碳纤维增强树脂基复合材料应用的研究进展

  碳纤维增强复合材料是材料领域的轻质、高强高模的典型代表,可广泛应用于新能源开发、交通运输、太空和海洋开发、建筑、机械、武器制备等领域。碳纤维复合材料的减重效果显著。从材料性能来讲,碳纤维复合材料是目前最理想的轻量化材料。

  1.在航空航天领域中的应用

  高性能碳纤维增强树脂基复合材料轻质、高强等特性能够满足高性能航空、航天飞行器的使用要求,在航空航天领域得到了推广应用,且目前仍然是其研发应用的重点。在民用领域,碳纤维增强环氧、双马来酰亚胺树脂基复合材料广泛应用于起落架舱门、内外侧副翼、内外襟翼、方向舵、升降舵、扰流板、中央翼、整个尾端、机翼后端、飞机尾部等,如碳纤维增强复合材料在空客A380、波音787、C919等中的使用比例超过20%。在军Y飞机上,碳纤维增强环氧树脂基复合材料使用比例约为35%,可用于翼梁、纵梁、机翼箱型梁、升降舵蒙皮、气动舵面、机翼蒙皮、桁条以及中央翼盒与外翼盒接头等,此外,碳纤维增强复合材料还可用于巡航导弹、宇宙飞船部件以及固体火箭发动机壳体。随着飞行器向高空、高速、无人化、智能化、低成本化方向发展,碳纤维增强复合材料的地位会越来越重要。

  2.在船舶领域中的应用

  船舶行业大多采用玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料,随着复合材料向低成本、高性能化发展及对制品性能要求的提高,船舶行业开始采用高性能碳纤维增强复合材料。碳纤维增强复合材料应用于船舶上层建筑,可减轻上层建筑的质量,提高安全性能;用于舰船推进器,如碳纤维增强复合材料螺旋桨具有可批量生产、成本低、质量轻、使用寿命长等优点;还可用于制造复合材料桅杆、船体结构等。

  3.在汽车领域中的应用

  汽车轻量化研究是现代汽车设计制造的一大主流。采用碳纤维复合材料的汽车部件既能同时实现轻量化,又能保证安全性与舒适性,在汽车节能减排等领域获得广泛的应用。近年来,随着低成本大丝束碳纤维的出现及低成本工艺的发展,碳纤维增强复合材料成本下降,其在汽车领域的应用开始呈现出蓬勃发展之势,可用于汽车发动机部件、车项、底盘、板簧、车身、轮毂、传动轴、刹车盘等,目前已在赛车、高档跑车、轿车及特种车上得到了应用,如奔驰、宝马、奧迪、福特、大众、本田、日产等几乎都开始采用各种碳纤维增强复合材料2%。但由于碳纤维增强复合材料成本仍然较高且成型周期长,在汽车领域的批量化应用还有待进一步发展。

  4.在能源工业中的应用

  在能源工业领域,碳纤维增强复合材料可用于制备风力发电叶片、输电杆塔及电网设备等。2010年我国风机叶片市场碳纤维应用量为250t,到2015年碳纤维的应用量将为3000t,其市场份额将由2010年的3.08 %增至15.63 %,而碳纤维风电叶片复合材料将达到5000t,到2020年我国风机叶片市场对碳纤维的需求量将达到万吨级水平。同时,随着我国电网新建和改造,碳纤维复合材料输电导线应用前景也十分广阔。2010年该领域对碳纤维的需求量为310t,到2015年将为1200t,而对碳纤维复合材料的需求量将达到2000t。

  5.在体育用品中的应用

  现代国际性体育运动项目中,许多高性能羽毛球拍、网球拍、钓鱼竿、箭弓、高尔夫球棒、滑雪板、冲浪板、登山器材及比赛用自行车、赛车、跑车、赛艇、高速游艇等基本上都是由碳纤维增强环氧基复合材料制造。在体育休闲用品领域,2010年碳纤维的需求量为6000t,到2015年将为1万t,对碳纤维复合材料的需求量将达到1.7万t。但随着碳纤维增强复合材料在工业等领域的发展,未来5年其在体育休闲用品领域的份额会有所下降。