横空出世的碳纤维
高性能纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐气候、耐化学试剂等特性,是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。高性能纤维品种较多,目前已规模化生产的有碳纤维、芳纶纤维等,既可作为结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用,是性能优越的战略性新型材料。
目前,高性能纤维中碳纤维是大规模生产的一个品种,具有较高的比强度、比模量和较小的体积质量。碳纤维既具有碳材料的固有特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,具有优异的力学性能,近年来被广泛应用于航空、航天、汽车、化工、能源、交通、建筑、电子、体育运动器材等领域。
碳纤维的起源最早可追溯至1860年，英国人瑟夫·斯旺在制作电灯灯丝时发明了碳纤维并获得了专利。碳纤维真正迎来研究应用“井喷”阶段，还是20世纪50年代之后的事。1958年，美国研究人员首次发现了高性能碳纤维，日本和英国研究人员紧随其后，对碳纤维的性能进行改进升级。到20世纪70年代，碳纤维材料开始在战斗机结构件上崭露头角，F-15、B-1、F-16以及F-18等战斗机上都能看到碳纤维材料的身影。除美国空军的F-22和F-35战斗机大量采用碳纤维复合材料外，X-47B、“全球鹰”等装备更是借助碳纤维材料，实现了有效载荷、续航能力和生存能力的大幅度提升。
用“坚如磐石、韧如发丝”来形容碳纤维材料毫不为过。别看碳纤维材料像纺织纤维一样柔软可加工，却是一种强度比钢大，且耐腐蚀、耐高温、导电导热性好的新一代高性能材料。人们平时接触最多的碳纤维材料自行车，就是借助了碳纤维材料没有塑性形变的特性，不但减轻了车身重量，更大大提升了自行车的使用寿命。
高性能之王
制备及分类
碳纤维的制备目前是采用一些含碳的有机纤维(如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等)做原料,将有机纤维与塑料树脂结合在一起,放在稀有气体的环境中,在一定张力、温度、压强下,经过一定时间的预氧化、碳化和石墨化处理等强热过程制成。
碳纤维按原丝类型可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维和酚醛基碳纤维四类。PAN基碳纤维是目前制备碳纤维的第一大原料,其产量约占世界总产量的95%左右。沥青基碳纤维约占4%,粘胶基碳纤维约占1%,酚醛基碳纤维尚处于实验室研究,未形成产业化。
性能特征
碳纤维的抗拉强度一般都在3500MPa(1.2N/tex～1.9N/tex)以上,比钢材(0.35N/tex)大4倍～5倍,比强度为钢材的10倍左右,高模碳纤维抗拉强度比钢材大68倍左右。碳纤维的弹性模量在230GPa以上,比钢材(200GPa)大1.8倍～ 2.6倍。碳纤维性能独特,例如其热膨胀系数较小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂。同时碳纤维导电性好, 25℃时高模量碳纤维电阻率为7.75× 10- 2Ψ·m,高强度碳纤维为1.5× 10- 1Ψ·m。碳纤维耐高温和低温性也较好,在3 000℃非氧化环境下不融化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,不脆化;在600℃高温下其性能保持不变,在-180℃低温下仍很柔韧。碳纤维的耐酸性较好，此外还耐油、抗辐射、抗放射,具有吸收有毒气体和使中子减速等特性。碳纤维的可加工性能较好,由于碳纤维及其织物质量轻又可折可弯,可适应不同的构件形状,成型较方便,可根据受力需要黏贴若干层,而且施工时不需要大型设备,也不需要采用临时固定,而且对原结构又无损伤。不同品种,高模、高强碳纤维的性能如表1所示。
“上天下海”发展前景广阔
伴随着相关技术的日渐成熟和武器装备需求的不断加大，碳纤维材料的应用也日趋完善。具备轻质、高强度、耐化学腐蚀等诸多优点的碳纤维材料，势必全面进军武器装备领域，实现“上天下海”，发展前景广阔。
在航空制造领域，碳纤维材料的应用早已不可或缺。F-35战斗机飞行头盔主体就全部使用了高性能碳纤维材料，可将空速、航向、高度、目标信息和雷达警告等直接投射到头盔的面罩上，为飞行员提供了前所未有的态势感知能力。2015年开启全球飞行之旅的“阳光动力2号”太阳能飞机，整体结构的80%都采用了碳纤维材料做“保暖外衣”，在飞行过程中还节约出了更多的动力。除满足机体减重和特殊性能需求外，能有效吸收雷达波的碳纤维材料还为战机披上了“隐身外衣”。美国B-2轰炸机的机身和F-117A战斗机也都采用了碳纤维吸波材料。在民用航空领域，B787 飞机 上，复合材料的用量占到全机结构总重量的 50%，是世界上第一款采用复合材料机翼和机身等主承力结构件的大型商用喷气式客机。由于大量采用复合材料而使飞机的结构重量大幅度降低，燃油效率可提高 20%。欧洲空客公司的A380 超大型客机复合材料用也达到了25%。
碳纤维材料不仅能上天，还能下海。美国“福特”号航空母舰就大量使用碳纤维材料来“瘦身”，瑞典皇家海军“维斯比”级隐形护卫舰采用碳纤维材料，不但具有很高的强度和耐用性，还具有优良的抗冲击性能。印度海军在制造“吉尔坦号”和“卡瓦拉蒂号”护卫舰时，也曾专门从瑞典进口碳纤维材料。
此外，碳纤维增强树脂（CFRP）在汽车电动汽车领域也有很大的应用。英国材料系统实验室关于材料对汽车轻量化和降低生产成本的研究表明，汽车质量每减轻10%，油耗可降低6%。现有材料中，CFRP的轻量化效果最好；加之，汽车设计和复合材料技术的快速发展。这些都使得CFRP在汽车制造领域的应用速度远远超出人们的预期。2012年，兼具高能效和更优异运动跑车性能的BMWi8概念车推出，其采用CFRP、铝和钛等轻质材料，实现了突破意义的减重；同年，全新BMW i3电驱动系统（eDrive Propulsion System）推出，实现了零排放。
体育休闲用品也是CFRP最早进入市场化的应用领域。随着性价比的提高，这一领域已形成了对CFRP的稳定需求，具体表现在滑雪板、滑雪手杖、冰球杆、网球拍和自行车等方面。
结束语
碳纤维复合材料自兴起以来，在技术、工艺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，碳纤维复合材料在土木工程、交通运输、压力容器、石油开采、纺织机械等方面的应用大幅增长，更有新开发的应用领域不断见诸报道。如利用碳纤维复合材料制造人工韧带、人造假肢和人造骨骼，作为航天光学遥感器结构件等。与国外的发展相比，国内的碳纤维工业化生产还处于相对较低的水平，没有形成规模，碳纤维的需求与生产供应之间脱节。而从国外的发展经验来看，碳纤维是一种可以形成庞大产业带的基础产品，并随其成本的降低而在金属、陶瓷、玻纤等材料的传统应用领域得到广泛应用。同时因其高科技含量，又可在一定时期形成相对垄断产品。因此，碳纤维及其复合材料的开发，可带来长期、稳定的投资收益。
参考文献
[1]张新元,何碧霞,李建利,张元.高性能碳纤维的性能及其应用[J].棉纺织技术,2011,39(4)
[2]梨小平,张小平,王红伟.碳纤维的发展及其应用现状[J].高科技纤维与应用,2005,30(5)
[3]唐见茂.碳纤维树脂基复合材料发展现状及前景展望[J].航天器环境工程，2010,27（3）
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