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杨玉梅/文
【摘要】碳纤维复合材料是由有机纤维经过一系列热处理转化而成，含碳量高于90%的无机高性能纤维，是一种力学性能优异的新材料，具有碳材料的固有本性特征，又兼备纺织纤维的柔软可
加工性，是新一代增强纤维。碳纤维复合材料是国家高科技产业发展当中的重要材料也是关键材料，
碳纤维复合材料有轻质、高强度、高刚度、耐得住腐蚀等优势。其被广泛应用在航天领域、航空领域、
汽车、体育休闲等领域。本文主要介绍碳纤维复合材料在各领域的实际应用情况。
【关键词】碳纤维；碳纤维复合材料；应用
碳纤维是一种高性能的纤维材料，
结构取决于原丝结构和碳化工艺，具
有高比强度、高比模量、耐高温、抗化
学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导
电、传热和热膨胀系数小等一系列优异
性能，同时，碳纤维复合材料具有高比
强度、高比模量、高比吸能（有效破坏
长度内单位质量吸收的能量）等优异的
综合力学性能，其质轻的特点，使其成
为一种不可或缺的替代材料。在碳纤维
复合材料应用领域中，对复合材料未来
前景进行有效的展望是极其关键的。将
碳纤维复合材料应用于汽车工业中，可
以发现碳纤维复合材料的巨大应用价
值；将碳纤维复合材料应用于航天航空
之中，可以提高航天设备的质量；将碳
纤维复合材料应用到高速动车组当中，
还可以增强安全系数和质量保证，为我
国的机械和材料事业的发展打下坚实的
基础[1]。
1.碳纤维复合材料在航天航空领域的应用
高性能碳纤维复合材料具有高比模
量、高比强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨
擦以及吸收波的性能优异，隔音、隔热、
汽车碳纤维易成形易加工等特性，因此与航空领域
契合程度极高，满足航空领域对材料的
较高要求，所以在航空领域中制造的航
空发动机、卫星和航空飞行器、导弹导
流罩、运载火箭导流罩、精密支撑结构
件等领域中，碳纤维复合材料得到了广
泛的应用。除此之外在航空领域中的光
学镜体也应用了碳纤维复合材料。
据统计，民航客机例如：空客
A380，波音787以及中国的C919应用
高性能碳纤维的质量所占比例已经达到
了20%～30%。高性能碳纤维因具有
质量轻、高比强度、高比刚度等特性，
在机身轻量化研究中占有绝对的优势地
位[2]。
航空航天领域所应用的主要碳纤维
及其性能：
①聚丙烯腈基碳纤维的拉伸强度
(>3000MPa)，密度(1.76～1.94g/
cm3)，拉伸弹性模量(>207GPa)；
②沥青基碳纤维的拉伸强度
(1600MPa)，密度(1.7g/cm3)，拉伸弹
性模量(379GPa)；
③粘胶基碳纤维的拉伸强度
(2100～2800MPa)，密度(2g/cm3)，
拉伸弹性模量(441～552GPa)。
我国对于碳纤维复合材料的运用在
航天领域发展得比较快，我国的航天
器，比如火箭、卫星等使用周期短，碳
纤维复合材料结构比重比较大，约占到
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20%，与国外的探究和运用水平达到了齐平的地步。我国对于碳纤维复合材料在航空航天领域的研究
机构，主要以研究高校为主，比如，北航、南航、哈工大等，主要负责碳纤维复合材料研究应用的工作。产业化方面做得比较好的是
中航复材。随着进一步发展，国家战略
需求对这方面材料的不断增大，相关的
民营企业也加入到碳纤维复合材料的探
究和生产当中，其中有江苏桓神、四川
新万兴等企业的加入，形成了激烈的市
场竞争，相信碳纤维复合材料的研究和
利用能够得到更好的发展[1]。
2.碳纤维复合材料在汽车领域的应用
随着汽车的发展，车身尺寸不断增大、安全系数不断提高、配置越来越丰富、结构越来越复杂，又要保持合理的车重，选择合适的材料至关重要。可以说，轻量化材料的选择，真正体现了汽车品牌之间
的研发核心技术差距。碳纤维复合材料的应用主要是为了能满足汽车刚性性能需求，又实现了汽车的轻量化。碳纤维不但能达到节能减排的全球性需求，也能解决消费者所关心的节能省油问题，因此碳纤维复合材料可以作为汽车的未来主流材料。
碳纤维增强复合材料是很理想的汽车覆盖件用非金属材料。它的高强度可
以在保证汽车的防撞性能的同时，大大
减轻车身质量。经过NIO全球测试证明，
碳纤维后地板的使用让车身整体的扭转
刚度更高，被动安全性能提高，整体耐
久性也得到很大提升。遵循“合适的材
料用到合适位置”的设计选择，碳纤维
后地板嵌入到全铝车身中，比铝合金减
重30%以上，与相同体积的高强度钢
相比，质量仅是它的1/5[3]。
碳纤维复合材料“刚柔并济”，兼
具碳材料和纤维的双重优良特性，具有
耐腐蚀、耐高温、耐摩擦的特性，其高
集成度性使得在零部件制造过程中可以
减少零部件数量；由于可设计和造型自
由的特性，可降低流线型曲面配件的制
造成本；高效率的抗震、吸收冲击性能，
可达到金属的5倍，因此可提高汽车发
生交通碰撞事故车上人员安全性；在各
项力学性能方面，与轻质金属合金材料
相比（如高强度钢、铝合金、钛合金和
镁合金），普通的碳纤维复合材料也远
远优于它们。但是阻碍高端碳纤维复合
材料发展的障碍是，目前其由于技术含
量高、生产工艺极其复杂等原因，造成
使用成本也水涨船高[4]。
3.碳纤维复合材料在体育休闲领域的应用
1972年，日本公司Olympic在展览会上，展示了用东丽碳纤维制造的鱼竿“Seiki”；同一年的太平洋高尔夫大师赛，Gay Brewers使用碳纤维球杆赢得冠军，这激发了市场购买与使用“高尔夫黑杆身(black shaftgolfclubs)”的热情。世界碳纤维的发展初期，就与体育器材结下了不解之缘[5]。
3.1碳纤维高尔夫球杆
高尔夫球杆要求球杆具有较高的冲击韧性，而环氧树脂基碳纤维满足这一优良性能。例如日本JNP研
发的聚乙
烯甲醛改良的环氧树脂基碳纤维已经成
功应用于高尔夫球杆。
3.2碳纤维竞赛自行车
碳纤维材料的自行车一般常用于竞
赛中，碳纤维材料主要应用于自行车的
骨架，前叉，轮组（碳刀车圈）等。由
于自行车大部分使用碳纤维材料，所以
其直接决定了自行车的整体性能。因碳
纤维具有高比模量，高比强度等优良特
征，所以使碳纤维自行车具有质量轻，
强度高（屈服强度和抗拉强度）的优良
性能。其次碳纤维的自行车具有很好的
冲击韧性，吸收性能好，以此达到避震，
减震的效果。最后碳纤维易成形，可被
加工成各式各样的造型。
3.3碳纤维网球拍
碳纤维材料的网球拍已经在各大比
赛中常见的材料，因其质量轻，强度高，
可机动性能优异，耐久性好而倍受网球
运动员喜爱[2]。
4.风能发电与叶片材料
中国的风能总储量估计为1.6×109千瓦，列世界第三位，有广阔的开发前景。到“十一五”期末，全国风能
总装机容量将达到5GW，实际容量达
到10GW～12GW，目标到2020年全
国将达到20GW的风电装机容量。以
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千瓦造价8000人民币计算，我国未来十五年将有2400亿的风能市场；风电产业在我国进入新的大发展时期。叶片是风力发电机的核心部件，造价约占整个设备的1/4到1/3。每个叶片大约需要碳纤维1500～2000公斤，我国2020年3000万千瓦的风电规划的实现，需要大量的风机叶片，是碳纤维行业一个潜在的巨大市场[6]。
国际主要采用碳纤维制造
风电叶片的企业是：VESTAS、
G E M E S A S I E M E N S、N o r d e x、
Senvion、GE集团（去年并购了
LM）。重要的碳纤维叶片制造商还有
TPI（主要为VESTAS与Senvion提
供叶片）和巴西的Tecsis（主要为GE
提供叶片）。去年，TPI宣布：利用
SENVION的RodPack（拉挤棒）技术
为其生产叶片。我国主要的叶片制造商：
洛阳双瑞科技、中材科技、重通叶片、
明阳风电、中复连众、时代新材等均在
积极推进碳纤维应用[5]。
小结
目前碳纤维复合材料的应用已从航天航空逐步拓展到人类社会的各个领域。适应市场需求，实施自主创新，对标式技术与产品研发向自主品牌创新过
渡，围绕具有发展前景的大市场研发专
用碳纤维技术，充分改良碳纤维的不足，
提升碳纤维材料的性价比，提高复合材
料的综合性能等，是国产碳纤维技术发
展未来需要重点关注的问题[7]。
参考文献：
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