碳纤维在航天、航空、汽车、电子、机械等领域的应用

碳纤维是发展国防军工与国民经济的重要战略物资，属于技术密集型的关键材料。目前，已经成熟的碳纤维应用形式有四种，即碳纤维、碳纤维织物、碳纤维预浸料坯和切短纤维。碳纤维织物是碳纤维重要的应用形式。碳纤维织物可分为碳纤维机织物、碳纤维针织物、碳纤维毡和碳纤维异形织造织物。碳纤维主要以“缠绕成型法”应用为主。碳纤维织物主要以“树脂转注成型法（RTM也称真空辅助成型工艺）​”应用为主。预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列或碳纤维织物经树脂浸泡，加热和塑化，使其转化成片状的一种产品。切短纤维是指将聚丙烯腈基碳纤维长丝切成数毫米长的短纤维，与塑料、金属、橡胶等材料进行复合，以增加材料的强度和耐磨性。

在世界工业化高速发展的大背景下，碳纤维用途正趋向多样化。碳纤维材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用。从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等到运动器材和休闲用品等。碳纤维增强的复合材料可以应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。碳纤维是典型的高科技领域中的新型工业材料。

（1）航空航天领域
碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机等尖端武器装备必不可少的战略基础材料。将碳纤维复合材料应用在战略导弹的弹体和发动机壳体上，可大大减轻重量，提高导弹的射程和突击能力，如美国20世纪80年代研制的洲际导弹三级壳体全都采用碳纤维和环氧树脂复合材料。碳纤维复合材料在新一代战斗机上也开始得到大量使用，如美国第四代战斗机F22采用了约为24%的碳纤维复合材料，从而使该战斗机具有超高音速巡航、超视距作战、高机动性和隐身等特性。美国波音推出新一代高速宽体客机的音速巡洋舰，约60%的结构部件都采用强化碳纤维塑料复合材料制成，其中包括机翼。采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机以及卫星、火箭等宇宙飞行器，噪声小，而且因质量小而动力消耗少，可节约大量燃料。据报道，航天飞行器的质量每减少1kg，就可使运载火箭减轻500kg。航空应用中对碳纤维的需求正在不断增多，新一代大型民用客机空客A380和波音787使用了约为50%的碳纤维复合材料。波音777飞机利用碳纤维做结构材料，包括水平和垂直的横尾翼与横梁，称为重要结构材料，所以对其质量要求极其苛刻。波音787的机身也采用碳纤维，这使飞机飞得更快、油耗更低，同时能增加客舱湿度，让乘客更舒适。空客也在它们的飞机上使用了大量的碳纤维，碳纤维将被大量应用在新型客机A380上。这使飞机机体的结构重量减轻了20%，比同类飞机可节省20%的燃油，从而大幅降低了运行成本、减少了二氧化碳排放。

（2）土木建筑领域
碳纤维密度小、强度高、抗腐蚀性好、柔韧性好、稳定性好、应变能力强，是桥梁、建筑物加固和抗震的理想材料，在工业与民用建筑物、桥梁、隧道等建筑领域发展很快。碳纤维制成的构架屋顶，可减小建筑的体积和质量，使施工效率和抗震性提高。碳纤维增强混凝土具有普通增强型混凝土所不具备的优良机械性能、防水渗透性能、耐温差性能，在强碱环境下具有稳定的化学性能、持久的机械强度和尺寸稳定性，可用作高层建筑的外墙墙板。碳纤维复合材料的强度和模量高于钢材，弹性模量与钢材相当，但是拉伸强度远远大于钢材，耐久性能好，作为土木工程材料，在美国、日本和欧洲等国家与地区得到了大量推广。碳纤维复合材料补强混凝土时，不需要加铆钉和螺栓固定，耐久性好，可提高结构构件抗弯承载力，减少地震危害，施工工艺简单，不改变混凝土结构，延长使用寿命。

（3）体育运动领域
碳纤维最早的商业化应用就是体育运动休闲领域，如高尔夫球杆、球拍、帆船桅杆、棒球球杆等。高尔夫球杆使用碳纤维使其质量减小，球可以获得较大的初速度，同时，碳纤维具有高阻尼特性，所以击球时间增加，球被击起的距离增加。高级自行车的关键部位大多使用碳纤维，赋予车体较好的刚性和减震性能，且质量较小。由碳纤维制造的自行车质量仅9.5kg，为普通自行车的2/5，但是抗撞击能力却为普通自行车的8倍。碳纤维还应用在划船、赛艇等其他海洋运动中。

（4）汽车制造领域
碳纤维材料现已成为汽车制造商青睐的材料。目前，碳纤维复合材料的车身、底盘、传动轴、刹车片、轮毂、尾翼和引擎盖已经在汽车行业中被广泛应用。碳纤维增强聚合物基复合材料由于有足够的强度和刚度，是制造汽车车身和底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身和底盘减重40%～60%，相当于钢结构质量的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368kg，减重约50%。碳纤维制动盘被广泛用于竞赛用汽车上，如F1赛车。它能够在50m的距离内将汽车的速度从300km/h降低到50km/h，此时制动盘的温度会升高到900 ℃以上，制动盘会因为吸收大量的热能而变红。碳纤维制动盘能够承受2500 ℃的高温，而且具有非常优秀的制动稳定性。

（5）能源开发领域
由于传统火力发电对环境有污染，所以风力发电越来越受到人们的重视。提高发电效率一直是风力发电追求的目标。随着科技的进步，传统玻璃纤维在大型复合材料叶片中逐渐显示其性能的不足，耐久性好、质量小、高强的玻璃纤维和碳纤维复合材料成为发电机叶片的首选材料，可以提高叶片的捕风能力。用于对材料强度和刚度要求高的翼缘部位，不但可以提高叶片的承载能力，促进风力发电的发展，而且碳纤维的导电性可避免雷击损伤。据分析，采用碳纤维叶片可减重20%～40%。

（6）医疗卫生领域
碳纤维及其复合材料可以制成人造假肢和人工骨骼等，性能稳定，生物相容性好，可与人体细胞共存。杨小平等研制的碳纤维导电发热材料具有辅助理疗保健的作用，可加快新陈代谢，促进血液循环，加快伤口愈合速度。碳纤维还具有X光透过性，CT扫描时将木床改为碳纤维纺织品覆盖可以减少对X光的吸收，碳纤维X光线透过性为木材的10倍。随着医疗水平的提高，在仪器设备上采用碳纤维复合材料具有较大的应用前景。

此外，碳纤维在电子通信、石油开采、基础设施等领域也有着广泛的应用，主要用于防电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极、电子管的栅极，在生化防护、除臭氧、食品等领域中也有很出色的表现。