化学性能非常稳定，在常温常压下具有惰性，不容易产生氧化作用，抗腐蚀性强，具有一定的吸附性能和抗辐射性能。

1.2 物理性能

1．2．1 导热性能：碳纤维复合材料都具有很高的导热系数和较小的热膨胀系数，通过晶格振动来导热，不需要依赖电子，也不需要遵循维德曼—夫兰兹定律。

1．2．2 热学性能：碳素材料比热具有恒定性，不会随着碳素材料的种类变化而发生变化。

1．2．3 力学性能：碳纤维复合材料拥有优异的力学性能，。它们都具有很高的强度、韧性和刚度，拉伸性也很优秀，有很好的耐疲劳性能，密度小而脆性较大。

1．2．4 电学性能：碳纤维复合材料具有非常好的导电性能。

1．2．5 耐热性能：碳纤维复合材料具有极好的耐热性能，能够在温度高达3000多度的环境下正常地发挥自身的功能，骤然从高温降至低温环境，也不会对它造成很大的影响，因此，可以应用于急热或者急冷的工作环境中。

2 碳纤维复合材料的应用

2.1 用于航天航空领域

碳纤维复合材料是高含量的碳元素与树脂、陶瓷等物质复合而成的增强型结构材料，因其具有较小的比重和很高的刚性和强度而成为航空航天材料的首选。

以环氧树脂为基体的碳纤维复合材料可以被制成“纳米绳”，用来运送乘客或者各种供应品到太空轨道站；航天工业利用碳纤维复合材料的导热和耐热特性来制造火箭喷管；航天飞机的机翼和机身等主承力结构以及起落架、整流罩等次承力构件都需要密度小、重量轻而且具有优异力学、电学以及热学等方面性能的航空航天材料，实践证明，碳纤维复合材料完全符合要求。

2.2 用于电力和通信行业

工业的发展对电力输送的要求越来越高，传输容量的一再扩大导致输电线路超负荷运转，停电、断电故障频发。电力传输需要具有高承载量、耐高温、抗腐蚀、导电性能好的轻质材料来进行高容量的电力传输，碳纤维复合材料不仅符合这方面的要求，而且不会导致电缆下垂或者电缆架数量急剧增多的问题，还会在一定程度上减少电力的耗损。因而，碳纤维复合材料是一种较为先进也较为理想的电力输送材料。

碳纤维复合材料具有较高的电热转化率，不会在高温下氧化，抗酸碱腐蚀，耐疲劳度好，是高性能的电缆和电线的应用材料，在电力和通信行业应用都较为普遍。

2.3 用于建筑行业

碳纤维复合材料在建筑行业的应用非常广泛。在现代化的工程施工过程中，碳纤维复合材料经常被用来加固公路、隧道、桥梁等工程建筑物，体现了这种新型物质材料高强度、良好的耐久性、应变能力和抗腐蚀能力都很强的特性。碳纤维材质的梁架结构比钢材材质的梁架结构要轻的多，重量至少要减掉一半，而且这种碳素材料的安装工作非常简单，在一定程度上加快了施工的进程，提高了施工效率。

2.4 用于生物医学

碳纳米复合材料是一种新型的高分子碳纤维复合材料，已经被应用于生物医学的领域当中。医生可以借助碳纳米管独特的孔状结构特性，将储存于碳纳米管中药物的药性激发出来，实现对人体特殊部位药物的控制和疾病的治疗。此外,碳纳米复合材料还可以用作医疗器材如人造骨骼以及各种输液器材等的制造。碳纤维复合材质的医学器材具有非常好的功能特性以及优异的生物相溶性,在生物医学领域中具有非常美好的应用前景。

2.5 在其他领域中的应用

除了上述领域外，碳纤维复合材料在汽车制造业、风力发电、体育器材等领域也表现出了良好的前景。目前，我国的风力发电机组在朝着大尺寸、大型化方向发展，有效解决了传统玻璃钢叶片的问题，满足了轻量化、大型化的生产要求。在汽车制造领域之中，碳纤维复合材料可以应用在内饰和结构件的制造中，减轻了整车重量，节约了能耗。在体育器材上，碳纤维复合材料可以应用于羽毛球拍、钓鱼竿、自行车、滑雪板、高尔夫球杆、网球拍的制造中。

近年来，我国碳纤维工业飞速发展，航天卫星、飞机制造等各个领域大量应用碳纤维复合材料，碳纤维生产能力及成型制造技术不断提高，但是，与发达国家相比，技术水平还有待提升。

3 结束语

综上所述，碳纤维复合材料是新一代高性能复合纤维材料，具有其他材料无法比拟的物理和化学性能，在航空航天、电力、通信、建筑以及生物医学等行业应用十分广泛。在我们的日常生活中，部分家用电器、手机和电脑等电子产品以及各种高品质的球拍、球杆等体育用品也是由碳纤维复合材料制成的。随着科技的不断进步，碳纤维复合材料的应用领域不断拓展，碳纤维的应用技术也在不断创新和发展，碳纤维复合材的料性能不断提升，应用前景越来越广阔。

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