1.3　炭纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

1.3.1　在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

一百多年來(lái)，材料與航空航天工業(yè)一直在相互推動(dòng)、不斷發(fā)展，各種宇宙飛行器、探測(cè)器、空間站和人造衛(wèi)星等在太空軌道中飛行，航天飛機(jī)和戰(zhàn)略武器重返大氣層需經(jīng)苛刻的高溫環(huán)境，研發(fā)大型火箭和人造衛(wèi)星以及全面提升飛機(jī)性能，急需新型結(jié)構(gòu)材料及耐燒蝕材料。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和復(fù)合技術(shù)的不斷提高，炭纖維復(fù)合材料的性能日臻完善，成為高新科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)組成部分。各種飛行器的使用環(huán)境與溫度如表1.1所示。

在航天領(lǐng)域，美國(guó)的三叉戟——2型導(dǎo)彈、侏儒導(dǎo)彈和大力神-4 （直徑為3.2m） 采用了高強(qiáng)中模炭纖維復(fù)合材料。我國(guó)第一顆實(shí)用通信衛(wèi)星應(yīng)用了炭纖維/環(huán)氧復(fù)合材料拋物面天線系統(tǒng)，第一顆太陽(yáng)同步軌道“風(fēng)云一號(hào)”氣象衛(wèi)星采用了多折疊式炭纖維復(fù)合材料剛性太陽(yáng)電池陣結(jié)構(gòu)。炭纖維復(fù)合材料還可用來(lái)制造航天飛機(jī)的機(jī)翼、火箭的噴焰口、戰(zhàn)略導(dǎo)彈的末級(jí)助推器等^［37］。

炭纖維復(fù)合材料可以提高凈載質(zhì)量，縮短航行時(shí)間，高速化，節(jié)能降耗等，在航空領(lǐng)域同樣意義重大。早在19世紀(jì)70 年代初期，美國(guó)軍用 F-14戰(zhàn)斗機(jī)就部分采用炭纖維復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)。在民用航空領(lǐng)域，如波音767和空中客車 A310 中，炭纖維復(fù)合材料也占到了結(jié)構(gòu)質(zhì)量的3%和5%左右。A380-800飛機(jī)中先進(jìn)纖維復(fù)合材料用量高達(dá)30～35t，主要是炭纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，也包括玻璃纖維增強(qiáng)鋁和玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料。表1.2列出了炭纖維復(fù)合材料在大飛機(jī)上用量逐年遞增的情況。顯然，炭纖維復(fù)合材料在空客A380和波音787上的用量已占到結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的50%，可稱為復(fù)合材料飛機(jī)。圖1.5是波音787所用結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)^［38］，制造波音飛機(jī)通用的鋁合金、鈦合金分別降低到20%和15%，炭纖維復(fù)合材料成為制造大飛機(jī)的主體材料^［38］。

1.3.2　在隱身領(lǐng)域中的應(yīng)用

隱身性能的獲取是通過(guò)外形或結(jié)構(gòu)的隱身設(shè)計(jì)，以及采用吸波材料、無(wú)源或有源阻抗加載等多種措施，以降低其雷達(dá)、紅外或目視信號(hào)特征。然而超過(guò)60%的隱身材料是雷達(dá)隱身材料，因此雷達(dá)波隱身技術(shù)是當(dāng)前隱身技術(shù)的重點(diǎn)；對(duì)于一架總體隱身效果達(dá)20dB的飛機(jī)來(lái)說(shuō)，外形隱身效果為5～6dB，吸波材料隱身效果為7～8dB，其他為阻抗加載技術(shù)的貢獻(xiàn)，由此可見吸波材料技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用將是隱身技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

炭纖維復(fù)合材料尤其是炭纖維結(jié)構(gòu)吸波材料具有承載和減小雷達(dá)波反射截面的雙重功能，既能減輕重量，又能提高有效載荷，并使成本大為降低，已在隱身飛機(jī)和隱身兵器中得到廣泛應(yīng)用。而且其獨(dú)特的電磁性能及優(yōu)越的機(jī)械性能，使得炭纖維吸波材料還成為了一類能夠滿足“薄、輕、寬、強(qiáng)”性能要求的優(yōu)質(zhì)吸波材料。

炭纖維增強(qiáng)的熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有極好的吸波性能，能使頻率為 0.1MHz～50GHz的脈沖大幅度衰減，現(xiàn)在已用于先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼，其型號(hào)為APC（HTX）。美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室研制的炭纖維復(fù)合材料能吸收輻射熱，而不反射輻射熱，既能降低雷達(dá)波特征，又能降低紅外線特征，可以用它制作發(fā)動(dòng)機(jī)艙蒙皮、機(jī)翼前緣以至機(jī)身前段。

美國(guó)威廉斯國(guó)際公司研制的炭/炭復(fù)合材料適用于高溫部位，能很好抑制紅外輻射并吸收雷達(dá)波。美國(guó)的B-2隱身戰(zhàn)略轟炸機(jī)的S形進(jìn)氣道襯里，采用了能吸收雷達(dá)的炭/炭復(fù)合材料，并且在靠近發(fā)動(dòng)機(jī)部位的復(fù)合材料有一層厚炭粒，用以吸收進(jìn)入進(jìn)氣道的雷達(dá)波。

1.3.3　在電磁屏蔽領(lǐng)域中的應(yīng)用

電磁屏蔽材料的主要作用有兩方面，一是保護(hù)電子線路免受外部電磁波的干擾，二是防止內(nèi)部產(chǎn)生的干擾波向外部發(fā)射，起到隔離內(nèi)外電磁波的作用。如今，電磁屏蔽材料向著屏蔽效率高和質(zhì)量輕的方向發(fā)展。聚合物塑料大量代替金屬材料成為殼體的主要材料，炭纖維具有高強(qiáng)低密、高導(dǎo)電的特性，其與塑料、樹脂結(jié)合形成的復(fù)合材料應(yīng)用于電磁屏蔽材料，是理想的結(jié)構(gòu)與功能一體殼體材料。

1.3.4　在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用

人體組織移植修復(fù)材料的研究經(jīng)歷了第1代的惰性材料、第2代具有活性或具有降解性質(zhì)的材料，現(xiàn)已發(fā)展到兼具可降解和生物活性的第3代生物材料，并開始從生命科學(xué)的角度研究和設(shè)計(jì)生物材料，注重材料與細(xì)胞的相互作用，將生物的某些功能引入材料。炭纖維復(fù)合材料一定程度上符合生物材料發(fā)展趨勢(shì)，在很大范圍內(nèi)滿足多種剛度和強(qiáng)度要求，熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕、成型工藝簡(jiǎn)單、成本低、自重輕和透射線。另外炭纖維復(fù)合材料還具有良好的組織相容性和血液相容性，能夠誘發(fā)組織再生功能。

炭/炭復(fù)合材料是一種極具潛力的新型生物醫(yī)用材料，通過(guò)控制炭/炭復(fù)合材料孔隙的形態(tài)，以及對(duì)其多孔結(jié)構(gòu)處理，可使天然骨骼融入材料之中。這種特性使得其在人體骨修復(fù)與骨替代方面有較好的應(yīng)用前景^［39］。目前炭/炭復(fù)合材料在臨床上已有骨盤骨夾板和骨針的應(yīng)用，另外在人工心臟瓣膜、中耳修復(fù)材料也有研究報(bào)道，人工齒根已取得了很好的臨床應(yīng)用效果。圖1.6為采用炭纖維復(fù)合材料制備的義肢^［41］。

1.3.5　在建筑工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

炭纖維復(fù)合材料在建筑工程中已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，湖南湘西矮寨特大懸索橋（圖1.7）是世界跨峽谷跨徑最大的鋼桁梁懸索橋，首次采用巖錨吊索結(jié)構(gòu)，并用炭纖維作為預(yù)應(yīng)力筋材，創(chuàng)世界第一。與傳統(tǒng)鋼絞線相比，炭纖維材料具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕的特點(diǎn)，為橋梁的安全提供了有力的保障^［40］。

1.3.6　在交通運(yùn)輸領(lǐng)域中的應(yīng)用

炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用主要包括汽車骨架、螺旋槳芯軸、輪轂、緩沖器、彈簧片、引擎零件以及船舶的增強(qiáng)材料等，尤其在汽車方面的應(yīng)用更是潛力巨大。早在1979年，福特汽車公司就在實(shí)驗(yàn)車上做了試驗(yàn)，將其車身、框架等160個(gè)部件用炭纖維復(fù)合材料制造，結(jié)果整車減重33%，汽油的利用率提高了44%，同時(shí)大大降低了振動(dòng)和噪聲。

世界上最大的炭纖維生產(chǎn)企業(yè)日本東麗公司，2011年推出了電動(dòng)概念車TEEWAVE AR1，如圖1.8所示，該車為雙座敞篷式，使用了約0.16t的炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，母材包含熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩種。在超越普通同款式車輛的剛性、碰撞安全性的同時(shí)，減少了0.55t左右的鋼板用量，最終整車質(zhì)量只有846kg （電池220kg）。圖1.9為一款造型新穎的蘭博基尼自行車，車身采用炭纖維復(fù)合材料制作，其最大特點(diǎn)是重量很輕，僅有8.5kg，女士用一只手就可以提起。另一引人注目的特點(diǎn)是抗撞擊性強(qiáng)，其抗撞擊能力是普通自行車的8倍。此外這款自行車的制作工藝非常高，連接處沒有焊接點(diǎn)，車身一體成型，線條非常流暢。

1.3.7　在體育器械領(lǐng)域中的應(yīng)用

體育器械是炭纖維復(fù)合材料應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，如高爾夫球桿、棒球棒、滑雪板、網(wǎng)球拍以及釣魚竿等。用炭纖維復(fù)合材料制成的球拍質(zhì)量更輕，手感和硬度更好，對(duì)震蕩和振動(dòng)的吸收也更好，使用壽命更長(zhǎng)，而且由于復(fù)合材料本身的可設(shè)計(jì)性，制造商在球拍的硬度、彈性、球感和擊球性能的設(shè)計(jì)上有了更大的想象空間。而炭纖維釣魚竿由于其良好的韌性與耐用性，更是被廣泛關(guān)注。近年來(lái)，炭纖維復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)及休閑型自行車零組件方面的應(yīng)用也非常廣泛^［32］。

1.3.8　在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

炭纖維復(fù)合材料還在諸如兵器工業(yè)、化學(xué)工程和機(jī)械工程等領(lǐng)域大量應(yīng)用，但即使這樣，應(yīng)用復(fù)合材料的時(shí)代才剛剛來(lái)臨。隨著復(fù)合材料研究的不斷深入，工藝過(guò)程的逐步完善，設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)水平的進(jìn)一步提高，必可設(shè)計(jì)和制造出千千萬(wàn)萬(wàn)種性能優(yōu)異、安全可靠、價(jià)格合理、美觀和耐用的產(chǎn)品來(lái)。