碳纖維材料的實(shí)踐應(yīng)用分析

摘要：隨著材料學(xué)的不斷發(fā)展，新型材料的應(yīng)用范圍越來越廣泛，其性能也趨于多樣化，其中就包括碳纖維材料的應(yīng)用。本文以碳纖維材料的實(shí)踐應(yīng)用為研究?jī)?nèi)容，在簡(jiǎn)要闡述碳纖維材料的同時(shí)，從多個(gè)方面對(duì)碳纖維材料的應(yīng)用加以介紹，以期加深人們對(duì)碳纖維材料的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：碳纖維材料 實(shí)踐應(yīng)用 材料學(xué)

碳纖維材料作為一種新型材料，因其獨(dú)特的物理和化學(xué)特性受到了大眾的廣泛歡迎。目前，其在航空航天、建筑、消防、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用廣泛。因此，研究碳纖維材料的實(shí)踐應(yīng)用，有助于我們了解碳纖維材料的特性，以及其在不同領(lǐng)域的適應(yīng)性，從而為碳纖維材料的研究提供方向，促進(jìn)以碳纖維技術(shù)為核心的碳纖維產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展。

一、碳纖維材料概述

碳纖維材料以碳元素的纖維狀排列為主要結(jié)構(gòu)，在碳纖維材料中，碳元素所占材料質(zhì)量比超過了9成。碳纖維材料之所以被稱為“21世紀(jì)材料之星”，這與其特性有著密不可分的關(guān)系，它不僅具有良好的柔性，能夠在傳統(tǒng)紡織領(lǐng)域中應(yīng)用，而且還具有一定的剛性，在持續(xù)高溫狀態(tài)下能夠保持較高的強(qiáng)度。除此之外，碳纖維材料還有耐腐蝕、耐疲勞等特性，能夠適應(yīng)不同環(huán)境的要求。

二、碳纖維材料的實(shí)踐應(yīng)用

碳纖維材料出現(xiàn)的時(shí)間較早，但是，碳纖維材料真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的時(shí)間是在上個(gè)世紀(jì)七十年代。由于碳纖維材料的生產(chǎn)工藝要求較高，所以其高昂的價(jià)格使碳纖維材料的實(shí)踐應(yīng)用受到了限制。但在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，碳纖維材料技術(shù)得到了推廣，價(jià)格也隨之下降，這也為碳纖維材料在各領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

（一）碳纖維材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

眾所周知，航空航天技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志，材料學(xué)的發(fā)展直接影響著航空航天技術(shù)的進(jìn)步。航空航天技術(shù)對(duì)質(zhì)量和強(qiáng)度有著極高的要求，傳統(tǒng)材料在保證質(zhì)量的情況下，不具備較高的強(qiáng)度，而大量使用鈦合金材料無疑增加了航空航天研究的成本。為此，研究人員將兼具低密度、高強(qiáng)度的碳纖維材料應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如火箭推進(jìn)系統(tǒng)的尾噴管、整流罩、太陽(yáng)能電池支撐板、飛機(jī)機(jī)翼、輪胎等。

以衛(wèi)星太陽(yáng)能電池支撐板為例，由于衛(wèi)星在太空中進(jìn)行工作的能源是通過太陽(yáng)能電池板供電所提供的，所以衛(wèi)星質(zhì)量會(huì)大大增加，勢(shì)必也會(huì)耗費(fèi)其能量。為此，研究人員使用碳纖維材料作為衛(wèi)星太陽(yáng)能電池支撐板的主要材料，利用其密度低、強(qiáng)度大的特性，滿足了衛(wèi)星太陽(yáng)能電池支撐板工作的需要，對(duì)其耗能影響也很小。

（二）碳纖維材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維技術(shù)的發(fā)展，以及相關(guān)生產(chǎn)工藝的日益成熟，使得碳纖維材料能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)，其價(jià)格也明顯降低。在建筑領(lǐng)域中，尤其是在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高的情況下，傳統(tǒng)材料普遍存在強(qiáng)度不夠或者是價(jià)格過高等問題，而碳纖維材料的應(yīng)用則能很好地解決這些問題。

以剛剛建成通車的港珠澳大橋?yàn)槔?，港珠澳大橋的主體分段為斜拉橋結(jié)構(gòu)，由于其需要承受超高的重量，所以建筑師在選擇斜拉鋼索時(shí)需要考慮到其抗拉性、抗疲勞性。同時(shí)，由于港珠澳大橋的地理位置較為特殊，所以斜拉鋼索受海水侵蝕較為嚴(yán)重，在選擇材料時(shí)還需要將其抗腐蝕性考慮在內(nèi)?；诎踩嵌确治?，建筑師選取了融合碳纖維技術(shù)的超高強(qiáng)度斜拉鋼索，其在滿足抗拉性、抗疲勞性的基礎(chǔ)上，還可以有效應(yīng)對(duì)海水的腐蝕。

（三）碳纖維材料在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代交通行業(yè)的發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用越來越重要。以我國(guó)汽車制造業(yè)的發(fā)展為例，在常規(guī)汽車的制造技術(shù)上，我國(guó)與歐美國(guó)家的差距越來越小。為贏得更廣闊的市場(chǎng)，我國(guó)汽車制造企業(yè)在不斷提高汽車核心技術(shù)的同時(shí)，開始研發(fā)新的汽車材料，其中就包括碳纖維材料的應(yīng)用。如汽車剎車片的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)材料的剎車片在長(zhǎng)時(shí)間急剎車的情況下，由于過熱會(huì)導(dǎo)致其失效，進(jìn)而威脅駕乘人員的安全。但是，設(shè)計(jì)人員利用碳纖維材料的導(dǎo)熱性，則可以增加剎車片的導(dǎo)熱效果，同時(shí)使制動(dòng)效果能夠持續(xù)，確保駕乘人員的安全。

除此之外，在一些高端的交通工具中，碳纖維材料的應(yīng)用也十分廣泛，如游艇的殼體結(jié)構(gòu)、跑車的輪轂等。

（四）碳纖維材料在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著環(huán)境問題的惡化，以風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能為代表的新能源逐漸引起了人們的重視，碳纖維材料對(duì)新能源技術(shù)的發(fā)展也起到了一定的推動(dòng)作用。根據(jù)瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究結(jié)果可知，碳纖維能夠充當(dāng)電池的電極，并可以直接用于電能存儲(chǔ)，這為電池研究提供了新的方向。傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但由于電池的單位密度較大，所以其效率也較低。基于碳纖維技術(shù)的新型電池則能夠大幅提升電池儲(chǔ)能與質(zhì)量之比，該技術(shù)如果應(yīng)用于特斯拉電動(dòng)車上，就可以使其重量減輕約50%。碳纖維材料的應(yīng)用將推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為環(huán)境保護(hù)做出巨大貢獻(xiàn)。

三、結(jié)語(yǔ)

盡管，我國(guó)在碳纖維技術(shù)方面的發(fā)展已經(jīng)取得了一定的成就，但是，相關(guān)核心技術(shù)依然被歐美發(fā)達(dá)國(guó)家所掌握，技術(shù)封鎖制約了我國(guó)碳纖維材料的發(fā)展。因此，加快碳纖維材料技術(shù)的研究，拓展碳纖維材料的應(yīng)用范圍，將成為我國(guó)材料學(xué)研究領(lǐng)域的重要課題，這也是我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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（作者簡(jiǎn)介：吳宇堃，保定市第一中學(xué)，高中學(xué)歷。）