一、概述
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。
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、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，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。如圖1碳纖維經(jīng)編機。
碳纖維是由含碳量較高，在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。
碳纖維的性能特點可歸納如下：
1.碳纖維的密度是鋼的7.8倍，是鋁的2.7倍；
2.碳纖維復(fù)合材料的抗疲勞和硬度優(yōu)于玻璃纖維復(fù)合材料；
3.鋁相比較，碳纖維的強度是鋁的7倍，且比鋁輕1.5倍。
其主要優(yōu)點有：
1.纖維屈曲程度較小，利于發(fā)揮纖維性能；
2.鋪覆性、工藝性好；
3.改善復(fù)合材料的沖擊性能（尤其CAI）和損傷容限；
4.制造工藝簡單，成本低。
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圖1 碳纖維經(jīng)編機
二、碳纖維的在復(fù)合材料中的應(yīng)用
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，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學穩(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導彈發(fā)射管等，都是用先進的碳纖維復(fù)合材料制成的。
碳纖維主要運用在以下幾個行業(yè)，如圖2：
－風電葉片＞3.5兆瓦；
－汽車；
－造船、游艇；
－航空。
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圖2 碳纖維應(yīng)用
2.1碳纖維在風電葉片中的應(yīng)用
在風力發(fā)電領(lǐng)域，經(jīng)編復(fù)合材料是制造風力發(fā)電葉片及其它重要結(jié)構(gòu)部件的主要材料，葉片90%以上重量由復(fù)合材料組成。采用碳纖維NCF織物制備的復(fù)合材料風機葉片，具有質(zhì)量輕、強度高、剛性好的優(yōu)點，能夠滿足開發(fā)大型化、輕量化、高性能、低成本的發(fā)電葉片的要求，如圖3所示為風機葉片，圖4為葉片結(jié)構(gòu)。
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圖3 采用碳纖維NCF織物制造的復(fù)合材料風機葉片
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圖4 葉片結(jié)構(gòu)
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