一、概述

        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、耐磨擦、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。如图1碳纤维经编机。

        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。

        碳纤维的性能特点可归纳如下：

        1.碳纤维的密度是钢的7.8倍，是铝的2.7倍；

        2.碳纤维复合材料的抗疲劳和硬度优于玻璃纤维复合材料；

        3.铝相比较，碳纤维的强度是铝的7倍，且比铝轻1.5倍。

        其主要优点有：

        1.纤维屈曲程度较小，利于发挥纤维性能；

        2.铺覆性、工艺性好；

        3.改善复合材料的冲击性能（尤其CAI）和损伤容限；

        4.制造工艺简单，成本低。

               

二、碳纤维的在复合材料中的应用 

        碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。 

        碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。 

        由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。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。

        碳纤维主要运用在以下几个行业，如图2：

        －风电叶片＞3.5兆瓦；

        －汽车；

        －造船、游艇；

        －航空。
         

        2.1 碳纤维在风电叶片中的应用

        在风力发电领域，经编复合材料是制造风力发电叶片及其它重要结构部件的主要材料，叶片90%以上重量由复合材料组成。采用碳纤维NCF织物制备的复合材料风机叶片，具有质量轻、强度高、刚性好的优点，能够满足开发大型化、轻量化、高性能、低成本的发电叶片的要求，如图3所示为风机叶片，图4为叶片结构。

        

        图3  采用碳纤维NCF织物制造的复合材料风机叶片
        

                               图4  叶片结构

        2.2 碳纤维在汽车中的应用

        汽车、交通也是经编复合材料一个很大的应用领域，碳纤维NCF织物在汽车上主要用于制造车体、发动机引擎、保险杠、板簧等结构，其独特的性能以及可预设性，不仅减轻了车体重量，节省了燃料，而且极大地提高了性能。如图5、图6分别是采用碳纤维NCF织物制造的汽车车体和各种汽车零件。

        

        

        图5  碳纤维NCF织物制造的复合材料车体

        

 

        2.3 碳纤维在游艇中的应用

        碳纤维复合材料稳固性好，轻质高强，可用来制造船艇的船身、舱壁、甲板、上部结构、桅杆、船帆等，造船业是目前经编复合材料应用最大的市场，如图7所示实物展示。

        

        2.4 碳纤维在大飞机上的应用

        航空航天是最早应用经编复合材料的领域，如采用碳纤维经编复合材料制造的A300和A330的翼梁，A400军用运输机的后舱门以及A380的坐窗。

        树脂基复合材料预浸料/热压罐成型工艺高的制造成本，是制约复合材料结构推广扩大应用的重要因素之一，但同时又促进推动了非预浸料和/或非热压罐成型工艺的开发研究。预成型体/复合材料液体成型工艺（Liquid Composite Molding，LCM工艺）脱颖而出，在大飞机复合材料结构制造上得到了成功应用。

        预成型体制备是预成型体/LCM工艺的关键。预成型体需要满足大飞机主结构对纤维铺层方向、比例和顺序的要求，同时还必须满足高碳纤维体积含量的要求。如图8、图9所示分别为RTM工艺原理图和RFI工艺原理图。

        

        碳纤维经编织物以其独特的编织方式，保持了碳纤维平直，满足铺层方向、比例和顺序的要求，同时，编织物整体性好、铺层效率高，经编方式使织物铺贴性好，满足LCM工艺和结构件构型要求，而得到成功应用，如图10所示。