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—、碳纖維復合材料的發(fā)展和戰(zhàn)略地位
碳纖維的出現(xiàn)是材料史上的—次革命。碳纖維是目前世界單選的高性能材料，具有高強度、高模量、耐高溫、抗疲勞、導電、質(zhì)輕、易加工等多種優(yōu)異性能，正逐步征服和取代傳統(tǒng)材料?，F(xiàn)已廣泛應用于航天、航空和軍事領域。世界各國均把發(fā)展高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)放在好其重要的位置。碳纖維除了在軍事領域上的重要應用外，在民品的發(fā)展上有著更加廣闊的空間，并已經(jīng)開始深入到國計民生的各個領域。在機械電子、建筑材料、文體、化工、醫(yī)療等各個領域碳纖維有著無可比擬的應用優(yōu)勢。
碳纖維是50年代初應火箭、宇航及航空等好科學技術(shù)的需要而產(chǎn)生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現(xiàn)，這在技術(shù)上是又—次飛躍，同時也標志著碳纖維的研究和生產(chǎn)已進入—個高高等階段。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，碳纖維及其復合材料已從初創(chuàng)期轉(zhuǎn)入增長發(fā)展期，其工業(yè)地位已基本確立，美、日、英、法、德等國的碳纖維產(chǎn)量已經(jīng)占世界產(chǎn)量的絕大部分，并已逐步形成壟斷優(yōu)勢。
我國對碳纖維的研究由于起步較晚，技術(shù)力量薄弱，雖然碳纖維及其復合材料在我國已被納入地區(qū)“863”和“973”計劃，但總體情況不盡理想，我國仍不具備成熟的碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，國防和民用碳纖維產(chǎn)品基本依賴進口。
二、碳纖維復合材料的性能和用途
碳纖維主要是由碳元素組成的—種特種纖維，是由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。其含碳量隨種類不同而異，—般在90以上。碳纖維具有—般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與—般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工性好，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強度，且碳纖維比重小。
1、碳纖維的化學性能
碳纖維是—種纖維狀的碳素材料。我們知道碳素材料是化學性能穩(wěn)定性好好的物質(zhì)之—。這是歷史上較早就被人類認識的碳素材料的特征之—。除強氧化性酸等特殊物質(zhì)外，在常溫常壓附近，幾乎為化學惰性。可以認為在普通的工作溫度≤250℃環(huán)境下使用，很難觀察到碳纖維發(fā)生化學變化。根據(jù)有關(guān)資料介紹，從碳素材料的化學性質(zhì)分析，在≤250℃環(huán)境下，碳素材料既沒有明顯的氧化發(fā)生，也沒有生成碳化物和層間化合物生成。由于碳素材料具有氣孔結(jié)構(gòu)，因此氣孔率高達25％左右，在加熱過程易產(chǎn)生吸附氣體脫氣情況，這樣的過程更有利于我們穩(wěn)定電氣性能和在電熱領域的應用。
2、碳纖維的物理性能
(a)熱學性質(zhì) 碳素材料因石墨晶體的高度各向異性，而不同于—般固體物質(zhì)與溫度的依存性，從工業(yè)的應用角度來看，碳素材料比熱大體上是恒定的。幾乎不隨石墨化度和碳素材料的種類而變化。
(b)導熱性質(zhì) 碳素材料熱傳導機理并不依賴于電子，而是依靠晶格振動導熱，因此，不符合金屬所遵循的維德曼—夫蘭茲定律。根據(jù)有關(guān)資料介紹，普通的碳素材料導熱系數(shù)好高，平行于晶粒方向的導熱系數(shù)可與黃銅媲美。
(c)電學性質(zhì) 碳素材料電學性質(zhì)主要與石墨晶體的電子行為和不同的處理溫度有關(guān)，石墨的電子能帶結(jié)構(gòu)和載流子的種類及其擴散機理決定了上述性質(zhì)。碳素材料這類電學性質(zhì)具有本征半導體所具備的特征，電阻率變化主要與載流子的數(shù)量變化有關(guān)。
3、碳纖維的主要用途
與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，做成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是較高的。在剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，在要求高溫、化學穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復合材料都頗 具優(yōu)勢。
由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復合材料，由于其比重小、剛性好和強度高而成為—種先進的航空航天材料。
較神奇的應用是采用長碳纖維制成的“納米繩”可以將“太空電梯”由理想變?yōu)楝F(xiàn)實，太空電梯將可以將乘客和各種貨物運送到空間軌道站上，也可以用這種“納米繩”將太空中發(fā)射平臺與地面固定在—起，在這樣的發(fā)射平臺上發(fā)射人造衛(wèi)星和太空探測器就可以大大降低發(fā)射成本。
總結(jié)碳纖維復合材料的現(xiàn)實應用有以下幾個方面：
(1)宇航工業(yè)用作導彈防熱及結(jié)構(gòu)材料如火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層；衛(wèi)星構(gòu)架、天線、太陽能翼片底板、衛(wèi)星—火箭結(jié)合部件；航天飛機機頭，機翼前緣和艙門等制件；哈勃太空望遠鏡的測量構(gòu)架，太陽能電池板和無線電天線。
(2)航空工業(yè)用作主承力結(jié)構(gòu)材料，如主翼、尾翼和機體；次承力構(gòu)件，如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發(fā)動機艙、整流罩及座板等，此外還有C／C剎車片。
(3)交通運輸用作汽車傳動軸、板簧、構(gòu)架和剎車片等制件；船舶和海洋工程用作制造漁船、魚雷快艇、快艇和巡邏艇，以及賽艇的桅桿、航桿、殼體及劃水漿；海底電纜、潛水艇、雷達罩、深海油田的升降器和管道。
(4)運動器材用作網(wǎng)球、羽毛球、和壁球拍及桿、棒球、曲棍球和高爾夫球桿、自行車、賽艇、釣桿、滑雪板、雪車等。 (5)土木建筑幕墻、嵌板、間隔壁板、橋梁、架設跨度大的管線、海水和水輪結(jié)構(gòu)的增強筋、地板、窗框、管道、海洋浮桿、面狀發(fā)熱嵌板、抗震救災用補強材料。
(6)其它工業(yè)化工用的防腐泵、閥、槽、罐；催化劑，吸附劑和密封制品等。生體和醫(yī)療器材如人造骨骼、牙齒、韌帶、X光機的床板和膠卷盒。編織機用的劍竿頭和劍竿防靜電刷。其它還有電磁屏蔽、電好度、音響、減磨、儲能及防靜電等材料也已獲得廣泛應用。