碳纤维-新材料产业中的新热点

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摘要

航空航天材料要求轻质高强、耐高温耐蚀，碳纤维复合材料以其卓越性能广泛应用于航空航天领域，并在小型商务机、军用飞机、大型客机中占据一定比例。此外，碳纤维复合材料也应用于新能源汽车、高铁等轨道交通产业，实现轻量化并延长续航时间。在工业领域，碳纤维复合材料在风电叶片、抽油杆、机械臂等方面得到广泛应用，且成为放射医疗产品的重要组成部分。随着国家对新材料产业的重视和支持，碳纤维复合材料将迎来更多发展机遇，为节能减排和可持续发展做出贡献。

正文

航空航天材料一直代表着应用材料的最先进水平，按化学成分的不同其可分为金属与合金材料、有机非金属材料、无机非金属材料和复合材料，其中占复合材料大部分比例的碳纤维复合材料成为最有发展潜力的先进复合材料之一。

因为航空航天产品工作环境的特殊性，其对材料的性能要求非常高，主要体现在“轻质高强”和“耐高温耐蚀”两方面。所谓“轻质高强”是指要求材料的比强度高且密度小，材料越轻越好。“耐高温耐蚀”是指材料要能耐受较高的工作温度和具有优良的抗腐蚀性，特别是抗应力腐蚀和抗疲劳的能力。

碳纤维复合材料以其独特、卓越的理化性能，广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天领域。例如，飞机的一次构造材料：主翼、尾翼、机体；二次构造材料：副翼、方向舵、升降舵、内装材料、地板材、桁梁、刹车片等及直升飞机的叶片；火箭的排气锥体、发动机盖等；人造卫星结构体、太阳能电池板和天线、运载火箭和导弹壳体等。目前，在小型商务机和直升飞机中，碳纤维复合材料已占所用材料总量的55%左右，军用飞机中占25%左右，大型客机占20%左右。

如今，除了航空航天领域外，还有很多行业也都在大力开发和利用碳纤维复合材料的特殊价值，例如新能源汽车以及高铁等轨道交通产业。对这些产业来说，轻量化是产品竞争力的重要标准。目前新能源汽车的续航能力是其核心技术之一，通过在内饰、设备仓、电池盒、防撞梁和吸能盒等方面使用碳纤维复合材料实现有效减重，减少动能消耗，延长续航时间成为绝大部分新能源汽车的共同选择。而对于一节车体重量就高达十多吨的轨道车辆来说，车体在启动和加速阶段的耗能是最大的，减轻重量自然可以大幅降低运行能耗，同时减轻对车轴和车轮的磨耗，因此使用碳纤维复合材料制作轨道车辆的内饰件、结构件也成为该行业技术开发的热门课题。

工业领域中对碳纤维复合材料的利用也呈现出“百花齐放”的局面，除了碳纤维风电叶片、碳纤维抽油杆等起步较早的应用外，近年来，随着工业智能化的飞速发展，碳纤维机械臂的应用得到了前所未有的重视。使用碳纤维复合材料制作机械手臂，可以在保证强度性能的基础上，大幅度减轻自重减少能耗，而且碳纤维复合材料的线性膨胀系数极低，即便在较大的温差下，使机械臂仍能保持良好的精准度。国家电网正在全国范围内推广使用的一款配电站巡检机器人，使用的是无锡威盛新材料科技有限公司生产的碳纤维复合材料多层可伸缩式机械臂，该机械臂在延长工作时间及耐磨损耐高寒等方面反映尤佳。