碳纤维复合材料应用

碳纤维复合材料应用（精选6篇）

碳纤维复合材料应用 第1篇

题目：碳纤维复合材料国内专利情况研究报告专利情报分析报告

学

院：

专

业： 年

级： 姓

名：

2015年12月

目录 检索报告 …………………………………………………3 1.1 课题背景 …………………………………………………3 1.2 检索范围 …………………………………………………4 1.3 检索系统 …………………………………………………4 1.4 检索方式 …………………………………………………5 1.5 检索策略 …………………………………………………5 1.6 检索结果及处理 …………………………………………5 2.专利总体分析 ………………………………………………5 2.1 专利文献公布量年代分析 ………………………………6 2.2 专利权人分析 ……………………………………………6 2.3 技术领域趋势分析

…………………………………7 2.4 申请人相对研发实力分析 ………………………………8 2.5专利类型分析

……………………………………………9 2.6法律状态分析 ……………………………………………10 2.7机构属性分析 ……………………………………………11

1检索报告 1.1课题背景

碳纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。碳纤维与传统的玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出。

碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。

由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。

随着新技术的不断发展，对材料的要求日益增加，碳纤维所具有的高强度（是钢铁的5倍）、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)、出色的抗热冲击性、低热膨胀系数(变形量小)、热容量小（节能）、比重小（钢的1/5）、优秀的抗腐蚀与辐射性能等优势越来越能够适应时代的要求。

1.2检索范围

国内相关专利

1.3检索系统

SIPO专利检索系统

1.4检索方式

关键词

1.5检索策略 1.5.1检索词

碳纤维

carbon fibre 复合材料

composite material 1.5.2检索策略

发明名称=(碳纤维 AND 复合材料)1.6检索结果

通过以上检索式在SIPO专利数据库共检索出相关合并同族专利后专利文献1332篇.(经过阅读，共筛选出相关文献1032篇为基础进行分析)

2.总体专利分析

2.1专利文献公布量年代分析

从上图中可以看出，碳纤维复合材料方面专利文献公开量从2006年起整体呈增长趋势。近十年的公布量分为两个阶段：第一阶段2006年-2013年7年间，专利文献数量由最开始的少于50篇增长至2013年的187篇；第二阶段2013年-2015年三年间，专利文献数量波动不大，进入了相对平稳时期，专利数量在150篇200篇之间。通过文献公开量的趋势可以看到，近年来，该领域中，专利文献公开量呈快速增长趋势。通过文献量的趋势，可以判断出该领域的技术近年来呈平稳快速发展趋势。

2.2 专利权人分析

从上表可以看出，碳纤维复合材料方面技术主要掌握于各个高校手中，申请前十有五所均为高校，专利权数量占前十总量的59.24%，其中哈工大申请数量最多、。前十另外四家为各个公司所有，值得注意的是第四名为个人肖忠渊。

2.3 技术领域趋势分析

从上表可以看出，十年来，领域B32（层状产品）以及领域H01（基本电器元件）尽管在2012年左右稍有增加，但从体来说年申请量基本没有增长。而领域C08（有机高分子化合物;其制备及原料加工；以其为基料的组合物）和领域B29（塑料的加工；一般处于塑性状态物质的加工）则在进十年间总体上呈高速状态，尽管近两年有所下滑，但也远高于另外两个领域，可以预见这两个领域将是碳纤维复合材料今后的主要发展方向。

2.4申请人相对研发实力分析

从上表可以看出，申请量排名前十的申请人在不同领域的研发水平和侧重情况有所不同，其中，最为平均的是哈尔滨工业大学和天津大学，在5~6个领域都有发明；最不平均的是肖忠渊，只在两个领域有专利，而肖忠渊则在F16（工程原件或部件）领域独占鳌头，几乎垄断该项技术；而大连理工大学在B23（机床；其他金属加工）方面具有垄断性优势。

2.5专利类型分析

从上表可以看出，在碳纤维复合材料领域发明书要远大于实用新型数

2.6法律状态分析

从上表可以看出，整体上来说，碳纤维符合材料相关专利的法律状态并不乐观，仅有约三分之一的专利有效，撤回，失效，驳回的专利占四分之一，而还有四成多的专利处于审核状态，这提醒我们后来的人要注意申请专利时一定要各方面考虑完全，尽量提高申请成功率。

2.7机构属性分析

从上表可以看出，企业和大专院校是专利申请的主力军，几乎平分了申请总量，另有少部分也属于科研单位，这从侧面也证明了碳纤维复合材料属于高科技领域，具有相当广阔的市场前景。

碳纤维复合材料应用 第2篇

碳纤维增强复合材料（CFRP）自问世以来就一直在军事领域特别是航空航天领域中发挥着重要作用。近年来随着应用研究的发展，国内外对其在海军舰艇上的应用越来越重视。CFRP在海军舰艇上应用时具有如下突出的优点：优良的力学性能；耐腐蚀（可耐酸、碱、海水侵蚀,水生物也难以附生）；大幅减重；优良的声、磁、电性能（透波、透声性好,无磁性,介电性能优良）；优良的设计、施工性；容易维护，维护费用远低于钢制舰艇。

早期CFRP仅仅应用在小型巡逻艇和登陆舰上。相对差的制造质量和船体刚度限制了其长度不能超过15m，排水量不超过20t。近年来随着低成本复合材料制造技术的提高，CFRP才开始应用在大型巡逻艇、气垫船、猎雷艇和护卫舰上。

近几年国外制造的新型舰艇中不乏大量使用CFRP的亮点之作。美国制造的短剑号隐身快艇

“短剑”高速快艇长24.4米，宽12.2米，吃水0.9米；排水量67吨；动力装置为4台“毛虫”柴油机，每台功率1650马力，由4具6叶螺旋桨推进，在载重37吨下航速可达50节。艇体采用了比传统的钢材更结实、更轻巧的CFRP。一次能够运载12名全副武装的“海豹”突击队员和1艘长11米的特种作战刚性充气艇。同时，可搭载1架小型无人机。

目前，“短剑”是美国使用CFRP一次成型制造的最大船体，在整体制造成形过程中不用焊接，更无需铆接，因此船体外表十分光滑，重量也大为降低。尽管目前的成本相对于普通的钢和铝合金偏高，但在这—技术成熟后，进行批量生产的成本将有较大的下降空间。作为试验艇，“短剑”的单艘造价约为600万美元，试验总成本在1250万美元之内。

综合“短剑”艇体的这种设计，以及CFRP的使用，不但使其获得了高速，也使其行驶过程中的稳定性更高，高速行驶中的沉浮现象大大减轻，即使在高速回转时，依然可以保持平稳行驶，从而增加了艇员的舒适度，提高了艇的适航安全陛，扩大了在内河和地形复杂的浅海使用范围。与此同时，由于其阻力的降低也使得“短剑”比普通快艇更加节省燃料。瑞典制造的维斯比级轻型护卫舰

维斯比级轻型护卫舰（Visby-class corvette）是瑞典皇家海军最新锐的舰艇之一，由于奇特的外形设计，很好的隐身性能，并采用喷水推进装置使该级舰具有很高的机动性，同时又可减少舰的吃水，使该舰能在浅水海区使用等优点，使其受到国际社会的广泛关注。

该级舰的最大特点是采用全新的隐身设计技术。舰壳材料并非采用常规钢材，也不是普通玻璃钢，而是CFRP，采用特殊真空注入技术建造而成。为了达到关键性能要求，壳体必须尽可能轻，因而壳体采用夹心结构，由聚氯乙烯夹心和碳纤维乙烯基酯层压板构成，它不但具有很高的强度和经久耐用性，还具有优良的抗冲击性能。

“维斯比”舰的舰体、甲板、上层建筑基本都是CFRP夹层板制成的。与传统材料相比，这种材料不仅结构坚实，强度可与钢铁相媲美，而且无磁性，有利于降低舰艇产生的磁场，并有良好的抗震性能，因而可执行反水雷任务。此外，CFRP夹层板光滑平糙，有助于取得良好的隐身效果。同时还可以绝热，对舰内各种机械设备产生的红外辐射有较好的屏蔽作用。另外，这种复合材料比重轻，可减轻舰体重量，且不象铜那样容易腐蚀，从而大幅度减少全寿命费用。

为了用CFRP建造如此大的舰船，瑞典海军花费了大量的时间进行了试验,研究出了真空辅助夹层灌输法生产工艺。CFRP夹层板的芯是PVC材料制成的板材，厚度不等，从纸张一样薄到9厘米厚都有，上面有细小的格槽，然后将乙烯薄层和碳纤维覆盖在PVC主芯上。这种方法的优点是纤维含量比手工铺设的要高，结构重量更低。

印尼制造的全碳纤维导弹巡逻艇

印尼PT Lindun公司在2012年推出一款全碳纤维导弹巡逻艇，该导弹巡逻艇艇长63米，采用先进的三体船身设计，将成为东南亚地区最先进的海军舰船。该舰采用激进的穿浪船体设计以改进适航性和稳定性，并且完全由CFRP制成，采用了真空导入工艺和乙烯酯树脂。用这些材料构建船身结构增强了该舰的隐身性，同时降低了使用期运行、维护的成本。

如果将舰船上可以使用碳纤维来提高性能的结构部分归类，大致可分为如下几方面。

CFRP上层建筑

60年代中期以来巡逻炮艇上的炮艇甲板室就开始采用复合材料，70年代早期，猎雷艇的上层建筑也开始采用复合材料。芬兰皇家海军的快速巡逻艇劳马（Rauma）的上层建筑也采用复合材料夹层结构，船体采用铝合金。复合材料甲板室要克服两个主要问题：即采用钢时出现的腐蚀和水上重量过大。对于小型海军舰艇（长度小于20m）来说，采用复合材料代替钢可以减轻约65%的重量。

与钢和铝相比，CFRP上层建筑存在很多缺点，例如制造成本高，因为其和钢甲板的连接处花费昂贵，对于中型护卫舰来说，上层建筑采用CFRP代替钢会给建筑成本增加40%~140%，尽管如此，许多舰船制造者和海军已开始接受更高的制造成本，因为可以节省使用周期成本，从而降低总体成本。

CFRP桅杆

20世纪60年代复合材料首次应用在桅杆上。传统的钢桅杆采用开放式结构，突出在外，会干扰本舰的雷达和通讯系统且易于腐蚀。美国海军于1995年着手研制先进全封闭式桅杆/传感器系统（AEM/S），整个结构高28m,直径达10.7m,是美国海军舰艇上最大的CFRP水上结构。试验设计制作的AEM/S由两个外表面向内倾斜10°的上下两个六角锥形体结构组成,上半部覆盖FSS可让本身特定的周波数穿过，下半部能反射雷达波或由雷达吸波材料所吸收。各种天线和有关设备都统一组合装备在该结构内，结构内部传感器的电波能以极低的损耗穿过结构物，结构的外部由能反射电波的CFRP板材构成。由于所有设备都在结构内部，可以防止风雨和盐份的侵害，对设备的维修保养十分有利。这种AEM/S系统完全脱离了传统的桅杆概念，并装备在斯普鲁恩斯（Spru-ance）级驱逐舰——USS Arthur W.Radford上，取代原来钢桅杆的主要部分（即接近船尾的部分）。AEM/S系统的成功极大地促进了先进CFRP桅杆技术与下一代美国海军海面作战的水上设计部分的结合。

CFRP螺旋桨

海军舰艇的螺旋桨材料一直以来都是镍铝铜合金，存在很多问题例如加工复杂叶片时花费高，叶片容易疲劳产生裂纹，声学阻尼性相对较差，振动时会带来噪音等等。因此海军设计者们不得不考虑其它材料，最引人注目的材料是不锈钢、钛合金以及CFRP。

CFRP螺旋桨系统的设计和性能高度机密，近年来的研究进展未见公开发表。不过众所周知，CFRP叶片中的纤维可以承受主要的水动力和离心力。CFRP叶片的好处是承载的纤维可以沿叶片的不同方向敷设从而使应变最小。因此可以通过设计纤维排列和堆积的顺序来优化叶片性能。纤维排列的方向影响叶片的推力、有效螺距和翘曲。因此叶片的设计和制造需要精确以确保获得最优性能。目前大批海军舰艇安装了CFRP螺旋桨，如登陆舰和扫雷艇。CFRP螺旋桨也用在鱼雷和小型船只上。

CFRP推进轴系

在减轻船体重量的趋势中，推进系统的动力传输部件的减重也提到了议事日程。典型的是在2或4台高速柴油机通过减速齿轮箱驱动喷水推进器的高速船上，无论柴油机与齿轮箱之间，还是齿轮箱和喷水推进装置之间的距离都缩短了。尤其是在双体船狭小的空间里要求错落布置4台柴油机，前部柴油机中发出的功率必须通过后部的柴油机传输出去。因此，这就要求配备重量最轻、部件最少的传动装置。而采用由碳纤维管材料的驱动轴，能够轻而易举地达到减轻传动部件重量的目的。

CFRP驱动轴的主要优点包括：明显地减轻了驱动轴的重量，轴越长，减重的量越大，复合轴减重的效果越明显；临界速度高，长轴系上通常不需要布置轴承，减少了轴承的数量，降低了成本，减轻了轴系，减少了部件，节省了轴承支撑件的成本以及减轻了重量；长寿命、低噪声、无腐蚀、无磨擦、免维修、不导电、无磁性。

高强度碳纤维绳索

文献检索表明日本已有相关碳纤维缆绳的报道，但技术保密非常严格，主要用途是海军军舰的缆绳和其他军用物品。

碳纤维突出的特点是强度和模量高，密度小，耐腐蚀性能好，膨胀系数低，耐高温蠕变性能好，摩擦系数小，自润滑，导电性高等特点。由于碳纤维既具有高于钢铁的拉伸模量和几倍乃至数十倍的拉伸强度，又具有纤维的可编织性能，以此作为基体材料制作碳纤维绳索，恰好可弥补钢丝绳和有机高分子绳索的不足，得到高性能的碳纤维绳索。碳纤维绳具有一系列优异的使用性能。与结构和直径相差不多的钢丝绳相比较，碳纤维绳具有巨大的优越性。碳纤维绳的重量还不到钢丝绳的四分之一，前者比后者轻得多，使用时省力；前者的弯曲刚性仅为后者的四分之一，前者易于弯曲便于作业，后者僵硬操作困难。此外，碳纤维绳的断裂伸长比钢丝绳小得多，应力-应变曲线为一直线，直至断裂，中间没有屈服点，因此，在多次重复使用时，不会有残余应变现象的发生。碳纤维复合材料绳索还具有良好的拉伸疲劳性能，在应力振幅小的条件下几乎没有疲劳现象发生，当应力振幅较大时也同样显示出优良的疲劳特性。碳纤维复合材料绳索耐腐蚀、不生锈和优良的耐候性也是钢丝绳无法与其相比的。

总之，碳纤维复合材料绳索，不仅重量轻，比强度、比模量高，而且耐腐蚀，在高温和低温环境中线膨胀系数小，性能稳定而柔软。具有传统绳索（天然纤维、有机纤维、无机纤维和钢丝绳等）无可比拟的优越性，将是传统绳索的更新换代产品。碳纤维绳索可以用于以下几个方面：支持（撑）性缆绳，如大跨度斜拉桥缆绳；增强混凝土，如海洋工程混凝土；舰船、海上作业船用缆绳；游艇支索；登山用绳索等。

CFRP烟囱

复合材料烟囱具有质轻、成本低的优点,以及优良的热绝缘性能，而且能够削弱雷达信号从而提高舰船的隐身性，已在MCMV上成功应用多年。Vis-by级和La Fayette级护卫舰的烟囱都采用复合材料夹层结构。当前目标是在大型军舰上使用复合材料烟囱。

以下还有一些正在研发之中，准备使用碳纤维的部位及部件。舰舱壁、甲板、舱门

此方面的应用正处于研究之中，优点是质轻20%~40%，更低的磁特性，火灾时热传导低，阻声性能更好；缺点是制造和安装的成本比钢制的高20%~90%。CFRP和周围钢结构的联结处需要足够的抗内部冲击损坏的能力，此即为成本大幅增加的主要原因。

附件

许多海军正考虑将CFRP应用在武器外罩和甲板防护板上，及作为导弹冲击遮护板，以免受高速射弹和榴散弹的冲击。日本专家对于如何提升军舰的生存能力已做了具体研究论证，使用低成本成型法制造的CFRP为主题的上层船体构造在耐爆炸以及耐燃烧性能方面已经可以达到了军用舰船的使用标准。

方向舵

舰艇用CFRP方向舵正处于研发之中，预计其比现有的金属舵轻50%，成本低20%。

设备底座

一个复合材料的底座比同尺寸的钢底座轻58%，且可以提供足够的保护，使机械和设备免受水下冲击载荷、抵抗冲击损坏。此外由于它的阻尼性和无磁性，复合材料底座能够降低舰艇的声音和磁特性。

热交换器

海军舰艇上的热交换器要经受严酷的海水腐蚀和侵蚀，因此维护费用高。由此还降低了使用寿命。美国海军正在考虑使用CFRP的热交换器。

管道系统

复合材料在海军舰艇上的最早应用就是管道。1951，美国海军在一艘护航驱逐舰上安装了复合材料管道，望其比传统的黄铜管道便宜、质轻和更耐腐蚀，果复合材料管道在运输热水时迅速降解并开始渗漏。60年代，提高了复合材料管道的质量和耐久性后，国皇家海军将其安装在突击艇的压舱系统中。70年代早期，国海军在其巡逻护卫舰上也安装了复合材料管道。据估计，合材料管道的生产安装成本比黄铜或不锈钢管低15%50%。美英海军正继续挖掘复合材料管道的潜在应用价值。

浅谈风电叶片碳纤维复合材料应用 第3篇

1 风力发电技术的发展现状

风力发电是当前发电部门重点研究的技术, 这项技术具有环保与经济节省的意义, 风电技术发展日趋成熟, 风机的功率越大, 单位发电的成本则越低。在风力发电的过程中, 需要应用风能以及风电叶片, 其中叶片是风力机的重要组成部分, 其涉及的领域比较广, 还需要应用多种复合材料。叶片的长度一般与风机的功率成正比, 为了提高风机的功率, 涉及人员需要增加叶片的长度, 这也容易增加叶片的重量。叶片是风机中成本较高的部件, 而叶片的重量一般为风机总重的15%左右。叶片设计是一项重要的工作, 为了降低叶片的成本, 提高其运转的功率, 设计人员必须努力提高其提升比, 要根据叶片运转的特性, 避免叶片表面受到污染, 还要改造叶片的粗糙程度。从叶片的结构出发, 也必须是具有一定厚度的叶型, 而且还要具有超过20年的使用寿命, 在风力作用下, 其疲劳次数要大于500万次。在风力发电部门, 对风机功率有着较高的要求, 设计人员需要增加叶片的尺寸, 还要降低叶片制作的成本, 这样才能促进风力发电技术更好的发展。

2 碳纤维复合材料在风电叶片中的应用

为了提高叶片的功率, 需要增加叶片的长度, 这也会增加叶片的重量, 由于叶片的重要与其长度成正比, 所以, 风机产生的电能, 也与风电叶片的长度成正比, 在设计叶片时, 对材料的选择有着一定要求, 叶片的强度以及刚度需要符合相关要求, 在增加叶片长度的同时, 也尽量避免其重量的增加。传统的叶片多采用的是玻璃纤维, 这种材质的重量比较大, 与复合材料相比, 其性能存在较多的不足。在极端风载作用下, 叶尖不能碰触到塔架, 叶片必须具有较强的刚度, 在减轻叶片重量时, 还要保证其刚度以及强度不会出现降低。碳纤维复合材料是一种新型的材料, 将其应用在风电叶片的制造中, 可以很好的满足风力发电装置的大功率需求, 其突破了玻璃纤维复合材料的性能极限, 而且可以保证风电叶片在增加长度的同时, 重量大大降低了。碳纤维复合材料具有较高的性能, 在风电叶片的应用中具有良好的应用前景。当风力机长度超过40m时, 必须应用碳纤维材料, 叶片设计超过40m后, 应用碳纤维材料反而更加经济节省, 这种材料的用量比较少, 而且重量比较轻, 在运输的过程中, 可以节省更多的劳动力, 并且这种材料的叶片安装也比较简单, 安装成本也比较低。通过对比发现, 应用碳纤维材料, 其弹性模量与玻璃纤维相比, 增加了2-3倍, 所以复合材料具有高弹轻质的优势, 碳纤维制造的风电叶片, 其重量与玻璃纤维相比, 也减少了70%-80%左右。传统的风机叶片是由木材、金属等材料构成, 在对叶片设计进行改进与优化后, 叶片的性能大大提高了, 采用碳纤维复合材质后, 风电叶片主要是由基体纤维以及增强纤维构成的, 这种材料可以大大增加叶片的强度以及刚度, 可以增加叶片的粘弹性以及塑性, 可以使叶片承受较大的荷载, 还可以增加叶片的抗腐蚀性。

在风力机叶片材料方面, 过去的风机叶片材料主要包括木材、帆布, 金属等传统材料, 而现在为了提高叶片的性能, 许多新型复合材料被运用到风机叶片的制造中来, 比如碳纤维增强复合材料 (CFRP) 和玻璃纤维增强复合材料 (GFRP) 等。FRP——— (Fiber Re-inforced Plastics ) 纤维增强复合塑料, 依据使用的纤维材料不同可分为:硼纤维增强复合塑料, 碳纤维增强复合塑料, 玻璃纤维增强复合塑料等。纤维增强复合材料主要由基体和增强纤维两大部分构成。基体通常使用热塑性材料或热固性塑料, 虽然这种材料的强度和模量都比较低, 但由于其拥有良好的粘弹性和弹塑性, 可经受住较大的应变。而使用填充的纤维材料 (或晶须) 的直径较小, 一般可在10μm以下, 缺陷相对较小且较少, 具有较高的刚性但是呈脆性, 易受到腐蚀、损伤及断裂。

3 复合材料应用实例

怎样通过优化叶片结构来提高复合材料叶片强度的同时减少叶片的重量已经成为现在的研究热点。复合材料以其高强度和轻质量的特性, 无疑正是风力发电机叶片的理想材料。

德国Nodex公司的碳 / 玻混杂风力机叶长56m, 它是专为5MW机组海上风电组而开发, 该公司还研制了长43m重达9.6吨的碳 /玻璃风机叶片, 这种叶片是用于2.5MW的路上风电发电机组。En-ercon公司开发的使用的用碳纤维增强材料的4.5MW风力发电机叶片。而LM公司也以GRP作为主要材料研制了长度达60m风机叶片。是否将纤维增强材料用于大型叶片的制造中国际上还存在着争议, 现在一般在长度大、载荷高、额定功率大的风力机组中使用复合材料制造的叶片。

结束语

风力发电机是当前发电行业重点研究的项目, 采用风能进行发电, 不但经济节能, 还具有较强的环保意义。风电叶片是风电机组的重要组成部分, 为了增加风机的功率, 设计人员增加了叶片的长度, 这容易增加叶片碰撞塔架的概率, 而且也容易增加叶片的重量。风电叶片在不断发展的过程中, 设计人员对其结构以及构成材料进行了改革, 采用碳纤维复合材料代替了玻璃纤维复合材料, 这可以减轻传统叶片70-80%的重量, 还可以节省传统叶片制造15-20%的成本, 是提高叶片性能以及质量的有效措施。

参考文献

[1]袁健.碳纤维复合材料天线反射面研制[J].火控雷达技术, 2003, 32:44-46.

[2]陈亚君, 吴国庆, 倪红军, 曹阳, 茅靖峰, 陈立新.风力发电机组叶片材料综述[J].化工新型材料, 2010 (9) :37-38.

碳纤维复合材料在自行车上的应用 第4篇

摘 要：自行车是人们日常生活中不可缺少的代步工具，深受世界各国人民喜爱，形成了巨大的自行车消费市场。随着现代社会的飞快发展，自行车已不仅仅是交通和运输工具，已具有集健身、旅游、竞赛等多种功能。因此迫切需要有新形态、新材料的自行车出现，以使自行车外观更具美感，更具轻量化，骑乘舒适性更好。

关键词：碳纤维；自行车；应用

碳纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料，碳纤维在自行车领域的应用，被称为自行车行业的“黑色革命”。碳纤维自行车具有以下优点：

精：塑性变形小，回弹性好，尺寸稳定性高。刚：弹性模量高，变形量小，骑行中不泄力。轻：材料密度小，用料量少，产品净质量轻。巧：流线型设计，骑行风阻小，骑行速度更快。

碳纤维自行车的创新之处在于：①采用高强、高模的碳纤维材料替代金属材料，减轻车身重量，制造出更适合选手使用的比赛用车。②采用人机工程学进行计算机模拟设计，使碳纤维自行车安全性更高，满足客户要求。③特殊的叠层技术，使其能制造出质量更轻，强度更高的碳纤维自行车车架及其部件。④利用碳纤维预浸料的可设计性，制造出特定造型的自行车或其部件，满足整车组装工序的特殊需求。⑤模压成型工艺，实现碳纤维自行车一体成型，无缝隙，结构强度高，产品造型美观。⑥采用高强度粘合剂进行连接和胶合固化工艺控制技术。

碳纤维自行车的制作流程：设计、裁剪、卷料、预型、成型、加工、胶合、补磨、涂装、组装等。按照碳纤维自行车主部件结构设计要求，将预浸料裁切成各种尺寸、各种角度；将裁切好的各种尺寸、各种角度的预浸料卷制到芯模上，卷制到规定尺寸后，取出芯模；将卷制好的碳纤维复合材料零部件对接，并穿入气袋。将预型好的部件半成品按工艺要求装入模具，在电热炉台上充气加压，加温固化；将成型好的部件经过加工处理，上胶插接后送到烤箱中固化；将胶合后的粗坯进行补土、喷漆、打磨。去除表面缺陷，达到表面平整光滑；贴上水标，喷漆、打蜡，然后组装成整车。

1 结构设计与材料裁剪工艺

为了确保自行车的安全性，轻量化。设计工程师依据力学原理在结构设计上采用碳纤维单向预浸布，进行合理裁剪形成0°、30°、45°、90°等纤维走向，将复杂的构件分解为每一片层逐一卷制叠成为预制件。单向预浸布的优点是强度高且稳定，叠层角度可设计，适合做碳纤维自行车的主结构，单向预浸布的叠层角度设计如图1所示。

单向预浸布经过不同的裁剪方式，可以得到不同的角度料。依据自行车各部分受力状况的不同，所使用的角度料就不一样。在车架座管端口、中变固定座处，需要用90度料来补强，增加抗压系数。

碳纤维编织预浸布，用做碳纤维自行车的外观，不仅增加了自行车结构件的强度，同时美化了碳纤维自行车的外观，显现了碳纤维织物的材料效果。

2 材料界面性能的研究

围绕碳纤维的表面改性以及配套树脂的设计和合成展开研究工作，目的是促进碳纤维与聚合物树脂基材的界面相容性，重点研究碳纤维及其改性产物与聚合物树脂复合后界面结构对材料使用性能的影响，归纳出碳纤维表面性质、碳纤维/树脂界面特性与复合材料性能三者之间的可控关系，实现碳纤维复合材料的优异性能。

3 外固内扩成型工艺

依据碳纤维预浸布树脂系统的特定要求，设计人员针对性地制定了外固内扩成型工艺，工艺控制主要是针对气压、温度和时间三个要素。在成型的过程中，随着温度和粘度的变化，物料胶化、软化、硬化。成型过程中还有一个很重要的技术要点，就是加压时间的控制。碳纤维复合材料主部件采用袋压成型法，即利用耐高温尼龙袋注入高压气体，将复合材料内的空气挤出，带动树脂的流动，使材料之间达到一定的密度，然后高温固化。因为产品的不规则性，在耐高温尼龙袋的选用时，一般会选用大于产品最大内径的规格，这样就造成在产品内径小于尼龙袋的情况下，尼龙袋会有一定的折叠。因而树脂在高温流动时，会在尼龙袋折叠的地方堆积，产生不规则的树脂块或造成纤维的不平整性。而过多的树脂堆积，不仅会增加产品的重量，而且会产生一定的应力，从而影响到产品的使用性能，我们使用EPS成型新工艺解决这一问题。利用EPS高可塑性，能制造比传统硅胶更加合理的内芯，利于产品造型的成型。预先固化的内芯，使产品内壁更加光滑、平整，减轻产品的重量，提高产品品质。在应用EPS工艺后，能利用其预先固定好的内芯型状，在贴料的过程中能保证材料的平整性，卷制的产品不易变形，从而减少因为产品变形带来的品质问题；利用预先固化好的外形，在树脂固化期间，完全避免了因为尼龙带的重叠而带来的树脂堆积，保证了产品内壁的平整性，降低了产品重量，提高了产品的品质。

4 技术措施

采用国产碳纤维，应用CAD，Pro/Engineer技术设计，ABS材料芯模，预型补料采用连续性碳纱，以保证更好的强度与刚性；使用轻克重FAW050和FAW075预浸料，结构采用图文并茂的方式，给予保证每片碳纱所贴位置更精准，从而发挥碳纱在结构中的更大优势，以节省出更多的重量空间，以达到车架等主部件更加轻量化目的。

碳纤维复合材料应用 第5篇

摘要

随着汽车工业的飞速发展，减少燃料消耗和降低对环境的污染已成为汽车工业发展和社会可持续发展急需解决的关键问题。汽车的燃料消耗和二氧化碳废气的排放量与汽车重量存在密切的关系，寻找较轻且性能良好的材料代替钢制汽车零件成为一个重要的研究方向。碳纤维增强复合材料具有强度高、重量轻、耐高温、耐腐蚀、热力学性能优良等特点，碳纤维增强复合材料用于制造汽车车身、发动机零件等，可有效降低汽车自重并提高汽车性能，是当前汽车材料轻量化的重要研究发展方向之一。本文介绍了碳纤维增强复合材料的特点、成型工艺及在汽车行业的应用情况，以及碳纤维增强复合材料在汽车应用中存在的问题。

关键词：碳纤维 增强 汽车 应用

前言

现在社会汽车已成为人民出行必不可少的交通工具，在汽车给人类带来方便的同时也给环境带来了污染，汽车的燃料消耗和二氧化碳废气的排放量与汽车重量存在密切的关系，美国能源部相关研究表明，美国现有的汽车，如减重25％，每天可节省750,000桶燃油，每年二氧化碳的排放量可减少1.01亿吨，因此汽车轻量化已成为汽车工业技术发展的重要方向。除了对汽车各种零部件结构进行优化设计和改进外，采用高性能轻质材料是实现汽车轻量化的一条重要途径。如选用铝、镁、钛、高强度钢、工程塑料和复合材料等，用以制造汽车车身、底盘、发动机等零部件，可以有效的减轻汽车自重，提高发动机效率。

碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料，是目前最先进的复合材料之一。它以其质量轻、强度高、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗腐蚀材料，是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。纤维增强复合材料具有高强度、高模量，已在航天航空等领域广泛使用，是制造卫星、导弹、飞机的重要结构零部件的关键结构材料，同时也受到汽车工业广泛重视，碳纤维增强复合材料在汽车方面主要是汽车骨架、缓冲器、弹簧片、引擎零件等，早在1979年，福特汽车公司就在实验车上作了试验，将其车身、框架等160个部件用碳纤维复合材料制造，结果整车减重33％，汽油的利用率提高了44％，同时大大降低了振动和噪音。

碳纤维具有比重小、强度高、模量高、耐腐蚀等特点，可用于制造碳纤维增强聚合物、金属、陶瓷基复合材料，是先进复合材料最重要的增强体。碳纤维增强复合材料用于制造汽车车身、发动机零件等，可有效降低汽车自重并提高汽车性能。本文将简述碳纤维增强复合材料的性能特点，及其在汽车工业应用的前景和存在的问题。由于碳纤维增强复合材料的价格昂贵，严重影响其在汽车工业中的应用。因此，发展廉价的碳纤维和高效率碳纤维增强复合材料的生产方法和工艺已成为汽车轻量化材料研究中的关键课题，美国、日本等已将其列为汽车轻量化材料的研究计划。

碳纤维增强复合材料的特性

碳纤维增强复合材料以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。

碳纤维增强复合材料的成型加工技术包括碳纤维的坯体制造、碳基体的制造和基体与纤维的复合。首先，将碳纤维或碳纤维织物制成坯体，根据原料形式不同分为：长纤维缠绕法；碳毡短纤维模压或喷射成型；石墨布叠层。目前，其坯体研制以三向织物为主，三向织物以X、Y、Z方向互成90度正交排列，各方向的碳纤维在织物中保持准直，因此能较好的发挥纤维的力学性能。其次，制作复合材料的基体。碳-碳复合材料的基体有树脂碳和热解碳两种，树脂碳是由合成树脂或沥青经碳化和石墨化获得，热解碳是由烃类气体的气相沉积获得。最后，把坯体与基体复合成型。

碳纤维增强复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。

（1）具有很高的强度和弹性模量（刚性）。它的比重一般为1.70～1.80g/cm3，密度低（1.7g/cm3左右）在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200oC时可保留室温强度，强度为1200～7000MPa，；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料。纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。

（2）热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异

（3）耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部。

碳纤维增强复合材料在汽车行业的应用情况

碳纤维增强复合材料具有高强度、高模量，已在航天航空等领域广泛使用，是制造卫星、导弹、飞机的重要结构零部件的关键结构材料。由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，它也是适用于制造汽车主结构――车身、底盘最轻的材料，受到汽车工业广泛重视。主要的应用有：发动机系统中的推杆、连杆、摇杆、水泵叶轮，传动系统中的传动轴、离合器片、加速装置及其罩等，底盘系统中的悬置件、弹簧片、框架、散热器等，车体上的车顶内外衬、地板、侧门等。自从1953年第一辆全复合材料车身的汽车问世以来，复合材料在汽车上的应用不断增多。如今在汽车车身、尾翼、汽车底盘，发动机罩、汽车内饰等各个地方我们都能够发现碳纤维复合材料的身影。

碳纤维增强复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重量40～60％，相当于钢结构重量的1/3～1/6。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，结果表明碳纤维增强聚合物材料车身重172kg，而钢制车身重量为368kg，减重约50％。但由于碳纤维成本过高，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用有限，仅在一些F1赛车、高级轿车、小批量车型上有所应用，如BMW公司的Z-22的车身，福特公司的GT40车身、保时捷GT3承载式车身等，碳纤维增强复合材料以其优异的性能取得了飞速发展并且在社会各领域得到了越来越广泛的应用.增强纤维作为纤维增强复合材料的一个重要组分,其性能如何将直接影响着复合材料的应用层次,而且高性能增强纤维作为高竞争性、高赢利性品种一直是世界各大生产商乐于巨额投资的研发项目品种,它的发展及其在先进复合材料中的适应程度在目前乃至将来都有许多值得探索的地方.在先进复合材料中, 碳纤维增强复合材料是目前最常应用的高性能增强纤维之一，碳纤维复合材料具有足够的强度和刚度以及优良的综合性能，它的应用将可大幅度降低汽车自重达40～60％，对汽车轻量化具有十分重要的意义，已成为汽车轻量化材料的重要发展方向。为提高碳纤维增强复合材料的用量，美国、欧洲、日本等通过加紧研究廉价碳纤维的原丝（高品级聚丙烯晴丝）和碳纤维的低成本、高速率的生产工艺，使碳纤维的价格降低到约3美元/磅。目前碳纤维增强复合材料已用于赛车、重卡、混合动力车的各种零部件的生产。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，抗拉强度却达到钢的7-9倍，以其制造的汽车可以节约燃油30％。碳纤维最初只应用于军事、航空航天等高科技领域，随着近年来碳纤维行业的逐步发展，才慢慢向汽车以及其他民用领域扩展。

1992年通用汽车公司介绍了超轻概念车（Ultralite Concept Car），该车的车身采用碳纤维复合材料，由手铺碳纤维预浸料工艺制造，整体车身的质量为191kg。用碳纤维取代钢材制造车身和底盘构件，可减轻质量 68%，从而节约汽油消耗40%。

丰田设计的“1/X”混合动力车，由于车身骨架采用碳纤维材料，创造出百公里耗油仅2.7升的超低燃耗记录。此外，三菱EVO X极致轻量化的车身改造，均缘于大量碳纤维套件的使用，如牌照框、导风罩、散热孔罩等构件均采用碳纤维材料。

卓尔泰克（Zoltek），是美国碳纤维领先制造商，已成立一个新的子公司，称为 Zoltek Automotive（卓尔泰克汽车公司），加快对轻质碳纤维在汽车业大幅应用的领域。这个新子公司将由两位在汽车复合材料应用方面德高望重的专家领导，并有超过12名来自卓尔泰克已有业务中的工程技术人员及其面向全球的销售人员加盟。

卓尔泰克公司董事长兼首席执行官Zsolt Rumy表示：“我们一直把汽车行业看作是我们的低成本、高性能碳纤维的最大的一个潜在市场。虽然我们已积极开发车用碳纤维很多年了，Zoltek Automotive的成立则是我们将产品开发与潜在市场需求更紧密联系的一个新的开始。我们将通过Zoltek Automotive的专业技术，开发新的生产方式，帮汽车行业客户制造性价比更高的碳纤维加工产品，使碳纤维技术的应用和流程更简易高效。”

日本帝人集团的总裁，也同样对进军碳纤维市场充满信心，认为通过未来几年在车辆中使用碳纤维增强塑料（CFRP），能够帮助电动汽车车身减重一半以上。

碳纤维复合材料具有比金属材料更高的刚性和抗冲击性能，还具有极佳的能量吸收能力，进一步保证了碳纤维复合材料汽车的安全性。据介绍，碳纤维复合材料的能量吸收能力比金属材料高4-5倍左右。数年来，F1车队一直采用碳纤维复合材料制造其赛车的碰撞缓冲构件，从而显着减少了这顶级汽车运动项目中的重伤事故。

碳纤维增强复合材料在汽车中的应用存在的问题

虽然碳纤维增强复合材料具有高强度、高模量、比重小、耐腐蚀且具有较高的强度和硬度，但碳纤维增强复合材料的价格昂贵，大批量、高效率生产汽车零部件的工艺方法仍需要进一步发展、完善，严重影响其在汽车工业中的应用。除了价格因素之外，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用还存着在一些问题需要解决。存在的问题如下：

1.成本问题。碳纤维增强复合材料所用的纤维和基体材料价格高，是该材料在汽车工业广泛使用最大的障碍。生产碳纤维的原丝――聚丙烯晴丝较贵，美国正在研究以纺织商品级的聚丙烯晴丝为原丝并能够快速生产廉价碳纤维的工艺，可望将碳纤维的价格降至3美元/磅。

2.缺乏大批量、高生产效率的碳纤维复合材料汽车零部件的生产方法。

需研究能够生产多种形状和性能的汽车零部件工艺方法，由于汽车行业特点，要求工艺成本要低，生产率要高。研究发展高效、低成本的复合材料零件生产工艺意义重大。

3.缺乏复合材料的快速、大批量连接技术。4.复合材料汽车零部件的回收再利用问题。

5.碳纤维增强热固性树脂基复合材料的回收尚存在一定问题，有待解决。6.复合材料汽车零件的设计数据、试验方法、分析工具、碰撞模型等尚不完善。

结束语

碳纤维增强复合材料如此昂贵，还有发展空间吗？答案是肯定的。目前碳纤维增强复合材料在技术等各方面都取得了长足的进展，应用领域也在不断扩展，从以前主要集中在航空航天及代表科技前沿的军事领域，逐步拓展到工业应用领域，特别是近几年以来，碳纤维增强复合材料在土木工程、交通运输、纺织机械等方面的应用大幅增长，尤其在汽车上的应用大幅增加，据相关部门预测，世界碳纤维需求每年将以大约13％的速度飞速增长。谁先掌握先机的技术，研究出高效率，成本低的生产先进工艺就能占领整个市场，因此而获得巨大的经济效益。目前我们需要做的是研究高效、低成本的生产工艺，研究快速、大批量的链接技术，研究回收复合材料的回收再利用技术，完善复合材料汽车零件的设计数据、实验方法、分析工具、碰撞模型等，从这几个方面入手，碳纤维增强复合材料的成本会大大降低。

目前碳纤维材料在民用量产汽车，尤其是中档产品应用也十分广泛，很多厂商也已经开始提供碳纤维材料的小组件，如后视镜壳、内饰门板、门把手、排挡杆、赛车座椅、空气套件等，同时可以原装位安装到发动机舱的风箱、进气歧管等碳纤维改装件也是品种繁多。碳纤维材料在汽车领域的应用越来越多也越来越广泛，相信在不久的未来，汽车排放越来越“低碳”，而汽车本身则会越来越“高碳”。随着碳纤维行业的不断成熟与发展，以及节能减排和汽车轻量化大方向的指引，碳纤维材料或成汽车界“瘦身革命”的领导者。可以预见，碳纤维轻量车身必将掀起一股新的变革潮流，一个新的市场突破点正在形成。

国际上已将碳纤维复合材料在汽车中的应用列为汽车轻量化材料发展计划的关键内容，并取得了重大进展国际碳纤维市场发展迅速，需求量的不断增长也给中国碳纤维行业提供了难得的发展机遇。随着应用研究的进一步深入，未来碳纤维产品将趋向于高性能化，民用、工业用量将继续保持大幅增长趋势。受益于庞大的内需市场，碳纤维增强材料汽车零部件这一细分市场必将有巨大的增长空间。

参考文献

[1]翟国华，候培民．新世纪中国汽车工业用纤维的发展．合成纤维工业，2003，26(3)：l一4

[2]贺福.汽车工业的新型材料——碳纤维增强复合材料[J];世界汽车;1979年05期 [3]陈光大．碳纤维的应用前景．中国投资，2002．3：24～25 [4]冯美斌.汽车轻量化技术中新材料的发展及应用[J];汽车工程;2006年03期

[5]敖辽辉.高精度碳纤维复合材料模具制造技术[A];中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C];2003年

碳纤维复合材料应用 第6篇

一、碳纤维复合材料的发展和战略地位

碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能，正逐步征服和取代传统材料。现已广泛应用于航天、航空和军事领域。世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。

碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。经过二十多年的发展，碳纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期，其工业地位已基本确立，美、日、英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分，并已逐步形成垄断优势。

我国对碳纤维的研究由于起步较晚，技术力量薄弱，虽然碳纤维及其复合材料在我国已被纳入国家“863”和“973”计划，但总体情况不尽理想，我国仍不具备成熟的碳纤维工业化生产技术，国防和民用碳纤维产品基本依赖进口。

二、碳纤维复合材料的性能和用途

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工性好，沿纤维轴方向表现出很高的强度，且碳纤维比重小。

1、碳纤维的化学性能

碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。这是历史上最早就被人类认识的碳素材料的特征之一。除强氧化性酸等特殊物质外，在常温常压附近，几乎为化学惰性。可以认为在普通的工作温度≤250℃环境下使用，很难观察到碳纤维发生化学变化。根据有关资料介绍，从碳素材料的化学性质分析，在≤250℃环境下，碳素材料既没有明显的氧化发生，也没有生成碳化物和层间化合物生成。由于碳素材料具有气孔结构，因此气孔率高达25％左右，在加热过程易产生吸附气体脱气情况，这样的过程更有利于我们稳定电气性能和在电热领域的应用。

2、碳纤维的物理性能（a）热学性质

碳素材料因石墨晶体的高度各向异性，而不同于一般固体物质与温度的依存性，从工业的应用角度来看，碳素材料比热大体上是恒定的。几乎不随石墨化度和碳素材料的种类而变化。（b）导热性质

碳素材料热传导机理并不依赖于电子，而是依靠晶格振动导热，因此，不符合金属所遵循的维德曼—夫兰兹定律。根据有关资料介绍，普通的碳素材料导热系数极高，平行于晶粒方向的导热系数可与黄铜媲美。（c）电学性质 碳素材料电学性质主要与石墨晶体的电子行为和不同的处理温度有关，石墨的电子能带结构和载流子的种类及其扩散机理决定了上述性质。碳素材料这类电学性质具有本征半导体所具备的特征，电阻率变化主要与载流子的数量变化有关。

3、碳纤维的主要用途

与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。

由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。

最神奇的应用是采用长碳纤维制成的“纳米绳”可以将“太空电梯”由理想变为现实，太空电梯将可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上，也可以用这种“纳米绳”将太空中发射平台与地面固定在一起，在这样的发射平台上发射人造卫星和太空探测器就可以大大降低发射成本。

总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面：

（1）宇航工业 用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层；卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件；航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件；哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无线电天线。

（2）航空工业 用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，此外还有C/C刹车片。

（3）交通运输 用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件；船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇，以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆；海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。

（4）运动器材 用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。

（5）土木建筑 幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。

（6）其它工业 化工用的防腐泵、阀、槽、罐；催化剂，吸附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。

三、碳纤维复合材料在电线电缆中的应用

碳纤维以其固有的特性赋予了其复合材料优异的性能，它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，从而为其在电线电缆行业中的应用提供了可能和必然。

（一）碳纤维加热电缆的开发和应用

人们早就知道，以金属材料为发热体的电加热技术已在各个领域得到了广泛的应用。但是金属丝在高温状态下表面易氧化，由于氧化层不断的增厚，造成了有效通过电流的面积减小，增大了电流的负荷，因此易烧断。在相同的允许的电流负荷面积下，金属丝的强度比碳纤维低6－10倍，在使用过程中易折断。

碳纤维是一种石墨的六方晶格层状结构组成，是一种全黑体材料，因此在电热应用中，表现出来的电热转换效率高。在特定的条件下，高温不氧化，单位面积的电流的负荷强度和机械强度不发生改变。

目前碳纤维加热电缆的应用如下：

低温辐射发热电缆地板采暖系统。

恒温育雏箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保温采暖。

道路化雪、机场跑道化雪：用于混凝土结构中楼面加热的理想产品，也可以用在融雪装置中，对屋面雨水和排水管进行防霜，还可以用于土壤加热。

管道、罐体保温防冻：电伴热产品近几年在中国得到了大力的推广和广泛的应用。其应用领域主要集中在石油、化工、电力、铁路和民用或商业建筑等。随着中国电力工业的发展，以清洁、无二次污染的电能为主要能源的电伴热产品市场前景非常广阔，同时，也为电伴热产品的性能提出了更高的要求。

足球场草坪、公共绿地土壤保温：太阳能热水器电能补充加热器，主要用于在长期阴雨天或寒冬季节，因光照不足而导致太阳能热水器水温不能满足生活、工程需要时，为补充热能而设计的。它具有较强的耐酷暑、严寒和高温潮湿环境的性能，并具有防干烧的功能。即使偶尔水箱缺水误通电，也不至于烧坏电加热器和水箱，故能确保安全使用。

（二）碳纤维复合芯导线的开发和应用

我国是个缺电的国家，不仅发电业的发展滞后，输电业的弊端也凸现出来，输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求，由于过负荷造成的停电、断电故障频频发生，电力传输成为电力工业发展的“瓶颈”，各国均在研究新型架空输电路用导线，以取代传统的钢芯铝绞线，碳纤维复合芯导线由此应运而生。与钢芯铝绞线相比，碳纤维复合芯导线具有以下优点：

１、和同样直径的ACSR电缆相比，可以提供双倍的载流容量。２、有效解决电缆下垂问题。

３、可以在更高的温度下工作，最高可达200摄氏度。４、线芯可以抗腐蚀，而且没有双金属间腐蚀问题。

５、因为可以提供更高的载流容量，所以同时也有效的降低了工程成本。６、与相同直径传统电缆相比可以多容纳28%的导体。

７、高强度线芯可以有效减少电缆架的数量，或降低电缆架的高度。８、有效减少电缆下垂，使地面生物更加安全。

除了上述提及的优点外，还可减少传输中电力的损耗，减少20%的塔杆，节省用地，减少有色金属资源消耗，有助于构造安全、环保、高效节约型输电网络。

目前世界上只有美国和日本开发出这种新型导线，他们还达成默契：不向第三国输出，日本一家碳纤维导线企业的产量就占到世界40%左右。

目前我国电线电缆研究所、电力建筑研究院以及国家电网有限公司都已经开始了对ACCC导线的试验研究工作。国内电缆厂家也加大与外方合作，将这种新型电缆引进到中国生产，积极推动我国架空输电线路的技术革命。最近福建电网已经将该新型导线架设运行。

（三）在高低温、腐蚀等苛刻环境应用的可能

碳纤维细如蛛丝，三型碳纤维比强度是钢的62倍以上，成形工艺性好，是一代新型工程材料，其弹性量高，抗变性能力比钢大2倍多，抗拉强度30～40t/cm2pa,而比重还不到钢的四分之一，是铝合金的二分之一，高弹模量比钢铁大16倍，比铝合金大12倍。且碳纤维比钢等柔软。因此，碳纤维可用于要求能承重、不易损伤内部元件的电缆的加强芯，如海底光缆等。碳纤维可以耐－180℃的低温，在此条件下，许多材料都变的很脆，连坚固的钢铁也变的比玻璃还容易碎，而碳纤维在此条件下依旧很柔软。因此，碳纤维复合芯可用于极寒（如南极考察研究等）条件下输电载体的设计和制造。

碳纤维又可以耐3000℃～3500℃的高温，在此高温下最好的耐热钢也变成钢水，但在没有氧气的情况下，碳纤维没有变化。碳纤维即使从3000℃的高温快速冷却到室温也不会炸裂，因而可在急冷急热的环境中工作。这为钢铁、冶金、锅炉等行业中高温特高温场合电缆的设计提供了可能。此外，碳纤维纱、碳纤维绳、碳纤维布都可用于消防电缆产品的设计选用。

碳纤维有超强的耐腐蚀性。金属中耐腐蚀性最强的是黄金和铂，在一份硝酸（浓度70％）和三份硫酸（浓度39％）配成的称“王水”的溶液中黄金、铂会被腐蚀的千疮百孔，而“王水”中的碳纤维却安然无恙。为各种化学环境下轻型耐化学腐蚀电缆的设计提供了新的思路。

四、发展建议

碳纤维材料的产业化是实现碳纤维导线在国内输电行业的产业化的前提和保证。碳纤维材料价格则是制约产业化应用的关键。

我国从八十年代初期开始起步，加大了对碳纤维材料的研究和开发力度，并也着力于碳纤维材料产业化基地的建设，但由于国外设备、技术封锁，至今未见重大突破，产品质量不稳定性，预计今后每年至少一万吨的缺口。

２０００年前碳纤维材料的价格水平为５万美圆／吨左右，比铝的价格要高２０倍多。但是近两年，由于国际政治形势和军事格局的变化，碳纤维材料价格受其影响，大幅度上升。这无疑都将对我国现代化的建设成本形成巨大的压力和负担。最近，我国福建电网从美国复合材料工程公司（CTC）购置了60公里ACCC导线（铝导体复合芯架空导线）应用在福建省厦门和福州电网中，其价格水平为１５万元人民币／公里。这比我们一直使用的钢芯铝绞线的价格要高几倍。

各科研院所应进一步加大碳纤维材料的基础应用研究和开发，建立我国自主知识产权，实现碳纤维材料的质量稳定，降低成本。同时要采用国家投入和民间投入相结合的方式，加大碳纤维在航天和军工以外的民品应用，有助于碳纤维产业的健康持续发展。

最近，我国国内碳纤维产业发展面临重大机遇。辽宁圣华科技有限公司落户抚顺经济开发区后，可以把现有抚顺部分企业培育成碳纤维及复合材料的龙头企业，发挥其带动和辐射功能，把抚顺建设成为全国碳纤维研发基地和产业基地。