碳纤维复合材料

在复合材料大家族中,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。

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。

在天然气领域的应用

压缩天然气（Compressed NaturalGas,CNG）在我国应用较为广泛,用起来比较安全,成本低、无污染,是比较理想的能源。气瓶是CNG的储存容器,是CNG的关键部件,是合金钢瓶或复合材料气瓶均可。

相对于钢瓶而言,碳纤维复合材料气瓶破损安全性好,当复合材料气瓶超载时可能发生少量纤维断裂,此时压力载荷会迅速在未破坏的纤维上重新分配,不致使气瓶在短期内超过承载能力。

在风电领域的应用

风电的价格与风机功能是有关的,在一定范围内它们成反比例的关系,也就是说电机功率越大,单位发电的成本也就越低。风力机的关键部件之一就是叶片,而叶片的长度对风机的功率起重要作用。

提高发电机的功率对叶片的长度、质量、材料强度有很高的要求。在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时,采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。

目前全球已经有不少的公司已经开始应用,如：德国叶片制造商采用了碳纤维新制造的56m长,5MW风机叶片。加上新型成型的加工技术支持,碳纤维复合材料在电力生产中一定会发挥起来越重要的作用。

此外,碳纤维复合导线输电导线中也存在巨大的潜在市场,碳纤维复合导线可以提高输送电能的效率,也是能源利用的重要领域。

在电动汽车领域的应用

复合材料加工能耗低、且轻质高强、成型工艺性好,已然是汽车工业以塑代钢的理想材料。目前,汽车工业空前兴盛,但也正面临资源和环境的巨大挑战,如何推进汽车轻量化达到降低油耗的目的,是汽车工业发展的主题。

正因为碳纤维复合材料拥有热固性和热塑性,因此可适用于不同的汽车部件。在国际上,碳纤维复合材料已经应用于汽车的包括车身部件、动力部件等各个部件。值得提出的是,实现在汽车上真正大规模应用碳纤维复合材料,需要突破很多关键技术。

在石油领域的应用

石油是一种非常宝贵的能源,也是有限且不可再生的能源,当今综合国力竞争的重要因素。在我国,机械采油井数占总生产井数的90%以上,在其中80%是采用传统的杆泵抽油模式。

这种金属抽油杆存在着大重量、易腐蚀、低疲劳性能,采油事故发生率高的缺点,而采用碳纤维复合材料连续抽油杆克制了这些缺点,具有高强、轻质、耐腐蚀、耐磨损的特点,大大提高采油效率,应用前景十分广泛。

不可忽视的是,深海油气开采是当今世界石油开发的趋势,且我国深海油较丰富,更好更快地开发深海油气也是我国当前石油战略发展的重要课题。

目前,我国开采海域深度已经达到1500~3000m,深度不断加深给原有的开采设备和技术带来了难以攻克的技术难题。由此可见在深海油气开发领域,碳纤维复合材料构件的研发是未来必然发展的方向​。

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。

4、低热膨胀系数(变形量小)。

5、热容量小（节能）。

6、比重小（钢的1/5）。

7、优秀的抗腐蚀与辐射性能。