关键词：碳纤维；树脂基复合材料；应用及展望
引言
碳纤维称之为“21世纪新材料之王”，是国防建设不可或缺的战略材料，作为武器装备的基础性原材料，已成为国家“十三五”战略性新兴产业的发展重点。开展碳纤维材料的应用研究对于提高我国的综合国力，实现材料强国的战略方针，具有划时代的意义。碳纤维是一种含碳质量分数在95%以上的的特种纤维，具有高强质轻，耐疲劳、耐腐蚀，导电导热、电磁屏蔽性等优异性能，外形柔软，可加工成各种织物。按照加工原料的不同，碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维等。市场90%以上的碳纤维都是以聚丙烯腈纤维为原材料，在高温惰性的气体环境中，经过氧化、碳化等工艺制成的无机高分子纤维。同英国、美国、日本等发达国家相比，我国的碳纤维研发起步较晚，但在国家政策的引导下，已进入到快速发展阶段，诞生了以威海光威复合材料股份有限公司、中复神鹰碳纤维有限公司、江苏恒神股份有限公司为代表的骨干企业。目前，国产的T300，T700，T800，M40J级别的碳纤维性能及表观质量已达到日本东丽公司同级别产品的性能水平，且部分产品已应用到国防军工领域;T1000级别碳纤维已取得突破性进展，百吨级生产线可实现投产;M55J级别高强高模的制备技术已取得重大突破，部分企业正在开展工程化的技术攻关及后续生产的稳定性研究。
1碳纤维增强树脂基复合材料的概括
复合材料是指两种或者以上的不同材料通过专门的工艺和制造方法，将其进行融合而成，复合材料具有高强度、高性能等特点，被广泛应用与社会生产生活中，目前我国复合材料主要发展方向结构型复合材料。碳纤维结构较为细腻，同时也是一种新型材料，目前运用碳纤维的复合材料主要有聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维、碳纤维增强树脂基复合材料等。碳纤维增强复合材料（CFRP）是我国当前最先进的复合材料之一，其最大优势是可以兼顾碳纤维与基体性能，同时也是一种能优化工程结构、具有高强性能的功能性材料之一。其具有耐高温、耐腐蚀、高强度、轻质、可塑性强等特点，在汽车、航空、军事、卫星等方面应用较多。随着时代复合材料合成技术不断完善，现阶段碳纤维增强树脂基复合材料只在人造卫星、航空航天、军事、汽车、船舶等方面得到了应用，而在其他领域应用较少，主要原因是因为其价格较昂贵。
2CFRP的特点
CFRP属于各向异性材料，与金属类其他材料相比，其某些性能更为优异。（1）低密度。CFRP密度仅为1.5~2g/cm3，相比金属、金属合金而言，其密度大大降低。（2）比强度、比模量高。其比强度是钢材的5倍，而其比模量则是其他结构材料的1.2倍左右，这充分说明了CFRP在轻质高强方面的优越性。（3）耐高温性能好。在400℃时，铝合金的弹性模量近似为0，强度也急剧下降，而CFRP的强度和弹性模量基本无变化。（4）良好的耐疲劳性能。金属材料的疲劳强度极限通常为拉伸强度的40%~50%，而CFRP的疲劳极限可以达到拉伸强度的70%~80%。（5）良好的抗腐蚀性。CFRP的表面是一层高性能的树脂材料，故其具有良好的耐酸、耐碱及耐油等性能。（6）材料的可设计性。CFRP的各向异性给设计带来较多的可选择性，可通过选择合适的铺层方向和层数以获得具有相对最佳性能的CFRP。
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3碳纤维增强树脂基复合材料的应用及展望
3.1在汽车领域中的应用
随着时代的不断发展，现阶段汽车设计制造向轻质化、高性能化的方向发展，已经成为汽车行业发展的主流方向。而碳纤维增强树脂基复合材料的性能以及特点恰巧符合汽车行业的发展方向，在保证汽车轻质化、高性能化的前提下，还能增加汽车的整体安全性和舒适性，所以在汽车行业中的得到了广泛应用。早期的碳纤维增强树脂基复合材料没有得到广泛应用的主要原因是其价格比较昂贵，随着我国在复合材料方面的技术不断进步，碳纤维增强树脂基复合材料的合成技术逐渐完善，我国已经能够自主研发制造高性能复合材料，所以其成本逐渐降低，因此在汽车行业以及其他制造业中得到了广泛应用。在汽车行业中，碳纤维增强树脂基复合材料主要用于制造发动机零件、车顶、车底盘、轮毂、转动轴、刹车盘的等汽车重要零部件。目前在赛车、高档轿车如奥迪、奔驰、宝马等品牌汽车制造中已经开始采用这种碳纤维复合材料。但是由于汽车行业中运用的碳纤维增强树脂基复合材料较多，虽然其成本较以前有所降低，但是仍存在应用成本高、制造周期长等问题，所以目前只应用到高档汽车制造中。
3.2CFRP在抽油杆及钻井平台中的应用
全球机械自动化采油井数为总生产井数的90%，而80%左右的机械自动化采油井都采用杆泵抽油模式，其中抽油杆是该系统中的关键部件之一。传统金属抽油杆质量大、耐腐蚀性和抗疲劳性能较差，如果不能及时对金属抽油杆进行维护，则可能在采油过程中发生事故。CFRP抽油杆是近年来兴起的一种新型柔性抽油杆，与传统抽油杆相比，其具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温及操作速率快等优异性能。据统计，我国井深在2500m以上的油井约占总井数的10%，特别是新疆沙漠地带的油田，井深都在2500m以上，并且井矿中除了酸盐、碱盐外，还出现了硫化氢和氯化氢等腐蚀性气体。而采用CFRP制作的抽油杆完全可以应用在这些苛刻环境中，使采油作业效率大大提高，其在超深井和腐蚀井原油开采中得到广泛应用，这也是现代石油开采技术的一大突破。随着海上油气田的不断开发，CFRP在深海（900~3000m）油田中的应用倍受关注。由于钢材的密度为6g/cm3左右，一个2000m水深的海上钻井平台，其钢制系缆的质量达8500t，从而给海上钻井平台带来了极大的载重负荷；同时钢材在海水中耐腐蚀性差，造成海上钻井平台的钢制系缆的工作寿命仅为2~3年，从而给海上钻井平台增加了成本。CFRP具有质量轻（密度是钢密度的1/4）、模量高（比模量是钢材的1.2倍）、强度大（比强度是钢材的5倍）、耐腐蚀性强、抗冲击性佳和热膨胀系数低等优点，因而可广泛应用于海上石油钻井平台结构。
3.3喷射成型工艺
喷射成型是通过喷枪将短切纤维和雾化树脂同时喷射到开模表面，经辊压、固化制取复合材料制件的方法。它是为改进手糊成型而创造开发的一种半机械化成型技术。喷射成型对原材料有一定的要求。如树脂体系的黏度应适中(0.3～0.8Pa·s)，容易喷射雾化、脱除气泡、润湿纤维而又不易流失以及不带静电等。制品纤维含量控制在28%～33%，纤维长度25～50mm。其优点是生产效率比手糊提高2～4倍，劳动强度低，可用较少设备投资实现中批量生产，材料成本低；制品整体性好，制件的形状和尺寸不受限制；可自由调节产品壁厚、纤维与树脂比例。主要缺点是现场污染大，树脂含量高，制件的承载能力低。
结语
综上所述，碳纤维增强树脂基复合材料之所以被广泛应用，主要原因是其具有轻质、高强度、高性能、综合性能强等特点。在航空领域、汽车领域、船舶领域以及新能源工业制造领域，通过运用碳纤维增强树脂基复合材料能够显著提升其产品的安全性、增加产品的质量，对行业的发展起到很好的推进作用。
参考文献
[1]胡良全.碳纤维复合材料应用与产业机遇[C]//2011中国功能材料科技与产业高层论坛论文集（第二卷）.重庆：中国仪器仪表学会，2011.
论文作者:张金玲 王玉红 白杨 姜岩岩
论文发表刊物:《科学与技术》2019年20期
论文发表时间:2020/4/17
标签：碳纤维论文; 复合材料论文; 树脂论文; 材料论文; 性能论文; 强度论文; 高性能论文; 《科学与技术》2019年20期论文;