碳纤维复合材料概述

碳纤维复合材料概述（9篇）

1.碳纤维复合材料概述 篇一

碳及碳纤维复合材料

碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁语为：Carbonium，意为“煤，木炭”。汉字的“碳”字由木炭的“炭”字加石字旁构成，从“炭”字音。

碳是一种非金属元素，无臭无味的固体?。无定形碳有焦炭?，木炭?…等，晶体碳有金刚石和石墨。冶铁和炼钢都需要焦炭。在工业上和医药上，碳和它的化合物用途极为广泛。

碳是一种很常见的元素，它以多种形式广泛地存在于大气和地壳之中。

碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。碳能在化学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都含有碳元素。

碳也是生铁、熟铁和钢的成分之一。

碳单质很早就被人类认识和利用，如：金刚石、石墨（如：铅笔芯、干电池芯）…等。

碳纤维(carbon fiber)，碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。

碳材料主要有：碳碳复合材料、碳纳米材料、碳纤维材料、新型碳材料?…等。

低碳材料（Low Carbon Materials）：意指能够在确保使用性能的前提下降低不可再生自然原材料的使用量。制造过程低能耗、低污染、低排放, 使用寿命长，使用过程中不会产生有害物质，并可以回收再生产的新型材料。

低碳材料在生产、使用全过程实现节能减排，是可持续和面向未来的材料。

在复合材料的大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。

结构

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。

碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa 以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。

碳纤维作为一种高性能纤维，因具有比强度高、比模量高、热膨胀系数小、摩擦系数低、耐低温性能良好…等特性而成为近年来树脂基复合材料最重要的增强材料。

用途

碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷…等基体复合，制成结构材料---碳纤维增强环氧树脂复合材料（碳纤维树脂），其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。

碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。

由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。

现在的F1（世界一级方程锦标赛）赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和结构强度

碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。

人造卫星和飞机部件都需碳纤维：据了解，碳纤维材料是一种具有很高强力和模量的耐高温纤维，是化纤的高端品种。用碳纤维制造的复合材料具有质地强而轻、耐高温、防辐射、耐水、耐腐蚀等众多优点。碳纤维复合材料中的CFRP“碳纤维增强塑料”则更是具有一般材料无法比拟的特性：它的比重是铁的五分之一，强度却是铁的10倍，刚性是铁的7倍，抗疲劳强度是铁的2倍。同时，还具有热膨胀系数小、导电性强、耐振、耐水、耐腐蚀、不易生锈、拉伸强度和抗压强度大，韧性优异等特点。

“正是因为碳纤维有这么多的优点，所以它既能用来制造航天飞机，也能用来作为iphone等高端手机的外壳。”日本超级树脂工业株式会社营业部(相当于中国企业的业务部)部长古闲森淳告诉记者。诸多优点使碳纤维复合材料被广泛应用于机械、航空航天、船舶、压力容器、医疗设备、建筑材料、机车赛车、风电叶片、油田开发、体育娱乐用品等民用以及军事领域。

在这些领域，碳纤维都可以取代金属，我们熟知的波音747客机，50%以上的材料为碳纤维，这种轻便材料的采用，可节省大量燃油。未来，汽车、赛车、摩托等零部件也将实现碳纤维材料的替换。中国科学院先进材料领域战略研究小组在就中国先进材料研究的未来方向的探讨中也提到：“2020年，高性能碳纤维主要应用于大型飞机、宇宙飞船、风力发电用叶片等领域。”

碳纤维复合材料的现实应用主要有以下几个方面：

(1)宇航工业用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层;卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件;航天飞机机头,机翼前缘和舱门等制件;哈勃太空望远镜的测量构架,太阳能电池板和无线电天线。

(2)航空工业用作主承力结构材料,如主翼、尾翼和机体;次承力构件,如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等,此外还有C/C刹车片。

(3)交通运输用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件;船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇,以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆;海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。

(4)运动器材用作网球、羽毛球和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。

(5)土木建筑幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。

(6)其它工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐;催化剂,吸附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。

优势

1、高强度（是钢铁的5倍）

2、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)

3、出色的抗热冲击性，抗热冲击和热摩擦的性能优异。

4、低热膨胀系数(变形量小)

5、热容量小（节能），比热容高，能储存大量的热能，导热率低。

6、比重小（钢的1/5，密度1.7g/cm3左右），在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200℃时可保留室温强度；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。

7、优秀的抗腐蚀与辐射性能，8、耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。

目前世界上最轻的固体材料——碳海绵

2013年3月，浙江大学高分子系高超教授的课题组制造出一种超轻物质，取名“碳海绵”，这是一种气凝胶，世界上最轻的一类物质，它的内部有很多孔隙，充满空气。

“碳海绵”可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。

2011年，美国科学家合作制造了一种镍构成的气凝胶，密度为0.9毫克/立方厘米，是当时最轻的固体材料。把这种材料放在蒲公英花朵上，蒲公英茸毛几乎没变形。高超课题组这些年一直从事石墨烯宏观材料的研发。他们用石墨烯制造出了气凝胶——“碳海绵”。“碳海绵”每立方厘米重0.16毫克，比氦气还要轻，约是同体积大小氢气重量的两倍。从当时公开的报道看，“碳海绵”是世界上最轻的固体。

这种“碳海绵”是用石墨烯制造的，研究称它可以用来处理海上原油泄漏事件，还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔前景。

“碳海绵”可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。现有吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”能吸收250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。

“碳海绵”这一特性可用来处理海上原油泄漏事件——把“碳海绵”撒在海面上，就能把漏油迅速吸进来，因为有弹性，吸进的油又挤出来回收，碳海绵也可以重新使用。

另外，“碳海绵”还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔前景。

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参考网址：

碳纤维世界

中国碳素材料网

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2.碳纤维复合材料概述 篇二

能源的枯竭和消耗所导致的环境污染, 让人类不断去寻找一种“取之不尽, 用之不竭”的能源, 太阳能光伏就随之产生了。太阳能源是一种取之不尽, 用之不碣的绿色环保新能源, 安全、清洁和无污染。在能源枯竭与能源污染越来越严重的当今, 人们希望能用可再生能源来替代那些有限的、会给环境带来污染的常规能源[1]。太阳能是一种清洁的、环保的绿色能源。在不断发展的21世纪, 大量的能源被用于制造工业产品、交通运输以及家庭。在很多的高纬度天气寒冷的国家比如美国与欧洲多国, 有30%的能源是消耗在取暖上的, 由于地理环境位置的影响, 这个数字在北方的国家会更高[2]。从服装专业角度上看, 如果能够通过以服装取暖的方面来代替在某些较为传统消耗能源大的取暖方式的话, 这将是服装对节能做出的最好的贡献。发热服装与常规的衣服不一样, 保暖的衣服是通过环境控制来减少人体热量散失而保持温暖, 而发热服装是通过将其他形式的能来进行转化变成热, 是服装能够提供热量并主动保暖[3]。经济不断发展的现在, 作为御寒保暖的服装的设计也在不断地变化着、进步着[4]。在服装上运用碳纤维原件, 给予了服装发热的特性, 可以让服装有发热高效、安全和舒适等特点, 具有很好的发展前景。

1 发热保暖的机理

保暖作为服装的基本功能之一, 是运用控制热量的传导、对流、辐射的技术来减少服装与人体间的静态空气的流动来减少热量的散失[5]。服装保暖的方式可分为两种:消极阻热式保暖和积极产热式保暖。在我们日常生活中消极阻热式保暖的服装较为常见, 即是将人体正常生理活动过程中散发的热量保持在服装与皮肤表面之间, 从而给人体保持恒定的温度补给的方式;积极保暖则是一种通过利用外界可以提高热量或是能将其他形式的能转换为热能的装置, 对人体主动加热而达到保暖的效果。

发热服装的保暖热源可分为:吸湿发热;太阳能转化为热能;电能转化为热能;化学能转化为热能[6]。

太阳能光伏是半导体的光电效应原理的应用。太阳能电池实际上是当太阳光照射到电池表面时一部分被反射, 其余部分被吸收, 吸收的光电子与内部等价电子相撞形成空穴, 再在内部电场的作用下形成新相反光生电场[7]。光伏连接负载的两端, 在连续光照条件下, 外电路电流流动, 从而形成一个电池符号, 经过串并联, 就能产生一定的电压和电流, 输出电能, 从而实现光电转换[1]。太阳能电池就是运用光伏特效应而将太阳能转换为电能的原件, 太阳能电池具有环保型和可多次使用的优点, 不会引起环境污染[8]。图1为太阳能光伏发电原理分析图。

太阳能电池连接发热线, 可以将电能转化为热能, 在某些特殊的场合可以使用, 比如贴近皮肤对特定的部位发热可以缓解疼痛或提供舒适的温度。在某些高寒地区可以利用高辐射的太阳能发热为登高运动员提供暖源, 或通过发热线发热缓慢释放某些药物达到医疗的作用。

2 国内外研究进展

2.1 柔性太阳能电池技术发展

太阳能作为国际公认的理想替代能源, 在世界范围内不断地影响着人们对能源利用的方式。太阳能类的相关产品的产量也是逐年在增加, 我国的光伏发电产业正在不断地加快着发展的步伐。我国的能源消费结构正在发生变化, 石油和其他污染的能源的使用逐步减少, 光伏发电正在迅速上升。我国拥有丰富太阳能资源和良好的开发技术, 据统计, 我国由于地理优势, 陆地表面每年都可以接收到大量的太阳能辐射, 全国各地的辐射总量可多达3350~8370MJ/cm[9]。近年来, 随着太阳能技术的全面发展, 政府方面也在不断地加大资金投入和政策的支持, 科学家们也在不断地加大科技的研发进程。世界上从事柔性衬底薄膜太阳能电池的研制生产的主要有美国的联合太阳能公司 (United Solar) 、欧洲的VHF-technologies公司、日本的Sharp公司和Sanyo公司。美国Toledo大学在柔性衬底非晶硅太阳电池领域的研究处于世界领先地位, 其单结非晶硅锗电池实验室初始效率达到了13%, 他们的技术团队参与组建了MWOE和Xunlight公司, 并在积极筹划更大的产能[1]。

目前我国的柔性衬底薄膜电池的研究也在进行当中。哈尔滨chrona公司在20世纪90年代中期曾研制出柔性聚酰亚胺衬底上的非晶硅单结薄膜电池, 电池初始效率为4.63%, 功率重量比为231.5W/kg, 但此后进展不大。近年来南开大学在柔性衬底非晶硅薄膜电池方面的研究取得了一定的进展。柔性薄膜太阳能电池是相对于常规太阳能电池来区分的。柔性太阳能电池, 是薄膜太阳能电池的一种, 而且技术先进、性能优良、成本低廉、用途广泛。它可以应用于太阳能背包、太阳能敞篷、太阳能手电筒、太阳能汽车、太阳能帆船甚至太阳能飞机上。柔性太阳能的一个重要应用领域是BIPV (Building Integrated Photovoltaic, 光伏建筑一体化) , 它可以集成在窗户或屋顶、外墙或内墙上。

薄膜太阳能电池具有低成本、低耗材的优点, 从20世纪80年代至今一直是国际学术界、产业界研发重点, 并已取得巨大发展, 当前大规模投入生产的薄膜电池主要是非晶硅薄膜电池。因此, 非晶硅薄膜太阳能电池有着巨大的发展潜力和空间。

2.2 国内外关于发热服装研究的现状

在吸湿发热保暖的纤维上, 日本东洋纺公司研发了eks纤维, 即太阳能发热保暖纤维;三菱人造丝公司于在20世纪90年代末开发了具有吸收红外线功能的Thermocatch;此外帝人、钟纺和富士纺等公司也相继开发了类似的阳光蓄热纤维Ceramino、Inserared等。在导电发热保暖材料碳纤维被广泛运用的有德国, warm X公司于2004年开发了此类的发热服装[10]。化学发热保暖是在纤维中加入化学物质将化学能转化为热能保暖。如将铁粉混入聚合物中纺丝, 利用铁粉在空气中氧化放热达到保暖目的。

现在我国的服装市场上发热服装是服装开发领域的一个“新星之子”。这几年来在市场上得到了很好的运用。华哥尔、美津侬都是先后研制发热保暖内衣和发热防寒服等。在国内也不断出现各种服装公司进行研发发热服装, 例如宁波斯纳格力服饰有限公司2010推出一款能随时充电发热的衣服;暖洋洋服饰, 在2012年也推出一系列自发热服饰等。这些新的发热服装的出现正预示着发热服装正在市场上不断地壮大。

2.3 发热纤维的国内外的研究状况

碳纤维发热保暖是导电发热保暖中的一种方式, 是利用导电纤维通电使纱线发热, 以达到保暖的效果。碳纤维是一种强度比钢大, 密度比铝小, 比不锈钢还耐腐蚀, 比耐热钢还耐高温, 又能像铜那样导电。它具有许多电学、热学和力学性能的新型材料。碳纤维具有电热转化率高、安全性好、使用寿命长、升温速度快的特点, 此外还具备发热时产生红外线的性能, 因此碳纤维发热的方式运用在服装上市广受欢迎。目前有很多公司正在研发此类的产品, 广泛地运用在保健垫、床垫和地毯等产品中。

碳纤维电热丝的优异性能体现如下。

升温迅速, 能产生人体需要的生命之光远红外线8~15μm;电热转换效率高, 节省电能, 碳纤维电热体是一种全黑体材料, 电热转化效率比金属发热提高30%, 电热效率可达100%;

抗拉强度高, 在相同的允许的电流负荷面积下, 碳纤维的强度比金属丝高6~10倍, 在使用过程中不会发生折断, 因此在电热过程中抗拉强度没有什么改变;

断线不起弧, 有效杜绝火灾的发生;

重量轻, 有效减轻构件重量, 从而提高了构件技术性能;

化学性能稳定 (耐腐蚀, 不易被氧化) 。

它也是一种节能型电热线, 采用进口高级碳纤维为发热体, 具有很高的机械强度和极长的使用寿命, 电热线重量轻、柔软, 可弯成各种形状, 易制成多种电热元件组合模块, 能方便地适用各种加热场合的需求。

2004年, 德国的Warm X公司还利用极微细的银纤维和供应电力的小型充电电池开发出内衣系列产品, 这种在外界温度非常低时也可以达到较好保温效果[7]。此外, 日本还使用聚乙烯炭黑混粉生产导热纤维。

我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维, 已有40余年了[10]。近年来, 碳纤维的生产技术和工艺上有了很大的突破, 而且已经有一定量的碳纤维生产, 例如中科院山西煤化所成功开发连续氧化碳化技术, 此外中科院北京化学所、中科院长春应用化学研究所、安徽大学、东华大学、兰州化纤和辽宁石化等科研单位和企业也先后开展了碳纤维的研究工作[11]。在“十五”期间在国家“863”项目的推动下, 国内以北京化工大学、中科院西山煤化所、山东大学作为碳纤维工程化技术研究的研发基地[12]。

3 结语

太阳能电池板吸收太阳光后集成电能经过转化后, 成为热能借助电热丝发热, 达到人们取暖、保暖、保健的目地。功能性太阳能服装不同于传统太阳能产品, 人性化程度高, 人机关系良好。随着太阳能资源的不断开发与利用, 功能性太阳能服装以其独特的性能和优势迅速地打入了市场, 是服装产业的新亮点。在此基础上, 研究利用太阳能发热的纺织面料服装有着广阔的产品市场, 既舒适又环保, 具有很好的穿着性和功能性。

摘要：太阳能是一种清洁能源, 柔性太阳能电池具有较好的柔性, 使之能使用在服装上, 利用太阳能使服装发热是一种新的尝试, 本课题组为此已经成功试制出机织和针织小样并使之成功发热。现主要阐述使用柔性太阳能电池板结合发热织物制作保暖服装的国内外研究进展情况。

关键词：柔性太阳能电池,发热碳纤维,织物

参考文献

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[11]吴英杰等.含肼的吸湿发热材料的合成与表征.[D].天津工业大学, 2011

3.碳纤维复合材料概述 篇三

一、碳纤维复合材料的优势

碳纤维与其他复合型材料相比较，自身重量更小，并且可以根据不同的使用需求对材料进行成型处理。在对航空航天领域的成品重量进行计算时，发现使用碳纤维复合材料后与同等体积的零件相比较，自重降低了500公斤。这更加验证了碳纤维材料的发展优势，飞机等航天设备自重减轻后，能够减少运行期间的油耗，对飞机外部机构也能起到保护作用。虽然碳纤维自身重量很小，但在使用过程中能够承受高温带来的影响，材料自身性质不会轻易变化，为飞机等航空航天设备的运行提供了稳定保障。

除上述优点外，碳纤维材料还具有优异的承载性能，其强度可以达到钢材料的5倍以上。这一点是其他材料很难达到的。飞机在起飞期间，需要较大的初始速度，达到一定速度后才能够顺利起飞。飞机在行驶期间也会承受空气摩擦带来的压力，因此对外层材料耐高温性能的要求极高。经过测试了解到，碳素纤维能够在2000℃的高温环境中保持性质不变，结构形状也不会发生改变。并且碳纤维化学性质稳定，不容易被氧化，应用在航天设备的外部结构中，也不会被轻易的腐蚀，这种性质也是传统复合材料中不具备的。这样能够保护飞机安全，使用解读阶段外层结构不会变形，制造成本方面也有明显的降低。

二、碳纤维的发展

大型飞行设备的自重问题一直是航空航天领域研究的重点内容，减轻飞机的自重能够更准确的控制制造成本，飞机飞行的速度也会有明显提升。因此在大型飞机制造领域中最先提出了碳纤维复合材料的理念。但此类材料技术最早研发的领域并不是航空航天，随着技术逐渐进步完善才被应用到高科技生产环节中。

制作碳纤维混合材料时，要考虑材料使用后复合的部分。最常见的是将碳纤维与树脂材料进行符合，这样成本的化学性质更稳定，并且在优点上能够互相结合，在航天飞行设备中应用广泛。碳纤维只是应用在飞机制造的部分结构中，完整的制造流程还需要金属复合材料的应用，如果的碳纤维复合材料已经能够实现与金属材料完美衔接，不对使用阶段造成影响。

三、碳纤维复合材料在航空领域的具体应用

作为一种新型的复合材料，碳纤维强度高自重小，在航空领域中以不同种形式被应用。大型客机与直升机应用最广泛，根据调查结果显示，目前应用在民用飞机中的碳纤维复合材料已经得到了80%。即使是在军事领域中也高达40%。这一数据结果表示新型材料已经得到了很好的落实，下面将针对材料应用过程中存在的不同形式进行分析。

1、碳纤维复合材料

首先是纤维复合型。自重非常小，火箭制造方面常常会使用到，能够满足高速运行状态下对材料耐高温的需求。用碳纤维复合材料制作的火箭，可以将推动力转化为运用动力，并且不会产生过大噪音。与同体积的复合材料相比较，能够减少大量的动能损耗。在飞机制造过程中应用这一技术，材料密度最大能够提升23%，对飞行速度的促进作用也不容小视。速度得到了提升，但对油品的消耗量并没有因此而增大，甚至还有明显的减少。在飞机的最外层结构中应用广泛，军用飞行设备要求体积小，飞行速度快，并且外层材料要牢固耐用。针对这一需求，碳纤维复合材料在高温成型技术帮助下完成了目标，设计制造的设备应用成本更少，整体体积也有明显的减少，能够在短时间内提升速度，外形材料在高温状态下不会受到影响。

2、碳/碳复合材料

碳/碳复合材料中加入了纤维物质，属于碳纤维材料的增强版，继承了石墨材料的优点，化学性质更稳定，使用过程中也不会受到其他物质的污染，根据不同使用方向，可以在原料中添加一些化学成分。将其制作成需要的部件形式，通常也是在热处理条件下来实现的，具有极强的可控性，一次成型后坚固耐用。机翼部分在使用中需要承受大量摩擦，一旦材料耐高温性能差便会发生形变，飞机不能正常行驶在空中，引发严重的安全事故。因此在制造过程中都会对材料高温环境中的变化进行观察，选定自重合理的材料。经过多次测试实验，发现碳/碳复合材料能够符合这一要求，并且制造成本也不会有明显的增多。

四、我国碳纤维复合材料发展现状

航空航天领域是世界碳纤维的传统市场，航空器中碳纤维复合材料的使用量未来几年将以年均12%的速度继续增长，估计将从2008年的8200吨增加至2010年的1万吨以上，2012年可达1.3万吨。碳纤维复合材料约占空客A380飞机35吨结构材料中的20%以上，包括中央翼盒、机尾组件以及压舱壁。波音787中结构材料有近50%需要使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料，包括主机翼和机身。金属结构材料采用碳纤维复合材料后不仅可以减轻机身质量，而且还可以保证不损失强度或刚度，大大提高了燃油经济性。新一代的客机将使用更高比例的碳纤维复合材料。

现阶段我国的国际竞争力在不断地增强，但是现实中存在的问题是，我国的碳纤维复合材料的发展并不能满足现实生活中的需求，作为航天航空领域的重要支柱，碳纤维复合材料的生产和研究直接关系到我国高新技术产业尤其是航天航空产业能否占领世界的科技技术前沿，因此国家的大力扶持起着相当重要的作用，不仅仅是要在资金上给予帮助，更要创造良好的环境来促进发展。在政策上给予支持，在资金上给予帮助，培育一批具有超强竞争力的企业，只有这样我国的碳纤维复合材料才能在国际上占有重要地位，才能在日后的国际竞争中处于优势。这对于我国航天航空事业的发展有着重要的作用。

小结：在全球化经济不断加速的今天，国与国之间的联系Et益紧密，相互之间的技术交流和技术竞争也在不断加强。我国在碳纤维复合材料上的发展确定了举世瞩目的成就，但是在发展中也存在着一些问题，产品质量处于低层次，生产成本过高，能耗较大，环境污染大等，因此在Et后的发展中一定要高瞻远瞩，制定好长期的发展规划，才能更好促进产业的更新研究。

4.碳纤维复合材料概述 篇四

某碳纤维复合材料发动机壳体设计研制

介绍了某直径?400 mm碳纤维缠绕复合材料发动机壳体的`设计研制.根据该发动机的结构,以石棉/丁腈橡胶为壳体绝热层材料,用网格法建立了封头和筒段等结构层的模型,并给出了发动机的纤维缠绕壳体壁厚和层数设计结果,以及芯模制作、壳体绝热层成型和壳体裙装配等主要成型工艺.工作压力、气密和爆破等水压试验结果表明,所设计的碳复合材料发动机壳体满足性能要求.

作 者：安庆升 王建昌 AN Qing-sheng WANG Jian-chang 作者单位：上海复合材料科技有限公司,上海,06刊 名：上海航天 PKU英文刊名：AEROSPACE SHANGHAI年，卷(期)：24(4)分类号：V435.22关键词：固体火箭发动机 碳纤维复合材料 壳体结构 网格法 水压试验 容积系数

5.碳纤维复合材料概述 篇五

摘要

随着汽车工业的飞速发展，减少燃料消耗和降低对环境的污染已成为汽车工业发展和社会可持续发展急需解决的关键问题。汽车的燃料消耗和二氧化碳废气的排放量与汽车重量存在密切的关系，寻找较轻且性能良好的材料代替钢制汽车零件成为一个重要的研究方向。碳纤维增强复合材料具有强度高、重量轻、耐高温、耐腐蚀、热力学性能优良等特点，碳纤维增强复合材料用于制造汽车车身、发动机零件等，可有效降低汽车自重并提高汽车性能，是当前汽车材料轻量化的重要研究发展方向之一。本文介绍了碳纤维增强复合材料的特点、成型工艺及在汽车行业的应用情况，以及碳纤维增强复合材料在汽车应用中存在的问题。

关键词：碳纤维 增强 汽车 应用

前言

现在社会汽车已成为人民出行必不可少的交通工具，在汽车给人类带来方便的同时也给环境带来了污染，汽车的燃料消耗和二氧化碳废气的排放量与汽车重量存在密切的关系，美国能源部相关研究表明，美国现有的汽车，如减重25％，每天可节省750,000桶燃油，每年二氧化碳的排放量可减少1.01亿吨，因此汽车轻量化已成为汽车工业技术发展的重要方向。除了对汽车各种零部件结构进行优化设计和改进外，采用高性能轻质材料是实现汽车轻量化的一条重要途径。如选用铝、镁、钛、高强度钢、工程塑料和复合材料等，用以制造汽车车身、底盘、发动机等零部件，可以有效的减轻汽车自重，提高发动机效率。

碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料，是目前最先进的复合材料之一。它以其质量轻、强度高、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗腐蚀材料，是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。纤维增强复合材料具有高强度、高模量，已在航天航空等领域广泛使用，是制造卫星、导弹、飞机的重要结构零部件的关键结构材料，同时也受到汽车工业广泛重视，碳纤维增强复合材料在汽车方面主要是汽车骨架、缓冲器、弹簧片、引擎零件等，早在1979年，福特汽车公司就在实验车上作了试验，将其车身、框架等160个部件用碳纤维复合材料制造，结果整车减重33％，汽油的利用率提高了44％，同时大大降低了振动和噪音。

碳纤维具有比重小、强度高、模量高、耐腐蚀等特点，可用于制造碳纤维增强聚合物、金属、陶瓷基复合材料，是先进复合材料最重要的增强体。碳纤维增强复合材料用于制造汽车车身、发动机零件等，可有效降低汽车自重并提高汽车性能。本文将简述碳纤维增强复合材料的性能特点，及其在汽车工业应用的前景和存在的问题。由于碳纤维增强复合材料的价格昂贵，严重影响其在汽车工业中的应用。因此，发展廉价的碳纤维和高效率碳纤维增强复合材料的生产方法和工艺已成为汽车轻量化材料研究中的关键课题，美国、日本等已将其列为汽车轻量化材料的研究计划。

碳纤维增强复合材料的特性

碳纤维增强复合材料以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。

碳纤维增强复合材料的成型加工技术包括碳纤维的坯体制造、碳基体的制造和基体与纤维的复合。首先，将碳纤维或碳纤维织物制成坯体，根据原料形式不同分为：长纤维缠绕法；碳毡短纤维模压或喷射成型；石墨布叠层。目前，其坯体研制以三向织物为主，三向织物以X、Y、Z方向互成90度正交排列，各方向的碳纤维在织物中保持准直，因此能较好的发挥纤维的力学性能。其次，制作复合材料的基体。碳-碳复合材料的基体有树脂碳和热解碳两种，树脂碳是由合成树脂或沥青经碳化和石墨化获得，热解碳是由烃类气体的气相沉积获得。最后，把坯体与基体复合成型。

碳纤维增强复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。

（1）具有很高的强度和弹性模量（刚性）。它的比重一般为1.70～1.80g/cm3，密度低（1.7g/cm3左右）在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200oC时可保留室温强度，强度为1200～7000MPa，；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料。纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。

（2）热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异

（3）耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部。

碳纤维增强复合材料在汽车行业的应用情况

碳纤维增强复合材料具有高强度、高模量，已在航天航空等领域广泛使用，是制造卫星、导弹、飞机的重要结构零部件的关键结构材料。由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，它也是适用于制造汽车主结构――车身、底盘最轻的材料，受到汽车工业广泛重视。主要的应用有：发动机系统中的推杆、连杆、摇杆、水泵叶轮，传动系统中的传动轴、离合器片、加速装置及其罩等，底盘系统中的悬置件、弹簧片、框架、散热器等，车体上的车顶内外衬、地板、侧门等。自从1953年第一辆全复合材料车身的汽车问世以来，复合材料在汽车上的应用不断增多。如今在汽车车身、尾翼、汽车底盘，发动机罩、汽车内饰等各个地方我们都能够发现碳纤维复合材料的身影。

碳纤维增强复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重量40～60％，相当于钢结构重量的1/3～1/6。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，结果表明碳纤维增强聚合物材料车身重172kg，而钢制车身重量为368kg，减重约50％。但由于碳纤维成本过高，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用有限，仅在一些F1赛车、高级轿车、小批量车型上有所应用，如BMW公司的Z-22的车身，福特公司的GT40车身、保时捷GT3承载式车身等，碳纤维增强复合材料以其优异的性能取得了飞速发展并且在社会各领域得到了越来越广泛的应用.增强纤维作为纤维增强复合材料的一个重要组分,其性能如何将直接影响着复合材料的应用层次,而且高性能增强纤维作为高竞争性、高赢利性品种一直是世界各大生产商乐于巨额投资的研发项目品种,它的发展及其在先进复合材料中的适应程度在目前乃至将来都有许多值得探索的地方.在先进复合材料中, 碳纤维增强复合材料是目前最常应用的高性能增强纤维之一，碳纤维复合材料具有足够的强度和刚度以及优良的综合性能，它的应用将可大幅度降低汽车自重达40～60％，对汽车轻量化具有十分重要的意义，已成为汽车轻量化材料的重要发展方向。为提高碳纤维增强复合材料的用量，美国、欧洲、日本等通过加紧研究廉价碳纤维的原丝（高品级聚丙烯晴丝）和碳纤维的低成本、高速率的生产工艺，使碳纤维的价格降低到约3美元/磅。目前碳纤维增强复合材料已用于赛车、重卡、混合动力车的各种零部件的生产。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，抗拉强度却达到钢的7-9倍，以其制造的汽车可以节约燃油30％。碳纤维最初只应用于军事、航空航天等高科技领域，随着近年来碳纤维行业的逐步发展，才慢慢向汽车以及其他民用领域扩展。

1992年通用汽车公司介绍了超轻概念车（Ultralite Concept Car），该车的车身采用碳纤维复合材料，由手铺碳纤维预浸料工艺制造，整体车身的质量为191kg。用碳纤维取代钢材制造车身和底盘构件，可减轻质量 68%，从而节约汽油消耗40%。

丰田设计的“1/X”混合动力车，由于车身骨架采用碳纤维材料，创造出百公里耗油仅2.7升的超低燃耗记录。此外，三菱EVO X极致轻量化的车身改造，均缘于大量碳纤维套件的使用，如牌照框、导风罩、散热孔罩等构件均采用碳纤维材料。

卓尔泰克（Zoltek），是美国碳纤维领先制造商，已成立一个新的子公司，称为 Zoltek Automotive（卓尔泰克汽车公司），加快对轻质碳纤维在汽车业大幅应用的领域。这个新子公司将由两位在汽车复合材料应用方面德高望重的专家领导，并有超过12名来自卓尔泰克已有业务中的工程技术人员及其面向全球的销售人员加盟。

卓尔泰克公司董事长兼首席执行官Zsolt Rumy表示：“我们一直把汽车行业看作是我们的低成本、高性能碳纤维的最大的一个潜在市场。虽然我们已积极开发车用碳纤维很多年了，Zoltek Automotive的成立则是我们将产品开发与潜在市场需求更紧密联系的一个新的开始。我们将通过Zoltek Automotive的专业技术，开发新的生产方式，帮汽车行业客户制造性价比更高的碳纤维加工产品，使碳纤维技术的应用和流程更简易高效。”

日本帝人集团的总裁，也同样对进军碳纤维市场充满信心，认为通过未来几年在车辆中使用碳纤维增强塑料（CFRP），能够帮助电动汽车车身减重一半以上。

碳纤维复合材料具有比金属材料更高的刚性和抗冲击性能，还具有极佳的能量吸收能力，进一步保证了碳纤维复合材料汽车的安全性。据介绍，碳纤维复合材料的能量吸收能力比金属材料高4-5倍左右。数年来，F1车队一直采用碳纤维复合材料制造其赛车的碰撞缓冲构件，从而显着减少了这顶级汽车运动项目中的重伤事故。

碳纤维增强复合材料在汽车中的应用存在的问题

虽然碳纤维增强复合材料具有高强度、高模量、比重小、耐腐蚀且具有较高的强度和硬度，但碳纤维增强复合材料的价格昂贵，大批量、高效率生产汽车零部件的工艺方法仍需要进一步发展、完善，严重影响其在汽车工业中的应用。除了价格因素之外，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用还存着在一些问题需要解决。存在的问题如下：

1.成本问题。碳纤维增强复合材料所用的纤维和基体材料价格高，是该材料在汽车工业广泛使用最大的障碍。生产碳纤维的原丝――聚丙烯晴丝较贵，美国正在研究以纺织商品级的聚丙烯晴丝为原丝并能够快速生产廉价碳纤维的工艺，可望将碳纤维的价格降至3美元/磅。

2.缺乏大批量、高生产效率的碳纤维复合材料汽车零部件的生产方法。

需研究能够生产多种形状和性能的汽车零部件工艺方法，由于汽车行业特点，要求工艺成本要低，生产率要高。研究发展高效、低成本的复合材料零件生产工艺意义重大。

3.缺乏复合材料的快速、大批量连接技术。4.复合材料汽车零部件的回收再利用问题。

5.碳纤维增强热固性树脂基复合材料的回收尚存在一定问题，有待解决。6.复合材料汽车零件的设计数据、试验方法、分析工具、碰撞模型等尚不完善。

结束语

碳纤维增强复合材料如此昂贵，还有发展空间吗？答案是肯定的。目前碳纤维增强复合材料在技术等各方面都取得了长足的进展，应用领域也在不断扩展，从以前主要集中在航空航天及代表科技前沿的军事领域，逐步拓展到工业应用领域，特别是近几年以来，碳纤维增强复合材料在土木工程、交通运输、纺织机械等方面的应用大幅增长，尤其在汽车上的应用大幅增加，据相关部门预测，世界碳纤维需求每年将以大约13％的速度飞速增长。谁先掌握先机的技术，研究出高效率，成本低的生产先进工艺就能占领整个市场，因此而获得巨大的经济效益。目前我们需要做的是研究高效、低成本的生产工艺，研究快速、大批量的链接技术，研究回收复合材料的回收再利用技术，完善复合材料汽车零件的设计数据、实验方法、分析工具、碰撞模型等，从这几个方面入手，碳纤维增强复合材料的成本会大大降低。

目前碳纤维材料在民用量产汽车，尤其是中档产品应用也十分广泛，很多厂商也已经开始提供碳纤维材料的小组件，如后视镜壳、内饰门板、门把手、排挡杆、赛车座椅、空气套件等，同时可以原装位安装到发动机舱的风箱、进气歧管等碳纤维改装件也是品种繁多。碳纤维材料在汽车领域的应用越来越多也越来越广泛，相信在不久的未来，汽车排放越来越“低碳”，而汽车本身则会越来越“高碳”。随着碳纤维行业的不断成熟与发展，以及节能减排和汽车轻量化大方向的指引，碳纤维材料或成汽车界“瘦身革命”的领导者。可以预见，碳纤维轻量车身必将掀起一股新的变革潮流，一个新的市场突破点正在形成。

国际上已将碳纤维复合材料在汽车中的应用列为汽车轻量化材料发展计划的关键内容，并取得了重大进展国际碳纤维市场发展迅速，需求量的不断增长也给中国碳纤维行业提供了难得的发展机遇。随着应用研究的进一步深入，未来碳纤维产品将趋向于高性能化，民用、工业用量将继续保持大幅增长趋势。受益于庞大的内需市场，碳纤维增强材料汽车零部件这一细分市场必将有巨大的增长空间。

参考文献

[1]翟国华，候培民．新世纪中国汽车工业用纤维的发展．合成纤维工业，2003，26(3)：l一4

[2]贺福.汽车工业的新型材料——碳纤维增强复合材料[J];世界汽车;1979年05期 [3]陈光大．碳纤维的应用前景．中国投资，2002．3：24～25 [4]冯美斌.汽车轻量化技术中新材料的发展及应用[J];汽车工程;2006年03期

[5]敖辽辉.高精度碳纤维复合材料模具制造技术[A];中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C];2003年

6.如何粘贴碳纤维材料 篇六

粘贴碳纤维材料是碳纤维施工中非常重要的一部分。粘贴的好坏直接影响到施工的质量，如何粘贴才是最好的呢?

在粘贴碳纤维材料之前，首先应确认粘贴表面干燥。气温在-10℃以上，相对湿度RH>85%时，如无有效措施不得施工。为防止碳纤维受损，在碳纤维材料运输、储存、裁切和粘贴过程中。应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸切断碳纤维材料，每段长度一般以不超过6m为宜。为防止材料在保管过程中损坏，材料的裁切数量应按当天的用量裁切为准。碳纤维纵向接头必须搭接20cm以上。该部位应多涂树脂，碳纤维横向不需要搭接。其施工工艺要点如下：

(1)粘贴树脂的主剂、固化催促剂和固化剂应按规定的比例称量准确，装入容器，用搅拌器搅拌均匀。一次调和量应以在可使用时间内用完为准。

(2)粘贴时，在碳纤维和树脂之间尽量不要有空气。可用罗拉(专用工具)沿着纤维方向在碳纤维材料上滚压多次，使树脂渗浸入碳纤维中。

7.碳纤维复合材料在航空领域的应用 篇七

1 碳纤维复合材料的优势

在航天领域中需要的就是要求飞行器的质量轻盈, 碳纤维复合材料的应用解决了这个难题, 在飞行器上每使用一公斤的碳纤维复合材料, 就会减轻五百公斤的重量, 这对于飞行器向更好更高的飞行空域提供了方便, 在航天器材上使用碳纤复合材料有助于减轻航天飞船以及航天飞机的重量, 可以大大的减少飞行中的燃料消耗。碳纤维复合材料由于具有很高的抗高温性能, 所以对于航天航空飞行器的外围保护起到了很大的作用。

碳纤维复合材料具有高强度的特点是钢材强度的五倍以上, 所以在航天航空领域使用上可以使飞行器更加结实坚固。在飞行器飞行初期, 有较强的初速度, 在较强初速的影响下, 空气摩擦, 在高摩擦的影响下要求飞行器必须具有抗高温的外层保护, 而碳纤维复合材料出色的耐热性可以承受两千摄氏度以上的高温, 减少高热带来的冲击。在航天飞机进入对流层时由于气温下降, 受热胀冷缩的影响较大, 这对于航天飞机的零件使用寿命会大大影响, 碳纤维复合材料有较好的低热膨胀性能, 在零部件外层涂抹会减轻零部件的变形。飞机等飞行器在高空中飞行时, 由于环境复杂, 受腐蚀和辐射性加强, 碳纤维复合材料在抗腐蚀与辐射上具有很好地性能, 大大的保护了飞行的安全。

2 碳纤维的发展

研制大型飞机要突破许多关键技术, 其中一项是“先进复合材料结构设计技术”, 这项技术离不开碳纤维。世界碳纤维的需求在各用途领域都不断增长, 特别是急速增长的航空航天领域拉动了碳纤维全体的增长。

碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合, 制成结构材料。自玻璃纤维与有机树脂复合得到的玻璃钢问世以来, 碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功, 而且性能不断得到改进, 使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。碳纤维复合材料与铝合金、钛合金、合金钢一起成为飞机机体的四大先进结构材料。

3 碳纤维复合材料在航空领域的具体应用

碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能, 在航空领越特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示, 目前, 碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70%~80%, 在军用飞机上占30%~40%, 在大型客机上占15%~50%。

3.1 碳纤维复合材料

碳纤维复合材料以其独特、卓越的理化性能, 广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天业。例如采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机、卫星、火箭等宇宙飞行器, 不但推力大, 噪音小;而且由于其质量较轻, 所以动力消耗少, 可节约大量燃料。据报道, 航天飞行器的质量每减少lkg, 就可使运载火箭减轻500kg。2007年面世的超大型飞机A380, 复合材料的密度已达23%。预计于2010年问世的A350超宽客机, 其高性能轻质结构所占比例将达62%, 成为空客公司第一架全复合材料机翼飞机。轻质“外衣”不仅能有效克服质量与安全之间固有的矛盾, 还能大幅降低飞机能耗。以A380为例, 其首架飞机每位乘客的百千米油耗不到3L, 而A350的百千米油耗预计只有2.5L/人, 几乎可以跟现在的小汽车媲美。

3.2 碳/碳复合材料

碳/碳复合材料是以碳纤维及其制品 (碳毡或碳布) 作为增强材料的复合材料。因为它的组成元素只有一个 (即碳元素) , 因而碳/碳复合材料具有许多碳和石墨材料的优点, 如密度低 (石墨的理论密度为2.3g/cm3) 和优异的热性能, 即高的热导率、低热膨胀系数, 能承受极高的温度和极大的热加速率, 有极强的抗热冲击, 在高温和超高温环境下具有高强度、高模量和高化学惰性。凭借着轻质难熔的优良特性, 碳纤维增强基体的 (C/C) 复合摩擦材料在航空航天工业中得到了广泛应用。航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料, 都会选用碳/碳复合材料。另外还大量用作高超音速飞机的刹车片, 目前, 国际上大多数军用和民用干线飞机采均用碳纤维增强基体的复合材料刹车副。

4 我国碳纤维复合材料发展现状

航空航天领域是世界碳纤维的传统市场, 航空器中碳纤维复合材料的使用量未来几年将以年均12%的速度继续增长, 估计将从2008年的8200吨增加至2010年的1万吨以上, 2012年可达1.3万吨。碳纤维复合材料约占空客A380飞机35吨结构材料中的20%以上, 包括中央翼盒、机尾组件以及压舱壁。波音787中结构材料有近50%需要使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料, 包括主机翼和机身。金属结构材料采用碳纤维复合材料后不仅可以减轻机身质量, 而且还可以保证不损失强度或刚度, 大大提高了燃油经济性。新一代的客机将使用更高比例的碳纤维复合材料。

随着新兴产业的发展和我国航天航空的不断进步, 对于碳纤维复合材料的使用将会更加的广泛, 作为世界上第一人口大国, 拥有着广阔的国内市场, 随着我国经济不断走向世界, 我国的国际竞争力也在不断地增强, 但是现实中存在的问题是, 我国的碳纤维复合材料的发展并不能满足现实生活中的需求, 作为航天航空领域的重要支柱, 碳纤维复合材料的生产和研究直接关系到我国高新技术产业尤其是航天航空产业能否占领世界的科技技术前沿, 因此国家的大力扶持起着相当重要的作用, 不仅仅是要在资金上给予帮助, 更要创造良好的环境来促进发展。在政策上给予支持, 在资金上给予帮助, 培育一批具有超强竞争力的企业, 只有这样我国的碳纤维复合材料才能在国际上占有重要地位, 才能在日后的国际竞争中处于优势。这对于我国航天航空事业的发展有着重要的作用。

结束语

在全球化经济不断加速的今天, 国与国之间的联系日益紧密, 相互之间的技术交流和技术竞争也在不断加强。我国在碳纤维复合材料上的发展确定了举世瞩目的成就, 但是在发展中也存在着一些问题, 产品质量处于低层次, 生产成本过高, 能耗较大, 环境污染大等, 因此在日后的发展中一定要高瞻远瞩, 制定好长期的发展规划, 才能更好促进产业的更新研究。

摘要：随着我国经济的不断发展, 科学技术也在不断的进步, 对于传统原材料的更新也在不断加速, 随着我国神十的成功飞行, 让我们看到了在航天领域我国取得的瞩目成就, 在成功的背后离不开我国航天工作者的辛勤劳动, 更重要的是科研工作者对于新型材料的研究, 碳纤维复合材料在航空航天中发挥了不可替代的作用, 碳纤维复合材料广泛地应用于航天航空领域, 具有无可比拟的优势, 但是在发展中也经历了相当漫长的发展过程, 本文将介绍碳纤维技术的发展、在航天航空领域的应用以及它的发展现状, 加深人们对于碳纤维复合材料技术的了解有一定的作用。

关键词：碳纤维复合材料,发展,航空航天,应用

参考文献

[1]特约记者.顾定槐;院士寄望碳纤维复合材料有突破[N].中国化工报, 2010.[1]特约记者.顾定槐;院士寄望碳纤维复合材料有突破[N].中国化工报, 2010.

[2]美联社/吴汉兴译.美国研制出单人电动隐形飞机[N].北京科技报, 2010.[2]美联社/吴汉兴译.美国研制出单人电动隐形飞机[N].北京科技报, 2010.

8.碳纤维复合材料概述 篇八

【摘 要】碳纤维是一种具有良好力学性能的新材料，在当前的很多新型结构材料的制作中有着广泛的应用。碳纤维复合新材料具有强度大、耐热性良好、抗冲击性强、变形量小、节能环保、自重较轻以及良好的抗腐蚀性，是很多对强度等级要求较高的建设工程最常用到的建设材料。现本文就来探讨在桥梁的建设施工中，碳纤维复合材料的应用问题。文章首先分析了碳纤维复合材料的基本性能，继而指出了其在桥梁结构施工和桥梁加固施工中的应用，并就碳纤维复合材料的发展前景作出了展望。

【关键词】碳纤维；复合材料；桥梁施工；加固工程

随着我国桥梁道路工程建设的不断发展，桥梁工程施工技术也得到了很大的提高。同时在科技的推动下，建设施工的新型材料也在不断研发应用，这些都是我国桥梁道路施工水平提高的体现。其中碳纤维复合材料就是其中一个具有很大优越性的现代新型桥梁施工材料，在当前的桥梁道路施工中有着极为广泛的应用。尤其是近年来，社会的发展使得车辆对桥梁的通行能力提出更高的要求，并对桥梁的荷载能力、抗压能力、耐腐蚀能力等基本性能也提出了更高的要求。为了满足这一需求，新型施工工艺和施工材料的应用就显得非常有必要。本文中主要探讨了碳纤维复合材料这种新型材料的应用工艺和发展前景，指出了在新时代的发展下，利用碳纤维复合材料进行桥梁施工是未来桥梁建设施工中的一个主要发展方向。

1.碳纤维复合材料的基本性能

碳纤维复合材料是一种具有高强度和高弹性模量的新型复合材料，其基本构成是由基体材料与增强材料相互结合而形成的，与其具有同种特点的复合材料还有玻璃纤维复合材料和芳纶纤维复合材料。这三种复合材料都是通过物理组合而实现材料性能的提升，比普通的材料要具备更大的优越性。而其中碳纤维复合材料是其中物理力学性能最好的一种复合型材料，因为在很多建设施工中都有着广泛的应用。其主要的应用方法是以替代钢筋作为结构材料的形式，目前在桥梁的张拉施工以及加固施工中也都是较为常用的施工材料。那么碳纤维复合材料的优越性能有哪些呢？现笔者将其优越性总结为下述几点：

1.1碳纤维复合材料具有比钢材高出十几倍的抗拉强度和相当钢材1～2倍的强行模量。

1.2碳纤维复合材料减震性能好，其自振频率很高，可避免早期共振，同时内阻也很大，一旦激震起来，衰减也快。

1.3碳纤维复合材料具有良好的耐久性、耐油、耐酸、耐腐蚀性能好，与生物有很好的相容性。除了强氧化剂外，一般如浓盐酸、30%的硫酸、碱等对其均不起作用。

1.4碳纤维复合材料材料是柔软的，树脂是可以流动的，其产品的形状几乎不受限制，还可以任意着色，从而达到结构形状和材料美学的高度统一。

1.5碳纤维复合材料材料施工便捷，在结构加固中，碳纤维布易成型，能够粘贴在曲面或不规则的结构表面上，考虑到其方向性，设计者可以进行裁减，使其在特定方向上达到预期的设计强度。

2.在桥梁结构施工中的应用

碳纤维复合材料在被研发成功后，是经过了一段时间方才被使用到桥梁的建设施工中的。直到上世纪的80年代，碳纤维复合材料才被应用在桥梁工程的设计施工中，并在后来的桥梁建设中迅速得到广泛应用，这是由其优良的特性来决定的。目前，在桥梁工程，尤其是在大跨度的桥梁工程中，碳纤维复合材料是最具有物理性能优势的建筑材料，在国内外的桥梁施工中都有应用碳纤维复合材料作为预应力筋的案例。

日本是第一个在混凝土桥梁中采用碳纤维复合材料绞线作为桥梁预应力筋的国家。从1988年～1992年，日本应用碳纤维复合材料材料作为预应力筋修建了一系列桥梁，为探求采用碳纤维复合材料力筋的预应力混凝土构件的承载力和耐久性，做了静载和疲劳试验。

3.在桥梁加固中的应用

为恢复和提高既有桥梁的承载能力，采用在桥梁结构受拉侧用环氧树脂粘贴碳纤维复合材料材料的加固方法，具有施工简便、加固费用低（代替钢板加固可节约资金25%）、不减少桥下净空、加固材料带来恒载增加不多等优点，并且加固施工能在不影响或少影响结构使用的情况下进行，同时可克服粘贴钢板受运输的限制、钢板锈蚀引起钢板与混凝土梁之间粘贴层损坏之不足。

在日本，碳纤维复合材料被广泛用于公路桥梁、铁路桥梁、隧道、码头、房屋建筑等结构物的加固，特别是在大地震维修工程及震后桥梁修复工程中都大量采用了碳纤维加固技术，并取得了显著的经济效益。

我国是在1997年以后正式开始对碳纤维复合材料加固修复上木建筑结构进行研究的，并在1998年以后开始了实际应用。如在某桥梁的加固工程中需重加固修复出现裂纹的T梁。在加固旧T梁工程中，共加固20m长的T梁130片，实际粘贴碳纤维240m2，共用15d完成全部加固施工，其他加固修复方法都无法在这么短的时间内完成的。T梁加固完成后，桥面开始施工，T梁受力，半年后观察加固节点，碳纤维布与T梁表面粘贴完好，无空鼓，无裂纹，取得了较满意的效果。

4.碳纤维复合材料的发展前景

碳纤维复合材料材料用于桥梁工程中也是国际土木工程界的一个热点，由于其优异的材料及使用性能，其应用范围与应用量正以惊人的速度在增长。碳纤维复合材料在我国处于科研及实用初级阶段，大规模使用还存在许多问题，如价格太高、强度不高、缺少设计规范及施工规程还很不完善等，为充分发展碳纤维复合材料在我国桥梁工程中的作用，应做好以下几个方面的工作：

4.1加快国产碳纤维复合材料大过摸生产的步伐并降低造价，提高国产碳纤维复合材料质量的稳定性，实现产品国产化。我国目前应用的粘贴树脂已实现了国产化，而碳纤维复合材料材料却依赖进口。扩大生产规模是降低成本的有效途径之一。国外一条碳纤维生产线的年生产能力均在200t以上，而我国至今还没有一条百吨级碳纤维生产线。

4.2尽快制定便于材料品质管理及品质保证的标准化试验方法，并尽快制定完善的设计与施工规范。标准化工作是一项新技术，是新材料得以健康、快速发展的基础，它不仅仅是指碳纤维复合材料材料的技术标准，而是包括材料生产、使用、检验、加固设计、计算、工程施工与验收等一系列标准化工作。否则，该项技术会有在商业利益驱动下遭夭折的危险。在这个问题上，今后几年内，国内将有更多的学校及研究单位加入到碳纤维复合材料材料研究开发中来，从而使我国在该项技术领域得到更快速的发展。

4.3加强与国际间的学术交流和技术合作。尽量避免在研究上的低水平生产与应用上的重复研究，共同促进该项技术的应用研究及发展，成立行业性或学术性组织。只有这样，才能促进该项技术的健康、快速发展。

5.结语

总之，在当代新型桥梁工程的施工中，采用碳纤维复合材料作为结构施工的重要材料是我国桥梁建设水平的一大提升，碳纤维复合材料的应用极大的提高了桥梁的强度、抗拉能力和抗腐蚀性能力，缩短了桥梁施工的时间，简化了施工技术工艺，提高了施工效率，因而碳纤维复合材料是一个值得大力推广应用的新型桥梁工程建设材料。

【参考文献】

[1]尤平若.新型建筑材料在桥梁建设中的应用[J].山西建筑，2012，（01）.

9.高性能碳纤维材料项目建议书 篇九

项

目

建

议

书

第一章研究背景

一、定义

碳纤维是先进复合材料最常用的也是最重要的增强体。碳纤维是由不完全石墨结晶沿纤维轴向排列的一种多晶的新型无机非金属材料。化学组成中碳元素含量达95%以上。

碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。碳纤维制造工艺分为有机先驱体纤维法和气相生长法。有机先驱体纤维法制得的碳纤维是由有机纤维经高温固相反应转变而成。应用的有机纤维主要有聚丙烯（PAN）纤维、人造丝和沥青纤维等。将有机母体纤维（例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青）采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下制成的，其结果是除碳以外的所有元素都予以去除。气相生长法制得的碳纤维称气相生长碳纤维。

二、行业形势

虽然当前世界经济发展面临重重危机，但碳纤维的需求仍在升温。除了传统的航空航天领域外，汽车、风力涡轮叶片及压力容器等碳纤维新市场正在兴起。据相关部门预测，世界碳纤维需求每年将以大约13％的速度飞速增长，预期2012年聚丙烯腈(PAN)基碳纤维全球需求量将达6万吨，到2018年需求量将达到10万吨。7大碳纤维制造商——东丽、东邦、三菱丽阳、SGL、Hexcel、Cytec和Zoltek，已宣布计划在未来3～5年扩产78%，总投资额为87970万欧元(13亿美元)，短期看来碳纤维会供不应求。国际碳纤维市场发展迅速，需求量不断增长给我国碳纤维行业，提供了难得进一步发展的机遇。但我国碳纤维行业基础薄弱，产业发展需要技术、人才和资金的持续投入，而且其应用领域对产品品质的要求非常严格。客观地说生产企业应量力而行，整个行业也应发出明确的信息、引导企业正确投资，使我国碳纤维产业快速健康地发展。

第二章研究内容

一、碳纤维性质

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。

综观多种新兴的复合材料（如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。

二、碳纤维的产品形式及制造工艺

碳纤维有四种产品形式：纤维，布料，预浸料坯和切短纤维。布料指的是由碳纤维制成的织品。预浸料坯是一种产品，是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料刚树脂浸泡使其转化成片状。切短纤维指的是短丝。按照不同的配比，这些产品和树脂一起应用将形成碳纤维强化塑料(CFRP)。将树脂附在纤维上可以制成压力容器和轧滚，将它们缠绕在一个芯儿上，然后进行塑化或硬化处理。这种方法被称为“缠绕成型法”。将布料放入一个模型中，然后用树脂浸泡，这就是所说的“树脂转注成型法(RTM)”。飞机元件的制造是通过在高压釜中给预浸料坯加热，加压和塑化成型而成的。将预浸料坯缠绕在一个芯儿上，然后将其加热和塑化，这就是所说的“薄片缠绕法”，用这种方法可以用来制成高尔夫球棒和钓鱼杆。

三、产品种类

1、聚丙烯腈基碳纤维

聚丙烯腈纤维制备碳纤维属于有机先驱体纤维法。即将有机纤维在200℃——400℃氧化介质（如空气、氧、臭氧、一氧化氮、二氧化氮、三氧化硫等）气氛中进行低温处理，纤维内部发生交联、环化、氧化脱氢、脱水、脱二氧化硫以及热分解等复杂的化学反应，使其变为热稳定型结构，能承受进一步高温处理，并保持现状而不熔融。此阶段是形成纤维的稳定化过程，也称预氧化。将这种纤维再在1000℃——1500℃的惰性气氛（高纯氮）中进行高温处理，此时纤维内部产生交联、环化、缩聚、芳构化等一系列化学反应。排除其中非碳原子，使碳含量达90%～96%，并形成石墨的乱层结构，即获得碳纤维。

PAN纤维分子易于沿纤维轴向取向，碳化收率（1000～1500℃）为50～55%，在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏，此外在180℃附件存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理，这些特点使其成为迄今发展高性能碳纤维最受人注目的先驱体。先驱体纤维的质量和性质是生产高性能碳纤维的前提。优质的原丝具备高纯度、高强度、高取向度、细旦化、致密化、结晶度、原丝圆形截面形状，变导系数等性能。有了制造PAN基碳纤维的方法，也有了制造技术，所以制造高性能PAN基碳纤维原丝质量又成为一个技术焦点。事实证明谁掌握了制造高质量的PAN基原丝谁就掌握了主动权。

聚丙烯腈基碳纤维的生产主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程。原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、上油、烘干收丝等工序。碳化过程主要包括放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。

2、沥青基碳纤维

沥青基碳纤维成为目前碳纤维领域中仅次于PAN基的第二大原料路线。沥青基碳纤维分为两大类：一类是通用级，由各向同性沥青制造；另一类是高性能级，由各向异性中间相沥青制造纤维。

3、粘胶基碳纤维 木材棉籽绒或甘蔗渣等天然纤维素与NaOH和CS2反应生成纤维素磺酸钠，提纯后采用一步或两步法制得粘胶，再经湿法纺丝成型和后处理等工序而制成碳纤维。

从粘胶纤维开发成碳纤维有三个主要步骤：a、低温分解过程（小于400℃）；b、炭化过程（小于1500℃）；c、石墨化过程（大于2500℃）。

由粘胶纤维热解制得的碳纤维的得率通常在10～30%，由粘胶纤维制得的碳纤维，横截面形状大多不规则，一般呈树叶状。粘胶基碳纤维主要用于耐烧蚀材料和隔热材料。到目前为止粘胶碳纤维仍占据着其他碳纤维不可取代的地位，仍是重要的战略物资。

粘胶基碳纤维产量不足世界碳纤维总产量的1%。它虽然不会有大的发展，但也不会被彻底淘汰出局。在碳纤维领域仍会占有一席之地。

4、活性碳纤维

活性碳纤维是随着碳纤维工业发展而开发的新一代多孔吸附材料，也是传统吸附材料粉状活性炭的更新换代产品，我国有许多生产厂，如山西东绿活性碳纤维厂、山西省长治市郊区霍家工业总司活性碳纤维厂、鞍山市化学碳纤维公司、辽源化工新材料厂、秦皇岛山海关金龙环保材料厂、安徽佳力奇碳纤维有限公司河北中环环保设备有限公司以及XX市活性碳纤维厂等。

生产活性特性及其制品的原料主要有粘胶丝、PAN基纤维、沥青纤维和酚醛纤维等。原料虽然不同，但生产工艺基本相似，需经前处理或稳定化、炭化和活化工序。生产原理完全不同于碳纤维。生产活性碳纤维的过程尽可能造孔，使其具有多孔结构，而生产碳纤维则不同，尽可能消除孔隙裂纹或孔洞。

5、气相生长碳纤维

气相生长碳纤维（VGCF）和螺旋形碳纤维(CCF)属于功能型碳纤维。

气相生长碳纤维（VGCF）以低碳烃类为碳源，过渡金属铁、钴、镍等及其他们的合金、化合物等超细离子为催化剂，在氢气还原性气氛中使其烃类热解（1100℃左右）成碳而制得纤维状产物。

螺旋形碳纤维(CCF)的生成过程中，催化剂是基础，助催化剂是必备条件，如果没有助催化剂的存在，则生成VGCF。催化剂是过渡金属等，助催化剂为S/P等，他们生成共晶体；助催化剂的存在可降低共晶体的熔点，有利于CCF的生成。

第三章研究方法

碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括：纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括：脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。

第四章测试研究数据来源

一、测试与标准

1、碳纤维的拉伸性能测试分单丝法和复丝法。

下面首先对于单丝法拉伸予以描述：碳纤维分离成为单纤维以后非常脆弱，剪切强度很低，稍有不慎就会断裂，因此在每次试验过程中，需要细心、耐心，不要对试样造成损伤。国际标准ISO11566《碳纤维单纤试样的测定》和日标JISR7601《碳纤维试验方法》指出了采用纸框法固定试样，当然也不排除其他方法。中国的方法标准正在制定中，但是，检测方面的论述已经有很多：苏州经贸职业技术学院、曲阜师范大学的张小英、张斌在2007年《纺织标准与质量》发表了《碳纤维拉伸性能的测试方法》，《纺织实验技术》（中国纺织出版社）《实验十五碳纤维强伸性能测试》等文章。单纤维强伸性能试验要采用能测试碳纤维的高强高模纤维强力仪，如CRE型碳纤维强力机（LLY-06E型电子碳纤维强力仪外观如图所示）。

2、试样制备

纸框法固定试样，剪取适当长度的该碳纤维试验样品，用钢针沿着纤维方向将其分离，使试验样品蓬松便于抽取。用取样盘来盛取试样，为保证测得结果的准确性，不能对碳纤维造成任何损伤。采用国外标准制作衬纸很麻烦，在试验过程中有人用电脑制图找到一个简单易行的方法。取0.1mm左右厚的打印纸做基片；按图1尺寸用Word制图，划出一个尺寸合适的框，复制满A4纸打印（图2是25mm隔距拉伸尺寸。若50mm隔距拉伸时，裁切线的长度应增加一倍）；直尺放与裁切线吻合后用刀片沿裁切线将实线部分裁除，然后两端贴上5mm宽的双面胶纸；抽取分离的单根碳纤维试验样品，沿中心虚线放上，并用双面胶纸固定。也可以用融化后的松香，将单根碳纤维“焊接”在纸框上，其“焊点”起到固定单根碳纤维的作用（试验证明：采用“焊接”方式没有双面胶纸固定方式好用，而且夹持试样时要离开“焊点”）；再用8～10mm宽的纸条，沿着裁切线宽度方向覆盖双面胶纸和试验样品端头，沿剪切线剪切分离成固定在单个纸框上的待测试样。注意碳纤维的取样比较困难，尤其处理后的碳纤维，很细，也很难分辨是一根还是两根，根据实验中曲线对比进行判断如果记录下的曲线斜率明显大于其他试样的很有可能是两根纤维，必要时可以用放大镜配合取样。

3、测试：

测试程序与仪器型号有关系。不同仪器型号其测试过程不同。下面分别用两种LLY-06E、LLY-06型单纤维强力仪的操作过程加以说明。打开仪器电源开关，设定操作程序，根据试验要求设定所需隔距，例如：25mm、50mm。

按试验要求设定试验拉伸速度（1～5）mm/min，本实验取：2mm/min，如果采用松香固定试样时，上、下夹持器夹持试样时要离开“焊点”，以免试样脱落和断裂。被测试样的一端夹持在电子式碳纤维强力仪的上夹持器上，试样另一端夹持在下夹持器上。采用恒定的拉伸速度拉伸试样，直至试样断裂。记录单次值的断裂强力和断裂伸长等技术指标，试验结束后仪器自动给出所有技术指标的统计值。和PC机联机可获得实时曲线，便于分析技术数据。

3.1、气动夹紧的拉伸试验（LLY-06E型）

将上述准备好的待测试样一端沿着裁切线宽度边缘，用上夹持器夹紧，另一端沿着裁切线宽度边缘被下夹持器夹紧，并将夹紧的待测试样两侧剪断，按“拉伸”，使下夹持器下行，试样断裂后，下夹持器自动返回。重复测试过程，做完设定次数。仪器会在试验过程中自动打印试验记录。由于夹持器没有直接夹持试样，减少了试样断裂在钳口的概率。该测试适用于气动夹紧夹持器的仪器。

如需联机，应在开启电源前接好PC接口，开启电脑、启动程序，根据要求设定数据，然后点击“实验”进入试验状态。

3.2、手动夹持器夹紧的直接拉伸试验（LLY-06型）由于社会上手动夹持、通用的单纤维强力仪较多，有人曾经在上面做过大量试验。这一类单纤维强力仪的夹持器不适合衬纸固定试样，只有用传统方式夹持拉伸，实践证明：只要仪器技术达标，虽然未曾拉伸断试样的概率比较高，细心一些也可以作，但是手法很重要。

将上夹持器取下平放在衬垫上，把一束碳纤维试验样品放在夹持器左前方；右手向右抽取一根碳纤维，左手推动夹持器（注：右手不动），配合碳纤维导入夹持器钳口内适当的长度，右手脱开试样，左手旋紧夹持器。

左手把夹持器挂在传感器的吊钩上，这时试样呈自然悬垂状态，右手轻轻将碳纤维导入下夹持器内，左手将下夹持器旋紧；按“拉伸”键下夹持器开始下行，试样断裂后下夹持器自动返回。重复此过程以完成设定次数，仪器会在试验过程中自动打印试验记录。在实验中，如果试样经常断裂在钳口，可以考虑在钳口包覆一层衬垫。需要指出的是：属于不加预张力的拉伸，预张力夹会使试样未曾拉伸先断裂，致使夹持试样失败。

4、结论:从测得数据来看出了单根碳纤维的特性：断裂强力比较小，断裂伸长率很小，拉伸曲线呈线性，屈服点和断裂点几乎吻合，如图则是碳纤维单丝拉伸曲线。

第五章市场研究

一、市场规模

我国碳纤维现阶段绝大部分依赖进口。2004年全国碳纤维用量为4000吨，2005年用量在5000吨，年增长率在20%以上，到2009年将达到7500吨/年，而国内现有生产设计能力为90吨／年，且由于国内原丝质量、生产技术及设备等原因，实际年产量仅为40多吨，无论是质量和规模与国外相比差距都很大。

我国PAN基碳纤维的研究与开发始于20世纪60年代初，“九五”以来，我国碳纤维的发展经历了规模不大的技术引进及碳纤维民用制品领域的拓展，在生产规模及产品应用方面取得了一定的进步。一些高等院校，如北京化工大学、安徽大学、中山大学等也相继开展了CF研究。但就碳纤维行业来说，还存在着很多问题，如原丝品质低下，CF性能指标与国外差距大且不稳定，小型试验性生产及CF制造成本高昂，技术上还不具备规模化生产水平等。

我国碳纤维的生产和使用尚处于起步阶段,国内碳纤维生产能力仅占世界高性能碳纤维总产量的0.4％左右,国内用量的90％以上靠进口。而PAN原丝质量一直是制约我国碳纤维工业规模化生产的瓶颈。另外,碳纤维长期以来被视为战略物资,发达国家一直对外实行封锁。因此,有关专家认为,强化基础研究是创新之本,是发展国内碳纤维工业的根本出路。

二、竞争态势

1、国外碳纤维形势分析

世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓尔泰克（ZOLTEK）、阿克苏（AKZO）、阿尔迪拉（ALDILI）和德车的SGL公司等。其中日本三大集团占世界生产能力的75%。当前世界上PAN基炭纤维正处于迅速增长的发展期：产品性能趋向于高性能化，T700S加快取代T300作通用级炭纤维；产量增加较快，1996~2000增长48.1%；航天航空和体育用品用量增加稳定，民用工业用量增幅较大，已超过前两者，特别是随着大丝束炭纤维的大规模生产，价格的降低，民用工业需求增加迅猛。世界著名的碳纤维生产企业，它们都在积极扩展碳纤维生产，继续加强其在世界市场上的主导地位，并纷纷实现从原丝到下游复合材料一体化的配套生产体制，碳纤维及其下游产品己成为这些公司的支柱产业和新的经济增长点。美国是碳纤维生产大国，更是消费大国，世界碳纤维40%以上的市场在美国。美国1996年碳纤维生产能力约为4500ｔ，其中卓尔泰克（ZOLTEK）公司1997年在美国德克萨斯州的亚平伦城和匈亚利的布达佩斯附近建了5条碳纤维生产线，1997年的总生产能力达3000ｔ左右，一跃成为世界上生产碳纤维的最大集团之一。目前，美国正在开发碳纤维复合材料的五大新市场，即清洁能源车辆、土木建筑工程、近海油田勘探和生产、风力发电机大型叶片、高尔夫球杆和球拍。这是推动美国和世界碳纤维复合材料大发展的动力。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的下降，在增强木材、机械和电器零部件、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用必将迅速扩大。除日美之外，德国、英国和韩国也具有一定碳纤维复合材料生产能力。据预测，今后十年世界碳纤维及复合材料需求量将稳定高速增长。国外碳纤维及复合材料业已步入良性循环，而我国目前尚不具备国际竞争能力。

2、国内生产厂家

目前，国内研究开发以及生产碳纤维的呼声很高，发展趋势令人鼓舞。下面分别对各地区的开发情况作一简介。

(1)上海地区。最近上海石化公司召开了碳纤维原丝发展研讨会，该公司准备投资过亿元，采用NaSCN一步法生产数千吨PAN基原丝，真正形成工业规模生产。上海星楼实业有限公司也制定了一套碳纤维产业化发展计划，拟建立400t／a大丝束碳纤维生产线，总投资也超亿元(包括下游产品)。此外，上海市合纤所采用亚砜两步法研制和小批量生产PAN基原丝以及碳纤维；上海碳素厂也有小型碳化线及碳纤维下游产品。

(2)安徽地区。“十五”期间，国家已批准在安徽蚌埠建立500t／aPAN原丝和TR 200t／a碳纤维生产线，总投资过亿元。PAN原丝采用亚砜一步法，技术由国外引进；产品以12K的T300级碳纤维为主，并准备引进成熟的预浸料生产线。华皖集团(原蚌埠灯芯绒集团公司)二期建设规模将使碳纤维产量翻一番，达到400t／a。下游产品的开发也列入发展规划。

(3)浙江地区。中宝碳纤维责任有限公司在浙江嘉兴拟建400t／a大丝束碳纤维生产线，技术和设备引进，投资数亿元，并配套300万m2预浸料。该项目国家已批准，并积极开展了前期论证和考查工作。根据国内外市场动向及投资与回报等问题，暂缓建立碳纤维生产线，而集中力量开发预浸料等下游产品。同时，还成立了浙江省碳纤维工程技术研究开发中心，全面推进碳纤维事业。

(4)广西地区。桂林市化纤总厂拟建200t／a碳纤维生产线，产品为3—12K的小8-RD丝束碳纤维，投资也过亿元。

(5)山东地区。山东省已把碳纤维列入全省十大高技术产品开发工程首位项目。

有以下几个单位从事碳纤维及其制品的研究与生产，或准备介入碳纤维事业。

●山东天泰碳纤维有限责任公司。作为国家计委示范工程将建立400t/a生产线，碳纤维性能为T300级水平，产品以12K为主。计划400t/a投产后，再翻一番到800t/a，投资超亿元。技术协作单位是山东工业大学等。同时该公司积极开发和生产多种下游产品。

●青岛将建立50t/a左右的碳纤维生产线，青岛化工学院高分子工程材料研究所(恒晨公司)的介入，引起国内同行们的极大关注。

●山东威海光威渔具集团有限公司主要从事钓竿生产，碳纤维预浸布的规格有30余种。根据发展趋势，有可能向上游即PAN基原丝和碳纤维发展。此外，山东省东营生产力促进中心也在考虑招商引资建立碳纤维生产线，认为石油等工业是碳纤维的潜在市场。

(6)北京化工大学与吉化公司树脂厂，将依靠自己的技术建立500t/a原丝和200t/a碳纤维生产线。放弃硝酸法，采用亚砜一步法技术路线生产原丝。目前，正在进行中试实验。

(7)兰化集团化纤厂已有100t/a原丝生产线和预氧化生产装置，计划配套碳化装置生产碳纤维。原丝采用NaSCN一步法。该单位的晴纶生产线是我国从国外首次引进的，有丰富的生产经验和技术积累。

(8)吉林碳素厂是我国小丝束碳纤维生产基地，已向用户提供50余吨小丝束碳纤维，为国家作出了积极贡献。目前，该厂正在建立新的小丝束碳纤维生产线，扩大产量，以满足市场需求。

(9)中科院山西煤化所研制碳纤维已有30多年历史。在70年代中期，建成我国第一条纤维中试生产线；在90年代末期，又建成我国第一条吨级粘胶基碳纤维生产线。目前该所与扬州聚酯责任有限公司共建碳材料联合实验室，研制高性能PAN基碳纤维，并准备在扬州建立产业化基地。此外，山西榆次化纤厂是我国唯一用亚砜一步法生产PAN基原丝达数十年的单位，目前仍在生产。

三、行业投资的热点

碳纤维的生产工艺短、成本构成比较简单，根据实地调研、碳纤维相关行业资料及工艺参数，可以大体测算出碳纤维原丝、碳纤维的生产成本。

根据目前丙烯腈1.3万元/吨的销售价格，我们可以大体测算出碳纤维原丝及碳纤维的生产成本，碳纤维原丝及碳纤维的生产成本分别为4.4万元/吨、18万元/吨。

目前军工级碳纤维（3-6K）的售价为200万元/吨（这一点可以从吉林东方神舟碳纤维（*ST吉碳（000928）持股100%）年产10吨碳纤维，05年实现销售收入2295万元进一步得到验证），民用碳纤维（12K）的售价为55万元/吨，而碳纤维的生产成本为18万元/吨，如以民用碳纤维为例，其毛利为37万元/吨，即便加上3万吨的营业费用和33%的所得税率，民用碳纤维的净利润也用25万元/吨，如果考虑军品售价200万元/吨和33%的所得税减免，则其吨碳纤维的净利将会达到170万元/吨。由于巨额利润的驱使，将会导至碳纤维的快速增长。且碳纤维产业是由原丝（PAN）生产再到预浸料再到具体的终端产家这么一个产业链。每一级的深加工都有高幅度的增值。

四、行业项目投资的经济性

据美国市场调研公司Lucintel统计，2008年碳纤维的产值为15亿美元，其中体育用品和休闲设备约占整个碳纤维市场的18%～20%，其余则主要用于航空航天、商业以及工业等领域。

Lucintel公司表示，全球碳纤维市值在2004～2008年的5年中一直以两位数的速度增长，预计至2014年，产值有望达到24亿美元。不过，体育用品和休闲设备在2007到2014年间的年均增长率将保持在3%左右。

据相关部门预测，世界碳纤维需求每年将以大约13%的速度飞速增长，2010年，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的全球需求量将达5万t，到2012年将达6万t，预计到2018年需求量将达到10万t。虽然2008年第3季度后世界经济发展面临重重危机，但碳纤维的需求仍在升温。有关专家预计，未来几年全球碳纤维需求仍将以年均两位数的增幅保持快速增长，市场供应短缺至少将延续到2010年。短期看来，碳纤维会供不应求，但到2015年，供应可能会超过需求。

第六章预算

1、一期投入10亿，其中试生产投入5亿，研究投入5亿，另外可从国家、当地政府部门申请专项技术研究院财政补贴预计1亿元。