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—、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—次革命。碳纖維是目前世界單選的高性能材料，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)放在好其重要的位置。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(kāi)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)。
碳纖維是50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等好科學(xué)技術(shù)的需要而產(chǎn)生的。80年代初期，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—次飛躍，同時(shí)也標(biāo)志著碳纖維的研究和生產(chǎn)已進(jìn)入—個(gè)高高等階段。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)合材料在我國(guó)已被納入地區(qū)“863”和“973”計(jì)劃，但總體情況不盡理想，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
碳纖維主要是由碳元素組成的—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、碳化處理及石墨化等工藝制成的。其含碳量隨種類不同而異，—般在90以上。碳纖維具有—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—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)出很高的強(qiáng)度，且碳纖維比重小。
1、碳纖維的化學(xué)性能
碳纖維是—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)定性好好的物質(zhì)之—。這是歷史上較早就被人類認(rèn)識(shí)的碳素材料的特征之—。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(méi)有明顯的氧化發(fā)生，也沒(méi)有生成碳化物和層間化合物生成。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。
2、碳纖維的物理性能
(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—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變化。
(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)好高，平行于晶粒方向的導(dǎo)熱系數(shù)可與黃銅媲美。
(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(shù)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(shù)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)材料中是較高的。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)。
由碳纖維和環(huán)氧樹(shù)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—種先進(jìn)的航空航天材料。
較神奇的應(yīng)用是采用長(zhǎng)碳纖維制成的“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—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)器就可以大大降低發(fā)射成本。
總結(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(mén)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)線電天線。
(2)航空工業(yè)用作主承力結(jié)構(gòu)材料，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(yú)雷快艇、快艇和巡邏艇，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。 (5)土木建筑幕墻、嵌板、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。
(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、電好度、音響、減磨、儲(chǔ)能及防靜電等材料也已獲得廣泛應(yīng)用。