碳纤维复合材料的应用和展望

2018-02-14彭鹤轩

现代盐化工 2018年5期

彭鹤轩

（天津大学材料学院，天津 110004）

1 碳纤维复合材料作用于汽车工业当中

可持续发展是目前值得重视的问题，汽车的节能减排非常有必要，利用碳纤维复合材料等轻质的材料可以达到汽车轻量化的效果。最近这些年，能源危机每况愈下，各个国家的排放法规也慢慢严格起来，在保证安全和动力的前提之下，降低油量的消耗以及减少排放是目前汽车工业当中值得解决的问题。利用各种轻质材料替代金属等传统的材料，让汽车轻量化，这是做到节能减排的一个重要方法。碳纤维复合材料是国家高科技产业发展当中的重要材料也是关键材料，碳纤维复合材料有轻质、高强度、高刚度、耐得住腐蚀等优势，越来越被汽车工业所重视。

与金属材料相比较，碳纤维复合材料有很多优点，在汽车工业上加以利用会有很多益处。碳纤维复合材料的密度小而且强度高，在车身和底盘等地方进行应用能够减少车重而且同时不损失强度和刚度，保证车辆的安全指数。较强的韧性，使其具备高抗冲击能力和吸收能量能力，有利于提升车辆的碰撞安全性能。较高的抗振性能，可以用于车身、发动机和传动系统，有很好的减震和隔音的作用，让乘客和驾驶员更加舒适。它还有耐热、耐腐蚀和抗辐射的特点，车辆具备较好的性能。碳纤维复合材料在车辆当中的应用，能够实现车辆的轻量化，也能够提高车辆的安全性和舒适程度。

在车身、底盘和承受力量的部位进行应用，能够在确保车辆安全的同时为车辆减重，在各种应用到汽车制造的材料当中，碳纤维复合材料是最轻的，尤其是与钢铁进行比较，碳纤维复合材料在重量上有更大的优势。美国的一家汽车公司在1992年就展示了利用碳纤维复合材料制造出的超轻车辆，车身的质量为191 kg，这种车辆整体的质量降低68%，节油40%。2003年，戴姆勒克莱斯勒公司研制出一辆在挡板支架采用了碳纤维复合材料的跑车，每一个支架的质量仅仅只有1.93 kg，4个复合部件总共的重量为6.1 kg，与金属制造的挡板支架系统相比较，质量减少了18 kg，而刚度提高了22%。除了这些，碳纤维复合材料作为轻质高强的材料，还可以运用在高强度承力的结构件上面，比如减震弹簧片等。

碳纤维复合材料的可靠、耐久、强度等特点，都决定着它有很大的使用价值。日本近几年在制造汽车涡轮增压器气机叶轮时开始用碳纤维复合材料取代铝合金，将叶轮的质量降低了48%，使转子惯量降低，提高加速性能，这在很大程度上缩短了涡轮增压器的响应滞后时间，在对碳纤维进行了处理之后，很大幅度地提高了碳纤维复合材料的强度，这也是碳纤维在发动机中应用的一个很好的范例。与金属材料相比较，使用碳纤维复合材料，可以省去复杂的金属模具、冲压、焊接以及喷涂时的资源消耗，用碳纤维复合材料代替金属工艺的车身，大大降低了成本，体现了碳纤维复合材料的经济特点，也强调了环保车辆的开发。

2 碳纤维复合材料在航空航天中的应用

碳纤维一般不是单独使用，而是以复合材料的形式被使用。碳纤维经过树脂固化变成新的材料，受力的是碳纤维，树脂在其中起到粘接的用途。就好比钢筋混凝土，钢筋来承受力量，而混凝土的作用则是传力黏结，起到保护钢筋的效果。在20世纪四五十年代，国外就开始对碳纤维及其复合材料进行探究研究。二战之后，美国、日本和德国对于碳纤维复合材料的研究也非常深入。我国对于碳纤维复合材料的研究长达30年。2008年，关于T300级碳纤维工业化生产流程的关键技术得到了突破，已经基本实现了国产化，部分产品能够替代进口产品。如今，T700级的碳纤维还没有大规模投入生产，T800碳纤维也在研究阶段，我国对于碳纤维及其复合材料的研究与国外相比，有着20～30年的差距。碳纤维首先被用于航空航天方面是在20世纪七八十年代，但是运用的范围很小，量也非常小，直到进入20世纪90年代中期，第三代航空装备和载人航天项目开始实施的时候，碳纤维复合材料才得到了更多运用。但由于国内缺少材料，需要依靠国外进口。直到2008年，我国启动大飞机项目，碳纤维复合材料的生产在国内才有了快速发展的趋势。虽然我国对于碳纤维复合材料的研究和利用与国外还有差距，但是我国的追赶速度和发展非常快，预计再过十几年，我国就可以赶上国外的研究和运用程度。

航空航天可以说是一个对于碳纤维进行运用的国际传统市场，最先得到运用的是航天领域，美国等发达国家依次先后开发出了碳纤维-酚醛防热复合材料、耐高温碳纤维复合材料等一系列的产品，碳纤维复合材料在其中主要运用于受力部分、耐热的部位，比如，火箭发动机的外壳、火箭发动机的喷管、火箭箭体等结构。然后，在航空领域也开始运用碳纤维复合材料，首先主要用于军用飞机的非受力的部分，比如，舵面、整流罩等地方，接着随着发展，碳纤维复合材料被用于大的非承力部位，比如整个舵面、机头、机身以及机翼等部分。

国外的碳纤维复合材料在战斗机、无人机以及直升机上面也有很多的运用，其用量已经达到或者是超过了机身总质量的50%，在军事飞机上的运量也达到了总质量的30%。波音747“梦幻航线”和空客A350XWB宽体客机上都运用到了碳纤维复合材料，其中此结构件质量也已经达到了总重量的50%。

我国在航空和航天领域对碳纤维复合材料的运用有不同之处，我国对于碳纤维复合材料的运用在航天领域发展得比较快，这与我国的探究历史也有着一定的关系。我国的航天器，比如火箭、卫星等使用周期短，碳纤维复合材料结构比重比较大，约占到20%，与国外的探究和运用水平达到了齐平的地步。我国对于碳纤维复合材料在航空航天领域的研究机构，主要以研究高校为主，比如，北航、南航、哈工大等，主要负责碳纤维复合材料研究应用的工作。产业化方面做得比较好的是中航复材。随着进一步发展，国家战略需求对这方面材料的不断增大，相关的民营企业也加入到碳纤维复合材料的探究和生产当中，其中有江苏桓神、四川新万兴等企业的加入，形成了激烈的市场竞争，相信碳纤维复合材料的研究和利用能够得到更好的发展。

3 碳纤维复合材料在高速动车组当中的利用

世界化经济贸易往来越来越频繁，城镇化水平也在一步步提高，这些都推动了我国高速铁路产业的快速发展。世界高速铁路的发展达到了一种空前的规模。我国的高速列车运营里程和列车拥有量目前在世界上占到50%以上。随着泰国、俄罗斯等国家高速列车项目的依次启动，高速列车的市场进入了一个新的发展时期，需求变得更大。为轨道交通技术的进步以及新技术、新材料的推广和应用都产生了一个良好的机遇。随着世界对于高速列车的不断完善和改进，用户们对于个性化的定制要求也呈现出一种多样化的发展趋势，用户们在对车辆速度进行要求的同时，也开始注意到列车的服务，比如，列车的环保节能方面、列车的舒适便捷方面等。利用金属材料制造的传统列车在提高速度的同时，也产生了强烈冲击、振动、噪音等问题，并且面对高原、高温、沙漠等不利环境的时候，金属材料制作的列车应对这些情况的能力较弱。铝合的列车车体存在不耐腐蚀、不易焊接等缺点，不锈钢的车体存在封闭、焊接易变形等缺点，碳钢车存在易腐蚀、非轻量化等缺点。这些传统的制造材料都不能满足现在的市场需求，不仅是因为危险性高，而且制作时技术要求也比较高。

碳纤维复合材料是一种性质稳定、值得利用的材料，它拥有更小的密度，在轻量化方面有很大的优势；拉伸强度也比较强，可以满足列车制造的各种要求。碳纤维复合材料的研制和运用首先要能够保证其稳定的性能和产能。就目前产业现状分析，国外对于碳纤维复合材料的利用更加成熟，材料也充足。国内对于碳纤维复合材料的运用正处在一个发展时期，部分材料研发水平达到国际标准。但部件的产业链不够完善，学习先进的技术，实现国产化产业链，合作并举是一个很好的方法。目前，日本、韩国以及欧洲国家在高速动车组对碳纤维复合材料进行应用方面已经取得了不少的成绩。