碳纖維及其復(fù)合材料

加速、滑行、拉桿、離地、飛入云霄——2017年5月5日，C919成功首飛。為減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，C919中型客機(jī)采用大比例先進(jìn)金屬材料和復(fù)合材料，其中復(fù)合材料占比20%。

圖1 C919中型客機(jī)

先進(jìn)復(fù)合材料專指可用于主承力結(jié)構(gòu)或次承力結(jié)構(gòu)，其剛度和強(qiáng)度相當(dāng)于或超過(guò)鋁合金的復(fù)合材料。從技術(shù)成熟程度與應(yīng)用范圍來(lái)看，碳纖維復(fù)合材料，尤其是樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料最為突出。其性能特點(diǎn)如下：

(1)高比強(qiáng)度和比模量，相當(dāng)于傳統(tǒng)材料的4～5倍；

(2)各向異性和可設(shè)計(jì)性良好；

(3)抗疲勞特性良好；

(4)由于層面吸能和夾層結(jié)構(gòu)，減振性良好；

(5)易于大面積整體成型。

碳纖維是含碳量在90%以上的高強(qiáng)度高模量纖維。耐高溫居所有化纖之首，同時(shí)具有抗摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性，外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物，由于其石墨微晶結(jié)構(gòu)沿纖維軸擇優(yōu)取向，因此沿纖維軸方向有很高的強(qiáng)度和模量。

20世紀(jì)50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要加之前驅(qū)纖維炭化工藝的出現(xiàn)使得碳纖維工業(yè)化成為現(xiàn)實(shí)。隨著尖端技術(shù)對(duì)新材料性能要求的日益苛刻，科技工作者在碳纖維生產(chǎn)技術(shù)上不斷攀升，80年代初期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現(xiàn)。

碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性好和強(qiáng)度高而成為一種先進(jìn)的航空航天材料，尤其是民用飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料用量在近幾十年的增長(zhǎng)速度十分迅速，從1980年,波音公司B757、B767復(fù)合材料用量占比4%，發(fā)展到1993年空客A340復(fù)合材料用量占比14%，再到目前,空客公司A350復(fù)合材料占比已達(dá)到52%。碳纖維復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的用途不僅是作為飛機(jī)制造的基礎(chǔ)材料更重要的是作為結(jié)構(gòu)件。以波音787為例，碳纖維復(fù)合材料用作裝飾件的占比為30%，用作結(jié)構(gòu)件的占比為70%，其使用涉及整個(gè)機(jī)身、機(jī)翼、垂尾、艙門(mén)等重要結(jié)構(gòu)。

圖2 碳纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)件應(yīng)用

除了航空航天領(lǐng)域，碳纖維及其復(fù)合材料還走進(jìn)了人們的生活，體育器械、紡織、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等處處可見(jiàn)其身影。我們?nèi)粘蕵?lè)使用的羽毛球拍、釣魚(yú)竿、游艇，出行使用自行車、高端汽車、F1賽車，生產(chǎn)使用的驅(qū)動(dòng)軸、工業(yè)機(jī)器人，醫(yī)學(xué)上的牙體修復(fù)、再生醫(yī)療和創(chuàng)傷治愈、骨骼修復(fù)材料等碳纖維及其復(fù)合材料不斷發(fā)展，更加貼近人們的日常需求。