碳纤维及其复合材料

加速、滑行、拉杆、离地、飞入云霄——2017年5月5日，C919成功首飞。为减轻飞机结构重量，C919中型客机采用大比例先进金属材料和复合材料，其中复合材料占比20%。

图1 C919中型客机

先进复合材料专指可用于主承力结构或次承力结构，其刚度和强度相当于或超过铝合金的复合材料。从技术成熟程度与应用范围来看，碳纤维复合材料，尤其是树脂基碳纤维复合材料最为突出。其性能特点如下：

(1)高比强度和比模量，相当于传统材料的4～5倍；

(2)各向异性和可设计性良好；

(3)抗疲劳特性良好；

(4)由于层面吸能和夹层结构，减振性良好；

(5)易于大面积整体成型。

碳纤维是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维。耐高温居所有化纤之首，同时具有抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。

20世纪50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要加之前驱纤维炭化工艺的出现使得碳纤维工业化成为现实。随着尖端技术对新材料性能要求的日益苛刻，科技工作者在碳纤维生产技术上不断攀升，80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现。

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，尤其是民用飞机碳纤维复合材料用量在近几十年的增长速度十分迅速，从1980年,波音公司B757、B767复合材料用量占比4%，发展到1993年空客A340复合材料用量占比14%，再到目前,空客公司A350复合材料占比已达到52%。碳纤维复合材料在民用飞机上的用途不仅是作为飞机制造的基础材料更重要的是作为结构件。以波音787为例，碳纤维复合材料用作装饰件的占比为30%，用作结构件的占比为70%，其使用涉及整个机身、机翼、垂尾、舱门等重要结构。

图2 碳纤维复合材料作为结构件应用

除了航空航天领域，碳纤维及其复合材料还走进了人们的生活，体育器械、纺织、化工机械及医学领域等处处可见其身影。我们日常娱乐使用的羽毛球拍、钓鱼竿、游艇，出行使用自行车、高端汽车、F1赛车，生产使用的驱动轴、工业机器人，医学上的牙体修复、再生医疗和创伤治愈、骨骼修复材料等碳纤维及其复合材料不断发展，更加贴近人们的日常需求。