碳纤维复合材料的特性和应用

碳纤维复合材料具有高抗拉强度、高模量、低密度、高比强度和非常高的比模量。

发布时间:

2024-10-24

机械性能

碳纤维复合材料具有高抗拉强度、高模量、低密度、高比强度和非常高的比模量。与传统金属材料相比，碳纤维复合材料质量轻、强度高、韧性好，具有明显的优势。与同样是新材料的硅基纤维复合材料相比，碳基纤维的抗拉强度约高出3-7倍。碳基纤维的弹性模量高于硅基纤维，因此在相同外部载荷下，碳纤维复合材料的应变较小，其部件的刚度高于硅基纤维复合材料的部件。高模量碳纤维的断裂伸长率约为0.5%，高强度碳纤维约为1%，硅基纤维约为2.6%，环氧树脂约为1.7%，因此碳纤维复合材料中的纤维强度可以得到充分利用。

由于碳纤维的脆性大和冲击性能差，碳纤维复合材料的抗拉损伤模式属于脆性损伤，即在拉断之前没有明显的塑性变形，应力-应变曲线是一条直线，类似于玻璃纤维，只是模量高于玻璃纤维，断裂伸长率低于玻璃纤维。碳纤维复合材料具有良好的高低温耐受性。在隔绝空气（惰性气体保护）下，2000°C仍然具有强度，液氮下不脆。

碳纤维复合材料具有良好的热导性。导热系数高，但随着温度的升高有下降的趋势。碳纤维复合材料沿纤维轴向的导热性为0.04cal/(s*cm*°C)；垂直纤维方向的导热性为0.002cal/(s*cm*°C)。碳纤维复合材料的线性膨胀系数在纤维轴向上具有负温度效应，即随着温度的升高，碳纤维复合材料有收缩的趋势，具有良好的尺寸稳定性和良好的疲劳抗性。

耐腐蚀性

碳纤维复合材料除了对浓硝酸、次氯酸盐和重铬酸盐等强氧化剂的氧化作用外，一般酸碱对其作用很小，优于硅基纤维复合材料的耐腐蚀性。碳纤维复合材料在潮湿空气中不会像硅基纤维复合材料那样水解，具有良好的防水性和抗潮湿、耐热老化特性。它们还耐油、辐射，并在中间的运动中减缓。

优势

总之，碳纤维复合材料具有轻质、高模量、高比强度、低热膨胀系数、高温耐受性、热冲击耐受性、耐腐蚀性、良好的减震等一系列优点。这些性能不是传统金属材料的特征，与其他类型的新复合材料相比也具有强大的性能。这使得碳纤维复合材料在许多领域得到广泛应用，同时促进了对碳纤维复合材料的进一步研究，以继续改善其使用。

碳纤维复合材料的应用

碳纤维复合材料凭借其优异的性能，已广泛应用于各个领域，主要包括汽车、结构加固工程、新能源开发、休闲用品等。

汽车

目前，全球年产乘用车5000万辆，如果包括卡车和公交车则为7000万辆，随着中国、印度等国汽车工业的快速发展，全球年产汽车很快可能确实超过1亿辆。此外，全球年产PAN-CF仅为数万吨，由于CFRP的高成本、加工困难、成型速度慢以及再生问题的限制，只能用于运动器材和工业领域，要在汽车中使用，最重要的是尽快开发出与表面活性CF相结合的热塑性树脂（如聚丙烯等），以及CFRTP超高速成型技术和二次加工技术；其次，当CF用于制造汽车时，CF在汽车工业中的使用。其次，当CF需求超过100万吨时，需要开发生物质制成的CF，尽管这仍然困难。第三，当达到如此大规模时，需要开发CFRP的再生技术和CF的高重复使用技术，并解决这些材料及相关成型工艺的评估和标准化问题。