碳纤维复合材料精选(九篇)

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第1篇：碳纤维复合材料范文

[关键词]碳纤维复合材料；特性；应用

1、引言

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，主要作为增强材料与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成结构材料，其比强度、比模量综合指标在现有材料中是最高的，力学性能颇具优势，所以被广泛应用于各个领域。

2、碳纤维材料的特性

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特殊纤维，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90%以上，不仅具有一般碳素材料的特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，但仅依靠碳纤维片本身并不能充分发挥其强大的力学特性及优越的耐久性能，只有通过环氧树脂将碳纤维片粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密结合才能达到补强的目的，具体具有以下特性：

（1）沿纤维轴方向有很高的强度，碳纤维的拉伸强度为2～7GPa，约为钢材的10倍，其树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为230～430Gpa亦高于钢，经应力疲劳数百万次的循环试验，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，玻璃只有20%～25%，所以所取安全系数为最低，但碳纤维的径向强度不如轴向强度，剪断强度弱，耐冲击性差；

（2）非氧化环境下具有突出的耐热性能，可以耐受2000℃以上的高温，碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降，而且温度越高，纤维强度越大；

（3）外形有显著的各向异性、柔软，可加工成各种织物、毡、席、带、纸及其他材料；

（4）热膨胀系数小，变形量小，结构尺寸稳定性好；

（5）具有极好的纤度，一般仅约19g，密度约为1.5～2g/cm3，比重比铝还要轻，重量约为钢材的1/5，比强度却是铁的20倍；

（6）耐腐蚀性好，碳纤维的成分几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元素之一，除强氧化酸以外，能在各种有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，不存在生锈问题；

（7）耐磨性好，与金属对磨时，损耗很少，可制成高级的摩擦材料。

3、碳纤维在各领域的应用

据报道航天飞行器的重量每减少1Kg，就可使运载火箭减轻500Kg，所以在航空航天工业中争相采用先进复合材料，由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，因其比重小、刚性好和强度高而成为火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备中必不可少一种先进材料。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，提高导弹的射程和冲击能力；碳纤维应用在舰艇上可减轻结构重量，增加舰艇有效负载，从而提高运送作战物资的能力；在飞机上大量应用碳纤维环氧复合材料能够减轻重量、节省燃油、降低排放、减少温室气体的排放；用碳纤维制作的耳机重量轻、强度好，既能减轻头部压力，又提高了人员佩戴的舒适性。

在土木建筑领域，碳纤维也应用在工业与民用建筑物、铁路、公路、桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强，具有密度小、强度高、耐久性好、应变能力强、抗腐蚀能力强的特点，可耐酸、碱等化学品腐蚀， 柔韧性佳。用碳纤维管制作的桁梁构架屋顶， 比钢材轻50%左右， 使大型结构物达到了实用化的水平，而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高， 碳纤维做补强混凝土结构时， 不需要增加螺栓和铆钉固定， 对原混凝土结构扰动较小， 施工工艺简便。

在运动休闲领域中，像球杆、钓鱼竿、网球拍、羽毛球拍、自行车、滑雪杖、滑雪板、帆板桅杆、航海船体等运动用品都是碳纤维的主要用户之一。体育应用中的重要应用为球棒和球拍框架，全世界40%的球棒都是由碳纤维制成的，全世界碳纤维钓鱼杆的产量约为每年2000万副，网球拍框架的市场容量约为每年600万副，碳纤维还应用在划船、赛艇等其它海洋运动中。

日常用品中音响、浴霸、取暖器，远红外理疗产品等家用电器以及手机、笔记本电脑等电子产品都会应用到碳纤维。

4、结束语

由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好、设计性好以及可大面积整体成型等诸多优点，已在航空航天、国防军工和民用工业领域得到广泛应用。据《2013-2017年中国碳纤维行业深度调研与投资战略规划分析报告》数据显示我国是碳纤维需求大国，2011年碳纤维市场规模达到6811.22吨，然而受供应不足的影响，国内碳纤维市场发展相对较为缓慢，预计未来几年，随着供应量的提升以及宏观经济的整体性好，我国碳纤维行业的需求量也将保持着较快速度的增长，不过国产碳纤维落后的技术却成为制约着我国碳纤维行业健康稳健发展的“拦路虎”，这直接导致我国碳纤维产品质量与进口产品之间的明显差距，也极大地限制了国产碳纤维产品在高端领域的应用，目前我国碳纤维产品在应用上集中于低端领域，在碳纤维质量要求较高的航空航天领域的应用比例仅为3%，远远没达到国际上碳纤维行业在航空航天领域应用占比的平均水平，而在质量要求相对较低的运动休闲用品领域，碳纤维的应用比例却高达80%左右，四倍于国际上碳纤维在运动休闲用品领域应用的平均水平，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碳纤维的生产工艺技术水平。

参考文献

[1]Doug Smock.准备迎接碳材料革命.美国 技术专题

第2篇：碳纤维复合材料范文

【关键词】复合材料 混合模式 弯曲试验 声发射

1 前言

随着碳纤维复合材料在高压容器，航空航天等领域应用的逐渐深入，复合材料损伤机理分析及整体完整性检测也在大量开展[1-3]。层合复合材料的层间结合较弱，分层敏感性成为许多先进复合材料的主要弱点[4-9]。因此，评价复合材料抵抗分层的能力问题倍受人们关注。本文研究了典型的碳/环氧复合材料的Ⅰ/ Ⅱ混合模式分层行为和层间断裂韧性，同时采用美国PAC公司的声发射设备进行全过程采集声发射信号，并对如计数，能量等参量及波形进行了分析，结合材料的力学性能讨论了复合材料损伤行为与AE信号特征的对应关系，为AE技术在复合材料损伤机理研究和安全性能评估方面提供参考。

图1？试验装置

2 试验部分

2.1 混合模式弯曲试样

试验采用浙江大学提供的碳纤维[0/90]4s复合材料，编号为5-1-1、5-1-2，试样尺寸150×20×3，试件一端切除长25mm的缺口，可以形成张开和剪切两种分层形式，同时几何中面埋入长50mm、厚0.02mm 的聚四氟乙烯薄膜，形成预制分层。

2.2 试验设备及方法

采用MTS 810型材料试验机对试样进行加载，速率为1mm/min。声发射仪为PAC的 samos-48，AE参数设置为峰值定义时间50μs，撞击定义时间200μs，撞击闭锁时间300μs，门槛值40dB。耦合剂为真空脂，将R15I型传感器缠绕固定在试样一端，试验装置如图1所示：

3 分析讨论

3.1 力学性能分析

试样在加载过程中，缺口侧预制分层逐渐张开，铺层间存在分层张力，同时由于上下铺层间弯曲变形的不协调性，层间存在剪切应力。

研究表明此碳纤维复合材料的分层扩展行为属于脆性的分层断裂，如图2所示。加载开始，随着位移的增加载荷直线增长，呈现一个很好的线性加载阶段a（0-95s）；它反映了分层层间的基体和界面中微损伤的累积，分层力为层间剪切力； 当载荷超过到层间剪切的临界值，层间发生微观错动； 有一个微弱的非线性过程b（95-160s），期间分层间纤维，粘结面不断受张开拉力，剪切力陆续断裂，此刻宏观观测到层间已发生相对错动，预制薄膜分层逐渐张开，载荷略有下降。此后发展着一个可控制的稳定的分层扩展过程c，即位移继续增加，分层平稳地张开，位移停止，分层张开随即中止，可看到分层沿着试样弯曲切线方向逐渐张开，分层为张开拉力所致。

图2？位移-载荷曲

3.2 声学特性分析

图3为试样5-1-2的时间-能量曲线图，可以看出0-95s（a阶段）为低能量持续性信号，说明此阶段层间的基体和界面中微损伤的不断积累，释放微弱信号。95-160s（b阶段）持续产生中等能量的撞击，可解释为达到层间剪切的临界值后分层界面开始错动，可观测到上下铺层沿着预制薄膜分层逐渐张开，部分短纤维束，粘结剂受剪切力，张开拉力等因素陆续断裂，释放一定能量的信号。随着试件的进一步弯曲（c阶段），分层前沿不断前移开裂，更多的短纤维被拉断，

上下铺层沿着预制薄膜处逐渐分层，张开，更多的长纤维束被拉断，258s时分层开裂至加载点，下铺层与弯曲曲线相切，这个阶段集中释放了大量高能量信号。

从两个试件的时间-计数、时间-能量关系图4中也能看出曲线存在（95s、160s）2个拐点，三个阶段与图2、3中a、b、c阶段相对应，通过拐点可判断试样的受力状态及分层内部的活动状态。

图4？时间-计数-能量曲线

复合材料混合模式分层的声发射源可简化为纤维拉伸断裂、层间剪切错动摩擦，界面脱胶三种形式。图5为试样的持续时间-能量-幅值的散点分布图，可以看出撞击信号分为两个典型的区域。Ⅰ区为小于50dB的低幅值、低能量，能量与持续时间不成比例的撞击信号，是因为层间微弱剪切错动，相互摩擦，界面脱胶所释放的声波在高频区域能量较小，幅值很低，信号单一。Ⅱ区为能量与持续时间成正比的，幅值较高且分布广泛的信号，可解释为纤维断裂所释放的高频断裂信号，信号特征较集中。

图5？持续时间--能量―幅值曲线

4 结论

（1）通过力学性能测试发现碳纤维复合材料混合模式分层阶段为剪切分层，混合分层，张力分层过程；

（2）通过对分层信号分析可有效的监测其内部活跃情况，剪切分层信号能量，幅值很低，混合分层信号幅值较大，能量与持续时间成正比，张力分层时期为典型的纤维断裂信号，信号特征教集中；

（3）声发射信号曲线与力学性能曲线有一致的对应关系和吻合，通过对撞击信号深入分析可有效的判断材料内部分层的转换拐点，内部活跃程度，分层模式，为材料性能研究提供有力的理论支持。

参考文献

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[3] Sato N，Kuraychi T，Kamigaito O. Fracture mechanisms of unidirectional carbon reinforced epoxy resin composite[J]. J. Mater. Sci. 1986，21（3）：1005-1010

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[7] 许凤旌. 声发射技术在复合材料发展中的应用[D] . 上海：中国科学院上海冶金研究所，2000，2-10

第3篇：碳纤维复合材料范文

关键词：碳纤维；混凝土；加固

中图分类号：TU599 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）08-0155-01

作为一种高性能的复合型材料，碳纤维一直用于体育、航空航天等产业的材料应用，随着经济和科研力度的不断提升，近年来，碳纤维的价格不断降低，这促使这种高性能的材料在房屋建筑、市政、道路桥梁等行业逐渐得到应用。由于该种复合型材具有耐久性强、耐腐蚀的特点，因此在建筑等行业中主要应用于改变构件受力性能以及结构补强。而混凝土作为目前使用最为广泛的建筑原材料，它的工程力学性能一直是人们关注的问题，随着科研技术地不断发展，混凝土逐渐向高强度、多功能以及智能化的方向发展，碳纤维混凝土的出现是无机材料和有机材料的高效融合，这是一种新型的智能材料，碳纤维的使用能够大大改良混凝土的特性。

1 碳纤维材料的物化性质

碳纤维是含碳量高达90%的复合型材料，其具有耐高温、高强度、抗蠕变、耐酸碱腐蚀、可传热以及可导电等优良性质，其密度比铝小，但强度比钢材的强度还要大，它的耐腐蚀性要比不锈钢的耐腐蚀性还要优越，其耐高温性比耐热钢的还强，因此它是集力学、电学以及热学性能为一身的化工新材料。将碳纤维运用在混凝土中，对混凝土的延展性、抗冲击性等显著改善，尤其是能够显著改善传统混凝土脆性大的缺点，增强其韧性。和抗疲劳性。

2 碳纤维复合材料对混凝土的加固原理

在混凝土中加入碳纤维对混凝土进行加固，这种方法从1996年就已经被引入到国内，并很快受到工程界的强烈关注。其加固原理是将碳纤维复合材料通过一定的技术粘贴在混凝土结构的表面，通过混凝土结构和碳纤维材料之间的协同作用，最终达到对混凝土结构构件加固补强，并有效改变混凝土结构性能的目的。

3 碳纤维复合材料在混凝土加固中的应用

加固混凝土构件中使用的碳纤维材料通常有两种，一种是碳纤维材料，一种是配套树脂。正如上文提到的，碳纤维材料有高强度、自重轻、高弹性模量等优良特点；配套树脂包括有粘结树脂、找平树脂以及底层树脂，其中粘结树脂的作用是使混凝土和碳纤维材料形成统一的复合材料，而后两种树脂的作用则是提高混凝土构件和碳纤维材料。混凝土通过和碳纤维复合型材料的共同作用，达到提高混凝土抗剪承载力和混凝土构件的抗弯能力，进而达到了结构补强和加固的目的。

按照碳纤维原丝的不同能够将碳纤维布分成黏胶基、PAN基以及沥青基等三种类型的碳纤维布。在对混凝土构件进行加固时需要对构件的结构施工设计、构件腐蚀以及其实测强度等材料，利用碳纤维布对构件或者混凝土结构进行加固设计。加固用的胶粘材料包括三种：第一，底涂胶。将其涂在混凝土构件或结构的表层，能够使表层的强度得到加强，这样就能够有效提高碳纤维和混凝土的粘结性；第二，浸渍树脂，其能够使碳纤维片材相互结合在一起，并使其呈现出硬化的板状物，并能够使混凝土和碳纤维强力粘结在一起，使两者构成一个统一的复合体；第三，修补胶。该胶粘材料可以对混凝土表面进行平整，得到平整后的构件能够和碳纤维材料更好结合在一起。

4 碳纤维复合材料加固设计计算

用于混凝土构件加固的碳纤维复合型材料主要是上文介绍的碳纤维布，其在实际工程中的应用技术已经比较成熟。其优点主要体现在提高混凝土结构的受剪承载力、受弯承载力、抗震力以及抗疲劳能力等。使用碳纤维布对混凝土结构进行加固时要坚持以下两个基本原则：

①对那些钢筋锈蚀程度比较小，并且外观相对完好，并且保护层没有开裂的混凝土结构或构件，对其计算承载力时，为了方便计算可以认为混凝土和钢筋间的粘结强度以及自身强度没有降低。针对这类构件进行加固处理时只需要对其进行防腐蚀预防加固就能够提高构件的抗腐蚀性能。即对这一类型的混凝土构件进行加固时只是结构性加固，并不需要计算使用碳纤维布的数量。

②对于那些表面防护层已经破裂，钢筋锈蚀程度比较深的混凝土构件，由于其钢筋严重锈蚀，所以钢筋截面减少严重，这导致钢筋的强度严重降低，并且其和混凝土之间的粘结强度降低。因此在针对这一类型的混凝土构件进行加强时要考虑实际的结构锈蚀程度，计算所需的碳纤维布的数量。通过计算横向和纵向使用的碳纤维布的数量，进而达到提高混凝土结构的抗剪承载力和抗弯承载力。这种类型的加固是对混凝土结构的强度的提高。

计算碳纤维布用量时，应按照受力相等的力学原理，通过等效转换的方法把碳纤维布的面积等效转化成钢筋面积，公式表达为：

其中，Ase是抵抗不足弯矩需要的钢筋截面积，Acfs是碳纤维布的横截面积，fcfs是碳纤维布容许拉应力，单位取MPa，fy是钢筋抗拉强度，令fcfs=φ×β×1800，φ在这里表示为碳纤维布利用系数，按照我国目前实际工程设计的情况，建议取其值为0.85，β是层数折减系数，取值时按照表1中的规定选择准确的值。

取碳纤维布的净面积，其计算公式为：

其中，tcfs表示的是碳纤维布的厚度，n是粘结层数，Bcfs表示的是碳纤维布的幅度。

5 工程实例

某实验大楼建成时间是1988年，在2009年对该实验大楼的质量检测报告中显示大楼结构中有部分框架梁端出现了明显的裂缝，这对大楼造成了严重的质量安全隐患，因此要对出现质量问题的梁进行加固处理。考虑到该实验大楼的正常使用功能，设计人员选用具有高强度的碳纤维复合型材料对这部分梁进行加固，这样不仅能够方便施工，还能够大大缩短工期。经过对工程实际情况进行探明并对碳纤维材料进行综合考量后，决定选用FTS-CI-20碳纤维布对梁结构进行粘贴。

该碳纤维布的性能指标是：纤维布厚度0.112 mm，重量为200 g/m，纤维为单方向，其弹性模量是2.33×105 MPa，抗拉强度是3 545 MPa。工程选用的胶粘性材料为FE胶、FP胶和FR胶，这几种树脂胶使用温度为6～34 ℃，粘贴强度是2 MPa，抗剪强度是10 MPa，使用时间在25～120 min。由于本次加固属于结构性加固，因此不需要计算碳纤维布的层数，直接加固。加固采用的U型粘贴的方案直接进行梁结构加固。经过加固以后，梁的抗剪承载力比未加固前提高了42%～61%，施工期间没有妨碍大楼的正常使用，工期为2 d。

通过该工程实例证明，采用碳纤维复合型材料不仅大大方便了施工，同时也显著提高了混凝土结构的强度。

6 结 语

总之，碳纤维复合材料的优越的物理、化学以及热学特性，在加上其价格上逐渐显现出来的优势，它在建筑领域中的应用必将逐渐广泛。尽管在目前建筑工程中的使用还有某些方面的不足，但是随着科研技术的不断发展，相信在不远的未来，这种新型的复合型材料在实际工程中的应用中必定会越来越广泛。

第4篇：碳纤维复合材料范文

关键词：复合材料 湿热环境 疲劳性能

中图分类号：V258 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0076-02

碳纤维复合材料是20世纪60年代崛起的一种新材料，其密度小、比强度和比模量高、耐疲劳、性能可设计和易于整体成形等许多优异特性，一经问世就显示了强大的生命力。作为一种先进的航空航天材料，其越来越广泛地应用于航空航天等高技术领域[1-4]。飞机复合材料结构在整个服役期间，反复作用的疲劳载荷是内部构件承受的主要载荷[5]。同时，湿热环境将会影响复合材料基体的玻璃化转变温度，从而影响复合材料的力学性能。因此，在复合材料层板结构的设计、试验验证中需要考虑环境的影响。本文针对复合材料层板结构在湿热环境的疲劳性能进行了研究。

1 复合材料结构的疲劳特性

复合材料结构疲劳特性与金属结构的疲劳特性有较大差别。

金属结构对疲劳一般比较敏感，特别是含缺口结构受拉拉疲劳时，其疲劳强度会急剧下降，但复合材料一般都有优良的耐疲劳性能。对于碳纤维复合材料层板，在拉-拉疲劳下，它能在最大应力为80%极限拉伸强度的载荷下经受106次循环。在拉-压或压-压疲劳下，其疲劳强度略低一些，但106次循环对应的疲劳强度一般约为相应静强度的50%。特别是压-压疲劳下含冲击损伤试验在106次循环对应的疲劳强度，一般不低于相应静强度的60%[6]。由于目前复合材料结构设计许用值主要取决于损伤容限许用值，在这样的应变水平下，通常复合材料结构具有无限寿命，这就是“静力覆盖疲劳”的含义。

复合材料结构设计师通常利用材料的疲劳门槛值，来简化复合材料层板结构的疲劳设计过程。复合材料结构通常按照疲劳损伤无扩展的概念来进行设计。

2 复合材料结构的环境影响

碳纤维复合材料由基体材料和碳纤维增强材料组成。其中碳纤维增强体在复合材料中起主要作用，提供刚度和强度，基本控制其性能。基体起配合作用，支持和固定碳纤维，改善复合材料的性能。

通常情况下，除了极高的温度，一般都不考虑湿热对金属强度的影响。但复合材料结构则必须考虑湿热环境的影响。碳纤维复合材料的树脂基体是吸湿的，随着吸湿扩展，会使结构出现不同的吸湿量分布。这样，不仅会降低碳纤维的抗腐蚀阻力，还会使基体的玻璃化转变温度降低，从而引起由基体控制的力学性能，如压缩、剪切等性能的下降，影响其强度和刚度。

复合材料结构对湿热环境敏感，湿热环境将会影响复合材料层板的物理性能、力学性能和破坏模式[7]。因此，在复合材料结构的选材、设计和验证过程中都要考虑湿热环境的影响。目前，在复合材料结构的“积木式”试验验证体系中已经明确提出要考虑湿热环境的影响。复合材料结构的疲劳验证过程中，需要进行充足的元件或试验试验，来确定疲劳分散性和环境影响，本文对复合材料层板环境影响下的疲劳性能研究，正是基于这个出发点，为后续复合材料结构的部件疲劳试验环境影响提供支持。

3 环境影响下的疲劳性能试验

选用碳纤维织物和碳纤维单向带两种类型的复合材料层板结构进行疲劳性能试验。试验环境如表1所示，试验件数量及试验项目如表2所示。

碳纤维织物层板和碳纤维单向带层板的试验件尺寸大小相同，如图1所示。

试验过程中，对需要进行湿热环境的试验件进行预浸，预浸过程在预浸环境箱中进行。碳纤维织物层板试验件和碳纤维单向带层板试验件分别进行标准环境下拉-压疲劳试验和湿热环境下的拉-压疲劳试验。完成106次循环后的试验件处理成干态并冷却至室温后，再进行剩余强度压缩试验。

开孔压缩强度按下列公式进行计算。

式中：-开孔压缩强度，MPa；-破坏载荷，KN；-毛界面面积（忽略孔），mm2。

通过名义孔径对压缩强度进行修正。

式中：-修正后的压缩强度，MPa；-实际孔径大小，mm；D-名义孔径大小，mm。

4 试验结果及分析

通过试验，最终得到碳纤维织物和单向带层板的破坏载荷以及修正后的压缩强度，湿热环境和标准环境疲劳后剩余强度的对比如表3所示。

用ABAQUS对试件进行理论分析，根据已有的几何尺寸建立有限元模型，计算得到试验件的失效模式。理论计算得出破坏载荷与试验载荷基本一致，碳纤维织物和碳纤维单向带层板试验件的基体破坏模式分别如图2、图3所示。

试验结果及分析可以表明，湿热环境对碳纤维复合材料层板疲劳寿命的影响可以忽略。在碳纤维复合材料全尺寸疲劳试验中，可以忽略湿热环境对疲劳寿命的影响。

5 结语和展望

本文针对碳纤维复合材料层板湿热环境下的疲劳性能进行了研究，给出了结论。对于金属材料，工程上多采用DFR方法或IQF方法进行疲劳分析。然而，对于复合材料结构疲劳分析多是理论模型，缺乏有效的工程计算方法，这将会是复合材料疲劳分析的重要研究方向。

参考文献

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[6] 中国航空研究院.复合材料结构设计手册[M].北京：航空工业出版社，2004，6.

第5篇：碳纤维复合材料范文

1.1Light-Light椅

Light-Light椅（Light-LightChair）是来自意大利知名设计师阿尔伯特•米达（AlbertoMeda）的构想，1984年问世，由意大利家具制造商Alias公司生产，并随后被纽约当代艺术馆收藏。最初，设计者并未想过要设计一把椅子。米达的初衷是想将碳纤维复合材料应用在室内设计上，然而却发现椅子恰好是最容易测试材料强度的产品。在Light-Light椅的设计中，米达选择一种人造纤维蜂窝板（Nomex）作为芯板，将碳纤维布包覆在芯板外部，并利用环氧树脂和模具固定椅子的造型，最终产品的重量仅为1kg，比著名的吉奥•庞蒂(GioPonti)所设计的由木材和藤条制成的超轻椅还轻0.7kg[5]。

1.2Knotted椅

Knotted椅（KnottedChair）的设计者是如今炙手可热的荷兰设计师马赛尔•万德斯（MarcelWanders），椅子被授权给意大利家具制造商Cappellini公司从1996年生产至今，被美国、德国、法国以及荷兰等众多博物馆收藏。1995年万德斯受到荷兰品牌DroogDesign与代尔夫特理工大学（DelftUniversityofTechnology）航空系共同发起的名为“纯粹设计”的邀请——探索新型复合材料的设计可能性。万德斯从传统编结工艺中汲取灵感，先是把外裹人造纤维（Aramid）的碳芯像粗绳一样打结，编织成柔软松沓的网；然后对其进行环氧树脂浸渍处理，再将其扯出八角悬挂在框架上构建出椅子形态；最终在80℃下烘干固化，制作出了这把单件重量仅为5kg的座椅。

2碳纤维复合材料在家具设计中的表达优势

2.1传统材料难以达到的超轻质量

与传统材料相比，碳纤维复合材料最大的特点就是质量轻，它的密度仅为钢材的1/5，钛合金的1/3，甚至比铝合金和玻璃钢还要轻。使用碳纤维复合材料制造的家具，一方面具有超轻的质量，易于组合、搬动和运输，另一方面，在视觉上也表现出自然轻盈的美感。在日本设计师鈴木清巳（KiyomiSuzuki）设计的靠背椅（ChercheMidi）中，我们可以看到她对碳纤维复合材料“质轻”这一特性的完美演绎。这把椅子的重量仅为960g，设计的灵感是源于微风中摇曳着的海芋花的暗影，产品最终既在感观上突显了轻巧的体态，同时又可以使女性使用者保持优雅的姿态；同样，来自荷兰的年轻设计师布拉姆•格南（BramGeenen）设计的高迪椅（GaudiChair）也仅有1kg的高迪椅。然而这两件坐具都未因为超轻的质量而失去基本的使用功能，反而是更加极致单纯的将材料本身的魅力散发出来，这也许就是碳纤维复合材料不同于传统材料的魅力。

2.2超薄构件的完美呈现

碳纤维复合材料具有刚而强的特性，可以将家具的构件制作的足够薄。它的比强度（强度/密度）是高强度钢、超硬铝、钛合金的4倍左右，玻璃钢的两倍左右；比模量（模量/密度）是它们的3倍以上。如此形式的家具构件不仅节约用材，还减少了家具的占用空间。家具设计师特雷斯•伍德格特（TerenceWoodgate）与一级方程式跑车的设计师约翰•巴纳德（JohnBarnard）共同合作，制作了具有超薄构件的桌子（SurfaceTable）（图9）。正如我们所看到的，采用碳纤维增强树脂制造的桌面板仅有2mm厚，从侧面水平视角我们几乎看不到桌子的框架，但它却足以承托长达3m的桌面；类似的，在另一件来自澳大利亚的餐桌（StealthTable）设计中，桌面边缘的厚度也仅为6mm。从这两张桌子中，我们可以感受到超薄构件流畅而精致的线条所带来的独特的品质感与科技感。

2.3超大尺度悬臂的轻松实现

碳纤维复合材料的拉伸强度、弯曲强度都远高于普通家具材料。利用这一特性，家具的部件在一定空间内可以大尺度的延伸而不弯折。在2009年的TokyoFiber群展上，日本现代建筑师青木淳（JunAoki）展示了他设计的超大尺度悬臂聚光灯（ThinBeamLamp），灯体采用日本东丽产碳纤维（Torayca）制作，其中悬臂的灯板全长达6米；与之类似的还有意大利OlympusFRP公司推出的书架（Aliante），同样是由碳纤维复合材料制成，书架每一层的搁板以垂直中心为轴向两侧展开，长达2.7m。这样的两件家具，均通过恰到好处的材料特性表达——超大尺度悬臂，为用户提供更大范围的使用空间。

2.4灵动多变的曲线造型

碳纤维布是碳纤维复合材料家具制作的原材料之一，它具有布匹的柔软特质和极强的可设计性，在三维空间里可以任意的扭曲，所以设计者可根据自己的想法，用线或面等单纯的元素赋予碳纤维布轻巧灵动的造型，再使之与树脂胶合固化，达到预想的创意。独立设计品牌AdeleCassina推出了一款独具特色的座椅（DipintaDiBlu），椅子中靠背有着非对称的线条轮廓，椅腿则做无规律螺旋扭曲，造型中曼妙的曲线将哥特式艺术品的设计风格凸显的淋漓尽致[8]；而在洛杉矶Synperia工作室推出的首款座椅（ErgonNomosChair）中，我们同样可以看到碳纤维复合材料所展现的婀娜多姿的曲线，这款椅子的背部造型贴合自然的人体脊背曲线，呈现出轻薄流畅的体态。在上面的作品中，灵动的造型为产品带来朝气和生命力，材料也因此表达到极致，也许这就是这么多新兴设计师和崇尚时尚的艺术家对碳纤维复合材料着迷的原因之一吧。

2.5柔韧可编织的单元结构

碳纤维复合材料也能以绳束的形式表现在家具结构中，其中这种类型的复合材料大多是窄的碳纤维布或是碳纤维束通过与树脂胶合固化而制成的。因为绳束特殊的柔韧性和可编织性，使得制作的家具既现代又不失工艺感。有感于碳纤维布在建筑结构补强中的应用，日本设计师佐藤大（OkiSato）在白色泡沫板上穿插一段一段的碳纤维布，使其原本无形无强度的框架显现出来，成了可以支撑的坐具（VisibleStructures）；而来自西班牙的设计师哈维尔•莫雷诺•贝奈托（JavierMorenoBeneyto）则从自然界的蚕茧汲取灵感，用碳纤维束缠绕在金属框架上，仿生设计出清新自然的座椅（SilkChair）。从上述作品中我们可以看出，这一材料特性给予了设计者更多的创意空间和乐趣，同时也丰富了碳纤维复合材料家具的造型，材料的柔韧可编制的特性总是以不同的巧妙方式表现出来。

2.6丰富艳丽的色彩表现

通过与树脂复合，碳纤维材料摆脱了传统的黑色，可以拥有各种靓丽的色彩。在工业生产中，碳纤维材料本身为黑色，但可以与其他彩色纤维材料混纺，制造出多色的碳纤维布及其复合材料；此外，黑色的碳纤维布与彩色树脂胶合，也可以制备出各种颜色的碳纤维复合材料。将以上两种制备方式应用在碳纤维家具制作上，可获得各种不同颜色的碳纤维家具。瑞典家具品牌Lisar为GulfOilLtd公司设计了一款碳纤维座椅（GulfCH.AIR），座椅的靠背和座面以清新的天蓝色和靓丽的橙色搭配，鲜亮而富有活力，很容易让人联想到赛车运动。碳纤维复合材料可以通过灵活的工艺获得丰富的色彩表达，这也为材料本身在家具上更广泛的应用提供了可能性（图18）。

2.7与木材结合可改善表面装饰性能

碳纤维增强木材在建筑上应用已久，随后设计师们发现在家具的结构中也可以用类似的形式表现。确切的说，木材天然的纹理用以装饰家具的表面，碳纤维优良的力学性能用以结构支撑。设计师保罗•勒巴赫（PaulLoebach）所制作的沃森桌（WatsonTable）就是最好的例证。从这件家具中，我们可以看到，它既表现了木材自然的纹理和触感，又同时拥有轻巧而坚固的结构，而桌子腿部的弯曲造型是木材单板与碳纤维增强树脂胶通过特殊的模具复合制成的[10]，最终成为我们眼前的这件家具。

3结论

第6篇：碳纤维复合材料范文

通知提到，经过三年努力，要初步建立碳纤维及其复合材料产业体系，碳纤维的工业应用市场初具规模。聚丙烯腈（PAN）原丝、高强型碳纤维的产品质量接近国际先进水平，高强型碳纤维单线产能产量达到千吨级并配套原丝产业化制备，高强中模型碳纤维实现产业化，高模型和高强高模型碳纤维突破产业化关键技术；扩大碳纤维复合材料应用市场，基本满足国家重点工程建设和市场需求；碳纤维知识产权创建能力显著提升，专利布局明显加强；碳纤维生产集中度进一步提高。到2020年，我国碳纤维技术创新、产业化能力和综合竞争能力达到国际水平。碳纤维品种规格齐全，基本满足国民经济和国防科技工业对各类碳纤维及其复合材料产品的需求；初步形成2-3家具有国际竞争力的碳纤维大型企业集团以及若干创新能力强、特色鲜明、产业链完善的碳纤维及其复合材料产业集聚区。

通知还提到，拓展碳纤维行业下游应用：

保障国家重大工程需求。围绕航空航天、军事装备、重大基础设施等领域对高端碳纤维产品的性能要求，建立完善上下游一体化协作机制，保障供应性能优越、质量稳定的碳纤维产品。完成碳纤维复合材料在民用航空航天领域关键结构件的应用验证，达到适航要求。加快碳纤维复合材料在跨海大桥、人工岛礁等重大基础设施中的示范应用。

第7篇：碳纤维复合材料范文

关键词 碳纤维复合材料；轻质人造路面；工艺设计；研制

中图分类号U416 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）113-0185-03

The Development of Carbon Fiber Stiffener’s Applicationin Light Artificial Pavement

LI JIAN

NanJing Huayi Graphite Fiber Products Company

Abstract The key roles of weight-bearing and expanding of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) compositestiffener in the artificial pavement application are addressed. Specification for design， overall planning， systemcompositions， technical parameters and key arts of CFRP stiffener are described in detail. The key points in thewhole program such as quality control， reliability， standardization as well as the scientific criterions for processesoptimization and equipment selection are also introduced. By following these guidelines， the developed CFRP stiffenerscompletely achieved the goals of design.

Keywords CFRP;the light artificial pavement;technology design;development

0 引言

当前，我国在现代工程装备器材上，仍面临器材少、局限性大等问题，就其当车辆面临沙滩、沙泥滩、浅软地等地基时，更是缺少有效克服对车辆阻滞障碍的器材。

根据国内外该种装备技术状况的实际与需求，分析现有路面的优缺点，我们利用高强聚酯工业长丝、E纶长丝和芳纶纤维混合编织；碳纤维、玻璃纤维与环氧树脂复合等工艺方式，研制出一种新型轻质刚柔复合路面装备。该装备中，首次采用复合材料制作的路面支撑杆，在路面体内缓解和分散受重压力、防止路面变形移位、车轮下沉打滑等核心问题上，起到了至关重要的作用。充分满足了利用人工搬运、空投、舟艇和车辆等运输方式，同时满足可人工铺设、机械化作业、轻便灵活的设计要求。

1 复合材料支撑杆设计指标

1）铺设方式：人工铺设和机械化作业；

2）整体路面承载受重：履带式25吨级，轮式10 吨级；

3）适应条件：沙滩、沙泥滩、浅软地等地基，0.6m水深内，地基承载力≮8.9N/cm2；

4）单条路面支撑杆总重量：≤45kg；

5）整套作业可机械铺设：≥180m；（因为每条路面两头均可纵向对接，所以铺设总长度可根据实际需要调整）；

6）支撑杆长度：≥4m；

7）支撑杆适应温度：-20℃~60 ℃；

8）支撑杆破坏弯曲半径R：350mm；

9）支撑杆抗弯强度：≥1000Mpa；

10）支撑杆耐腐蚀能力：耐酸、碱和耐海水。

2 轻质刚柔路面设计方案

碳纤维、硼纤维、凯夫拉纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维是当今公认的5大增强纤维，就其综合性能而言，在制造纤维增强复合材料中，碳纤维位于5大增强纤维之首，是近几十年来发展成熟；且在多项高科技领域里广泛运用的一种新材料。碳纤维复合材料同时拥有着：强度和模量高；耐疲劳性能强；质量轻等其他材料无法替代的特性，尤其做为结构材料，复合材料的优良特性能更得以充分体，现被世界许多国家广泛使用在第四代战机、隐形战舰、航天飞机、火箭和大型客机。环氧树脂是具耐腐蚀和力学性能都比较突出的热固性塑料材料。通常以碳纤维纱和环氧树脂为基体制成复合材料。用这种方式制成的轻质刚柔路面支撑杆具有：抗弯强度、刚性高和质轻等特点，使路面体既能承载受重，防止变形移位和车轮下沉打滑，又满足了人工搬运、空投、舟艇和车辆等运输方式。同时具备人工铺设、机械化作业、轻便灵活的设计要求，还可以与其他复合材料混合使用，使整个由支撑杆撑起的路面体具有良好的缓冲、减震、抗履刺咬噬等破坏的能力。参照以往多次在实验室模拟和现场试验数据，拟定了：三层叠加结构支撑杆和单根矩形截面支撑杆两种结构进行性能测试与对比。

方案1：多层叠加结构支撑杆

支撑杆根据承载需要，承载结构可以由2层或2层以上具备韧性与刚层材料复合而成。本结构选用复合材料刚性层的宽度为26mm，厚度为4mm，刚性层数为3 层；韧性层复合材料厚度为5mm，柔性层数为单数。

方案2：矩形截面支撑杆结构

矩形截面支撑杆是用单向连续碳纤维，以环氧树脂为基体，经过环氧树脂浸渍后，再经过挤拉设备，在设定的模具温度和运行速度下固化成型。矩形支撑杆截面采用：28（宽）×14（厚） mm，柔韧层材料包覆在支撑杆外层。

包覆在支撑杆外的韧性层，可使用连续玻璃纤维毡增强聚丙烯，或性能类似的热塑性工程塑料[6]，可以克服履刺的咬噬破坏。

刚性材料层，主要起支撑、承重的作用。即为碳纤维复合材料支撑杆片。可以设想，在松软沙滩和泥泞环境路基条件下，车体沉降一般较大，而碳纤维环氧树脂复合材料支撑杆的破坏延伸率约为1.5%，单一截面结构极易造成形变破坏，利用多层叠加结构，通过层间的滑动，可以有效降低叠加结构的层间剪切力，从而相对的提高其变形能力，使路面具有更稳定的整体抗沉降性。支撑杆外由塑胶材料包覆，除了可以克服履刺的咬噬破坏外，在路面体缝制过程中，可使支撑杆在混合编织的路面内腔里顺畅通过，提高生产效率与质量。

三两种支撑杆性能对比：

方案比较（见表1），表中数据是上述各方案制成不同截面的支撑杆，在跨距为220mm极端受力条件下，通过力学性能测试取得的。经过在沙滩和沙泥松软实地通载试验考核，多层叠加结构支撑杆既能通过轮式车辆也能通过履带式车辆，而矩形加支撑杆变能力较差，通载轮式车辆时迅速且连锁发生折断破坏。因此，我们采纳方案1。

指标对比 弯曲破坏负荷kg 弯曲破坏半径mm 弯曲破坏延长率% 支撑性 抗履刺破坏 通载试验结果

方案1 104 276 2.92 较好 好 支撑杆损坏较少，

通载顺利

方案2 748 866 1.86 好 较好 在通载一定台次后，发生破坏性连锁断裂

表1 两种支撑杆性能比较

3 主要技术参数设定的说明

按照单片支撑杆重量

载重10吨轮式制式车辆的车轮半径为500mm，减去车辆底盘附件距离地面最大高度，可通行的最大深度为300mm。

在路面体内起着支撑、承载作用的复合材料支撑杆，其破坏形式主要是由弯曲形变破坏，我们通过求取和比较弯曲半径来设定多层叠加结构支撑杆厚度，实验结果显示，三层叠加结构复合材料支撑杆承载后，车轮两侧变形距离为350mm。计算得出其弯曲半径R2=(350)2-(R-300)2=354mm，远大于276mm的计算破坏弯曲半径；同时，三层叠加结构复合材料支撑杆破坏延伸率2.92%；大于方案2矩形截面支撑杆中1.86%的延伸率测试值。因此设定三层叠加结构支撑杆完全符合设计理念；并满足性能要求。

4 支撑杆中刚性与柔韧性性能的解决方案

与其他工程材料相比，碳纤维复合材料支撑杆具有突出的力学强度和模量，但其延长率相对较低。作为路面体内支撑杆，路面器材承受车辆通行的碾压，在动态负荷下的路面体，尤其是复合材料支撑杆，必然发生一定弯曲形变。因此，怎样有效合理兼顾刚性材料的柔韧性性能，合理提高支撑杆整体延伸率，是设计制造支撑杆首要解决的问题，也是实验成功与否的关键。我们利用多层多层叠加结构方式，通过层间的滑动，大大消除了结构层间的剪切力，支撑杆和路面体结构的延伸率得到变相地提高，使得车轮即使达到最大下陷深度，支撑杆也不会发生因形变过大而被破坏。完全满足轻质刚柔路面的主要性能与指标。

采用方案1生产，我们在多年复合材料生产中，对该类材料的拉挤、搓卷和模压成型技术已熟练掌握，产品生产保障安全、平稳、可靠，这次的多层叠加结构更具创新性。

5 质量与性能的控制

产品质是企业的生命，是企业永续经营的基石。在开始设计初期，我们就严格按照ISO9001:2008国际质量体系的要求，同时参照国军标、国部标和行业标准，对主辅材料的甄选测试、设计方案的反复推敲、工艺流程多种配合、文件编制层级分类、配套管理中的人员培训等各环节实施监控，确保项目的研制水平、质量性能全面达到设计要求。

首先，在材料的甄选标准上，按照国际标准、国标、国军标、部标和行业标准依次执行。碳纤维是主要用来制作刚性材料，碳纤维纱的抗拉强度≥3200MPa。支撑杆外包覆柔性材质为：热塑性连续玻璃纤维毡增强聚丙烯缓冲片，该产品密度低、总量轻、比强度高、耐腐蚀、抗冲击；已被广泛用于汽车、舰船、建筑等多个机械工程领域，质量稳定可靠。提供原料和产品的生产厂家，不但需具有国际质量体系标准保证的企业，同时我们又参照路面性能设计要求，逐一制定了更为细致严格的检验和验收标准。

在技术参数与资料的选择使用上，明确图样细则；编号程序；分类标准。采用我们已使用掌握且可控的生产技术与工艺，可以充分提高产品的可靠性。特别是在抗弯强度上，给予了一定的调整控制范围。

支撑杆作为轻质刚柔路面器材的一个主要部件，是由碳纤维复合材料制成，一旦发生断裂，一般不可维修只可更换。

6 质量与可靠性的控制

支撑杆试制和生产中，需要制订详细的工艺方式；生产流程和质量保证等详细标准，尤其对人员培训，要求全体员工掌握相应的工作技能、职业道德，采用全方位监控，从而确保产品质量和性能。

每当各种原料采购和入库时，需按厂家提供和我们特定的标准，进行认真对比筛选和检验验收。对确需更换或替代的材料，以及需变动的工艺设定参数，必须与设计、配套单位一起，反复论证和比对，每一次变动都由专人作好记录，并留样保存。

工厂严格按照设计规定的工艺文件、工艺流程进行生产，对于生产过程和产品质量做到：可操作、可控制、可追寻。

主要拉挤设备的性能测试，采用国标所规定的测试方法。生产和测试设备，须经工厂、设备制造商和第三方相关专业机构检定合格后方可使用。

7 工艺方案的确定

以碳纤维纱和环氧树脂为基体，一次性高温复合挤拉成型所制成的复合材料支撑杆，涉及高分子化学、复合材料学、机械设计等领域。制成碳纤维复合材料单片，再将数个单片与缓冲材料固定叠加；捆扎打磨，组成一组完整的复合材料支撑杆。

单片支撑杆工艺流程为：导纱、配胶、浸渍、预热、预成型、分段成型、拉伸牵引、检验、备用。参照《关重件、特种岗位设制细则》及现场工艺要求，将浸渍配胶和加热成型为2个关键工序。整束浸胶、牵引拉挤、切割打磨为3个重要特种岗位和质量控制点。

同于复合材料拉挤成型的一般形式，碳纤维支撑杆单片是在成型模具内经过分段加热固化成型的，要保证树脂充分反应；使之完全固化成型，在模具温度设定时，一要避免分段加热区域和过度区域温度设制不合理、不稳定，反应过速造成粘模死机；或者反应不充分、固化不完全，造成碳纤维单片强度过低等现象。二要控制调整好挤拉速度，使碳纤维纱束进入模腔后，树脂充分反应正好在反应区域内完成。挤拉速度过快，会造成反应不完全充分；产品强度低的现象；速度过慢又会造成卡模死机。

复合材料挤拉成型时，我们一般将纱束、胶槽、模具分成六个不同的温控区域：抽湿干燥区、保温区、预热区、加热区、凝胶区、固化区。

抽湿干燥区、对碳纤维纱架区域一般控制在20℃~40℃；湿度保持在40%~55%，湿度过大对产品成型有影响。

保温区：是对树脂胶槽根据不同环境温度予以温度调控，保证树脂浸渍效果最充分完全。

预热区：根据不同季节，生产所在环境温度和湿度调整，一般设定在55℃~85℃范围内。起到减少纱束进入模具的温度差；降低纱束表面树脂的粘度而加速浸渍；进入加热区入口处，可将束间空气随多余树脂挤出。

1）加热阶段温度设定为：110℃±1℃，环氧树脂在该温度下开始进入加速化学反应；

2）反应阶段温度设定为：135℃±3℃，环氧树脂凝胶化反应在此阶段完成，并开始加速固化；

3）固化阶段温度设定为：120℃±5℃，环氧树脂得以充分固化。

加强杆件是由3 层碳纤维单片和1 层缓冲片，叠加组合、捆扎固定而成。碳纤维单片之间，有着很好的滑动性。当加强杆受到外来压力时，可以通过单片之间滑动，有效地消除和降低剪切破坏。这种具有层间滑动的结构，是通过对不同截面、不同组合的碳纤维环氧树脂复合材料棒、管、片的大量受力试验中选优而来的。不但体现了碳纤维环氧树脂复合材料质量轻、强度高、耐腐蚀等特点，同时避免了碳纤维加强杆在外力作用下的刚性破坏。

8 拉挤成型的设备选型

生产碳纤维复合材料片的设备，主要考虑在行业中已成熟的技术。热处理台，长900mm~1000mm，宽400mm~560mm，内设6 组2kW的加热电路板，用于环氧树脂在磨具里的固化成型。加热台温控区域一般分成3个部分，每个区域的温度需稳定在设定值±2℃范围内。投入生产之前，需对加热电路板、机械运行机构进行全面的检验，确保设备运行能力满足碳纤维片的生产技术要求。

浸胶槽。又称胶槽，是根据生产过程而专门量身定制的。既满足碳纤维束能在树脂中充分浸渍，又能满足胶槽内树脂使用完的时间，同时要考虑在特殊情况下，可不停机的便捷更换与清洗，防止树脂在浸胶槽内沉积、凝胶而造成成型失败。

成型模具应在规定的使用周期内，经常检查保养，尤其注意检查模具内腔磨损、损伤情况。测量截面尺寸是否在产品设计允许范围内。

计量、检验器具应是检验合格产品，主要是：称重、长度、宽度、平直度和直线度的计量。

9 结论

我们对碳纤维复合材料轻质人造路面经过多种地基承载和车辆负载等条件设定，轮式和履带车辆做了大量混合通载试验，掌握了设计要求；生产过程中，严格遵守各项工艺制度，遵循细节决定成败的理念，不放过任何一点细小的变化与变动，使碳纤维环氧树脂复合材料加强杆完全达到预定指标，加之其他配套工厂的共同努力，轻质人造路面整体研制项目顺利通过鉴定，并获得多项技术专利，荣获军队科技进步二等奖。我国工程器材装备中首次使用如此大量的碳纤维复合材料，受到复合材料领域人们的广泛关注，这种新装备器材的研制成功，填补了我国在该领域的一项空白，它将在国防军事、抢险赈灾、车辆自救等特定条件下发挥重要作用。

参考文献

[1]葛曷一.聚丙烯腈原丝与碳纤维结构相关研究[D].山东：山东大学，2007.

[2]吕红红.PAN基碳纤维预氧化过程中的结构演变和动力分析[D].北京：北京化工大学，2010.

[3]贺福.碳纤维及其应用技术[M].北京：化工工业出版社，2010.

[4]贺福.碳纤维及石墨纤维[M].北京：化工工业出版社，2010.

第8篇：碳纤维复合材料范文

复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。

随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商PPG公司统计，2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国GDP增长率的2倍，达到4%~6%。2000年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，2000年的总产量约为145万吨，预计2005年总产量将达180万吨。

从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达7.5万吨，汽车等领域的用量仅为2.4万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。

另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。

树脂基复合材料的增强材料

树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。

1、玻璃纤维

目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10%以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹的防热材料。迄今为止，我国已经实用化的高性能树脂基复合材料用的碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维中，只有高强度玻璃纤维已达到国际先进水平，且拥有自主知识产权，形成了小规模的产业，现阶段年产可达500吨。

2、碳纤维

碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能，首先在航空航天领域得到广泛应用，近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。据预测，土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。1997~2000年间，宇航用碳纤维的年增长率估计为31%，而工业用碳纤维的年增长率估计会达到130%。我国的碳纤维总体水平还比较低，相当于国外七十年代中、末期水平，与国外差距达20年左右。国产碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。

3、芳纶纤维

20世纪80年代以来，荷兰、日本、前苏联也先后开展了芳纶纤维的研制开发工作。日本及俄罗斯的芳纶纤维已投入市场，年增长速度也达到20%左右。芳纶纤维比强度、比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件（如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等）、舰船（如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等）、汽车（如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等）以及耐热运输带、体育运动器材等。

4、超高分子量聚乙烯纤维

超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。

5、热固性树脂基复合材料

热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体，以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等为增强材料制成的复合材料。环氧树脂的特点是具有优良的化学稳定性、电绝缘性、耐腐蚀性、良好的粘接性能和较高的机械强度，广泛应用于化工、轻工、机械、电子、水利、交通、汽车、家电和宇航等各个领域。1993年世界环氧树脂生产能力为130万吨，1996年递增到143万吨，1997年为148万吨，1999年150万吨，2003年达到180万吨左右。我国从1975年开始研究环氧树脂，据不完全统计，目前我国环氧树脂生产企业约有170多家，总生产能力为50多万吨，设备利用率为80%左右。酚醛树脂具有耐热性、耐磨擦性、机械强度高、电绝缘性优异、低发烟性和耐酸性优异等特点，因而在复合材料产业的各个领域得到广泛的应用。1997年全球酚醛树脂的产量为300万吨，其中美国为164万吨。我国的产量为18万吨，进口4万吨。乙烯基酯树脂是20世纪60年展起来的一类新型热固性树脂，其特点是耐腐蚀性好，耐溶剂性好，机械强度高，延伸率大，与金属、塑料、混凝土等材料的粘结性能好，耐疲劳性能好，电性能佳，耐热老化，固化收缩率低，可常温固化也可加热固化。南京金陵帝斯曼树脂有限公司引进荷兰Atlac系列强耐腐蚀性乙烯基酯树脂，已广泛用于贮罐、容器、管道等，有的品种还能用于防水和热压成型。南京聚隆复合材料有限公司、上海新华树脂厂、南通明佳聚合物有限公司等厂家也生产乙烯基酯树脂。

1971年以前我国的热固性树脂基复合材料工业主要是军工产品，70年代后开始转向民用。从1987年起，各地大量引进国外先进技术如池窑拉丝、短切毡、表面毡生产线及各种牌号的聚酯树脂（美、德、荷、英、意、日）和环氧树脂（日、德）生产技术；在成型工艺方面，引进了缠绕管、罐生产线、拉挤工艺生产线、SMC生产线、连续制板机组、树脂传递模塑(RTM)成型机、喷射成型技术、树脂注射成型技术及渔竿生产线等，形成了从研究、设计、生产及原材料配套的完整的工业体系，截止2000年底，我国热固性树脂基复合材料生产企业达3000多家，已有51家通过ISO9000质量体系认证，产品品种3000多种，总产量达73万吨/年，居世界第二位。产品主要用于建筑、防腐、轻工、交通运输、造船等工业领域。在建筑方面，有内外墙板、透明瓦、冷却塔、空调罩、风机、玻璃钢水箱、卫生洁具、净化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及贮罐；在交通运输方面，汽车上主要有车身、引擎盖、保险杠等配件，火车上有车厢板、门窗、座椅等，船艇方面主要有气垫船、救生艇、侦察艇、渔船等；在机械及电器领域如屋顶风机、轴流风机、电缆桥架、绝缘棒、集成电路板等产品都具有相当的规模；在航空航天及军事领域，轻型飞机、尾翼、卫星天线、火箭喷管、防弹板、防弹衣、鱼雷等都取得了重大突破。

热塑性树脂基复合材料

热塑性树脂基复合材料是20世纪80年展起来的，主要有长纤维增强粒料(LFP)、连续纤维增强预浸带(MITT)和玻璃纤维毡增强型热塑性复合材料(GMT)。根据使用要求不同，树脂基体主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等热塑性工程塑料，纤维种类包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和硼纤维等一切可能的纤维品种。随着热塑性树脂基复合材料技术的不断成熟以及可回收利用的优势，该品种的复合材料发展较快，欧美发达国家热塑性树脂基复合材料已经占到树脂基复合材料总量的30%以上。

高性能热塑性树脂基复合材料以注射件居多，基体以PP、PA为主。产品有管件（弯头、三通、法兰）、阀门、叶轮、轴承、电器及汽车零件、挤出成型管道、GMT模压制品（如吉普车座椅支架）、汽车踏板、座椅等。玻璃纤维增强聚丙烯在汽车中的应用包括通风和供暖系统、空气过滤器外壳、变速箱盖、座椅架、挡泥板垫片、传动皮带保护罩等。

滑石粉填充的PP具有高刚性、高强度、极好的耐热老化性能及耐寒性。滑石粉增强PP在车内装饰方面有着重要的应用，如用作通风系统零部件，仪表盘和自动刹车控制杠等，例如美国HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窝状结构的吸音天花板和轿车的摇窗升降器卷绳筒外壳。

云母复合材料具有高刚性、高热变形温度、低收缩率、低挠曲性、尺寸稳定以及低密度、低价格等特点，利用云母/聚丙烯复合材料可制作汽车仪表盘、前灯保护圈、挡板罩、车门护栏、电机风扇、百叶窗等部件，利用该材料的阻尼性可制作音响零件，利用其屏蔽性可制作蓄电池箱等。

我国的热塑性树脂基复合材料的研究开始于20世纪80年代末期，近十年来取得了快速发展，2000年产量达到12万吨，约占树脂基复合材料总产量的17%，，所用的基体材料仍以PP、PA为主，增强材料以玻璃纤维为主，少量为碳纤维，在热塑性复合材料方面未能有重大突破，与发达国家尚有差距。

我国复合材料的发展潜力和热点

我国复合材料发展潜力很大，但须处理好以下热点问题。

1、复合材料创新

复合材料创新包括复合材料的技术发展、复合材料的工艺发展、复合材料的产品发展和复合材料的应用，具体要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新。到2007年，亚洲占世界复合材料总销售量的比例将从18%增加到25%，目前亚洲人均消费量仅为0.29kg，而美国为6.8kg，亚洲地区具有极大的增长潜力。

2、聚丙烯腈基纤维发展

我国碳纤维工业发展缓慢，从CF发展回顾、特点、国内碳纤维发展过程、中国PAN基CF市场概况、特点、“十五”科技攻关情况看，发展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。

3、玻璃纤维结构调整

我国玻璃纤维70%以上用于增强基材，在国际市场上具有成本优势，但在品种规格和质量上与先进国家尚有差距，必须改进和发展纱类、机织物、无纺毡、编织物、缝编织物、复合毡，推进玻纤与玻钢两行业密切合作，促进玻璃纤维增强材料的新发展。

4、开发能源、交通用复合材料市场

一是清洁、可再生能源用复合材料，包括风力发电用复合材料、烟气脱硫装置用复合材料、输变电设备用复合材料和天然气、氢气高压容器；二是汽车、城市轨道交通用复合材料，包括汽车车身、构架和车体外覆盖件，轨道交通车体、车门、座椅、电缆槽、电缆架、格栅、电器箱等；三是民航客机用复合材料，主要为碳纤维复合材料。热塑性复合材料约占10%，主要产品为机翼部件、垂直尾翼、机头罩等。我国未来20年间需新增支线飞机661架，将形成民航客机的大产业，复合材料可建成新产业与之相配套；四是船艇用复合材料，主要为游艇和渔船，游艇作为高级娱乐耐用消费品在欧美有很大市场，由于我国鱼类资源的减少、渔船虽发展缓慢，但复合材料特有的优点仍有发展的空间。

5、纤维复合材料基础设施应用

国内外复合材料在桥梁、房屋、道路中的基础应用广泛，与传统材料相比有很多优点，特别是在桥梁上和在房屋补强、隧道工程以及大型储仓修补和加固中市场广阔。

6、复合材料综合处理与再生

第9篇：碳纤维复合材料范文

计划要求在产业推进发展进程中不忘转型升级，并鼓励骨干企业开展跨地区、跨所有制的联合重组，力争到2020年前5家生产集中度提高至70%以上。

鼓励发展高技术碳纤维材料。加快高强型GQ4522级碳纤维产业化建设步伐，掌握碳纤维预浸料制备、复合材料构件设计与制造、产品性能评价等关键技术；有效集成单体聚合、纤维成型、氧化碳化、表面处理等关键工艺技术，逐步实现高强中模型、高模型、高强高模型等系列品种产业化。

抑制低水平重复建设。原则上不鼓励新建高强型GQ3522级碳纤维生产线，新建高强型GQ4522级碳纤维产业化生产装置单套能力应不低于1000吨/年。吨聚丙烯腈原丝产品消耗丙烯腈不高于1.1吨，吨碳纤维产品消耗聚丙烯腈原丝不高于2.1吨。

计划提出，围绕航空航天、军事装备、重大基础设施等领域对高端碳纤维产品的性能要求，建立完善上下游一体化协作机制，保障供应性能优越、质量稳定的碳纤维产品。完成碳纤维复合材料在民用航空航天领域关键结构件的应用验证，达到适航要求。加快碳纤维复合材料在跨海大桥、人工岛礁等重大基础设施中的示范应用。