碳纖維復(fù)合材料論文

1、碳纖維復(fù)合材料摘要一、碳纖維復(fù)合材料的概況二、碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)三、碳纖維復(fù)合材料的用途四、碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢五、我國碳纖維市場特點及商機展望六、結(jié)論概況復(fù)合材料(Composite materials)，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、

2、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細粒等。在復(fù)合材料大家族中，纖維增強材料一直是人們關(guān)注的焦點。自玻璃纖維與有機樹脂復(fù)合的玻璃鋼問世以來，碳纖維、陶瓷纖維以及硼纖維增強的復(fù)合材料相繼研制成功，性能不斷得到改進，使其復(fù)合材料領(lǐng)域呈現(xiàn)出一派勃勃生機。下面讓我們來了解一下別具特色的碳纖維復(fù)合材料。 結(jié)構(gòu)碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強度。碳纖維比重小，因此有很高的比強度。 碳纖維是由含碳量較高，在熱

3、處理過程中不熔融的人造化學(xué)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。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的79倍，抗拉彈性模量為2300043000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。 用途碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求

4、的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復(fù)合材料都頗具優(yōu)勢。 碳纖維是50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要而產(chǎn)生的，現(xiàn)在還廣泛應(yīng)用于體育器械、紡織、化工機械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。隨著尖端技術(shù)對新材料技術(shù)性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不斷努力提高。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)上是又一次飛躍，同時也標(biāo)志著碳纖維的研究和生產(chǎn)已進入一個高級階段。 由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料。因為航天飛行器的重量每減少1公斤，就可使運載火箭減輕500公斤。所以，在航空航天工業(yè)中爭相采用先進復(fù)合材料。有一種垂直起落

5、戰(zhàn)斗機，它所用的碳纖維復(fù)合材料已占全機重量的1/4，占機翼重量的1/3。據(jù)報道，美國航天飛機上3只火箭推進器的關(guān)鍵部件以及先進的MX導(dǎo)彈發(fā)射管等，都是用先進的碳纖維復(fù)合材料制成的。 現(xiàn)在的F1（世界一級方程錦標(biāo)賽）賽車，車身大部分結(jié)構(gòu)都用碳纖維材料。頂級跑車的一大賣點也是周身使用碳纖維，用以提高氣動性和結(jié)構(gòu)強度 碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。傳統(tǒng)使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維增強的復(fù)合材料可用作飛機結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業(yè)機器

6、人、汽車板簧和驅(qū)動軸等。 優(yōu)勢1、高強度（是鋼鐵的5倍） 2、出色的耐熱性(可以耐受2000以上的高溫) 3、出色的抗熱沖擊性 4、低熱膨脹系數(shù)(變形量小) 5、熱容量小（節(jié)能） 6、比重?。ㄤ摰?/5） 7、優(yōu)秀的抗腐蝕與輻射性能我國碳纖維市場特點及商機展望世界碳纖維產(chǎn)能、需求和價格變化見圖1。國際碳纖維市場的發(fā)展呈現(xiàn)波浪型推進。2000 年前后和2008 年前后兩次碳纖維的市場波峰和各級政府的大力推動，使我國大量投資者進入碳纖維領(lǐng)域。從全球碳纖維發(fā)展40 年歷史看，供需信息不對稱或矛盾是造成近20 年碳纖維價格波動的主要原因。前一輪的價格高峰從2007 年開始，到2009 年突然下滑，使一

7、些碳纖維廠不得不關(guān)閉部分生產(chǎn)線，業(yè)界認為主要原因是商用大飛機生產(chǎn)的延誤所致。從2008 年起世界各主要廠家的擴產(chǎn)計劃重新啟動，日本企業(yè)預(yù)測碳纖維材料價格將上漲。主要碳纖維廠不同年份新產(chǎn)能的增加情況及年平均增長率見圖2 和表1。Zoltek 公司依據(jù)目前迅猛增長的風(fēng)電葉片和汽車市場，在2010 年9 月30 日的國際碳纖維會發(fā)表觀點認為：20102013 年，碳纖維市場需求將以每年30%增長；到2017 年，全球碳纖維的產(chǎn)能將達到40 萬t/a，而2010 年全球的產(chǎn)能也就5 萬t/a。由此新一輪價格上漲趨勢已形成，至2010 年底，全年漲幅超70%已成事實。2 中國碳纖維領(lǐng)域的投資現(xiàn)狀及嚴(yán)峻挑

8、戰(zhàn)據(jù)不完全統(tǒng)計，到目前為止國內(nèi)已有32 家公司宣布投資碳纖維領(lǐng)域，同時國內(nèi)還有10 家碳纖維專門研究機構(gòu)。如果按這32 家宣布的計劃產(chǎn)能，已經(jīng)是目前全世界實際產(chǎn)能數(shù)據(jù)的23 倍。這32 家公司分布在16 個省、市或直轄市（見圖3），其中已經(jīng)實際投入的有28 家，目前，已經(jīng)投產(chǎn)的有17 家；其中，絕大部分實際產(chǎn)能在100t/a 以下。目前大都已開工碳纖維廠家的產(chǎn)品規(guī)格是1k、3k 或6k，個別有12k，性能在T300 級水平左右，品質(zhì)均勻度還有待提高；T700 級碳纖維還沒有批量生產(chǎn)，24k以上的大絲束也基本沒有形成量產(chǎn)。由于市場小絲束碳纖維的需求量有限，不少已經(jīng)開工的企業(yè)正在為碳纖維的銷路發(fā)愁

9、。3 國際碳纖維利潤與成本根據(jù)20012002 年的數(shù)字，國際主要碳纖維廠利潤情況見表2（平均行業(yè)利潤率：15.7%）。碳纖維各工藝分擔(dān)成本見表3，碳纖維的成本構(gòu)成見圖4。4 碳纖維的產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈4.1 碳纖維的取材形式及比例預(yù)浸布：51.6%，編織布：20%（其中有12.4%要經(jīng)過預(yù)浸進入后段），短切紗：19%，纖維絲束通過纏繞等方式直接使用：9.9%，具體見圖5。4.2 碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)聯(lián)度非常緊密，上游幫扶下游就是幫自己碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈見圖6 所示。碳纖維制造企業(yè)因為資金和技術(shù)的優(yōu)勢，要成為引領(lǐng)整個產(chǎn)業(yè)鏈的生力軍！市場培育任重道遠！只有不斷推進從碳纖維向纖維材料以及復(fù)合材料制品的縱深發(fā)展，完

10、善產(chǎn)業(yè)鏈，擴大碳纖維的應(yīng)用范圍，才能使整個碳纖維行業(yè)實現(xiàn)跨越式的發(fā)展。4.3 碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈中的價值鏈我們常聽到關(guān)于碳纖維價值鏈的說法是：從石油原料到碳纖維，增值關(guān)系是1 到3，而把碳纖維做成復(fù)合材料，增值可以到10。而國際上還有一個類似的說法：一個工業(yè)用碳纖維復(fù)合材料零件的成本構(gòu)成，其中碳纖維和樹脂的成本占25%，把碳纖維轉(zhuǎn)成預(yù)浸料或編織布（我們稱之為纖維材料），轉(zhuǎn)化成本為15%，而把纖維材料制造成復(fù)合材料構(gòu)件，需要60%的成本，原因是這個過程的邊角廢料太多，主要是沿襲于航空航天的成型工藝效率太低。當(dāng)很多人抱怨：碳纖維因為價格太高而影響其應(yīng)用面時，我們必須重視除了25%30%的碳纖維成本之外的其它70%75%的纖維和構(gòu)件成型的巨大成本。否則，即使碳纖維成本降得再低，做出的復(fù)合材料成本還是驚人！結(jié)論中國碳纖維“平民化”發(fā)展之路探討碳纖維因品種和質(zhì)量的不同，價格從10