1.3　炭纤维复合材料的应用

1.3.1　在航空航天领域中的应用

一百多年来，材料与航空航天工业一直在相互推动、不断发展，各种宇宙飞行器、探测器、空间站和人造卫星等在太空轨道中飞行，航天飞机和战略武器重返大气层需经苛刻的高温环境，研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机性能，急需新型结构材料及耐烧蚀材料。随着科学技术的进步和复合技术的不断提高，炭纤维复合材料的性能日臻完善，成为高新科技发展的物质基础组成部分。各种飞行器的使用环境与温度如表1.1所示。

在航天领域，美国的三叉戟——2型导弹、侏儒导弹和大力神-4 （直径为3.2m） 采用了高强中模炭纤维复合材料。我国第一颗实用通信卫星应用了炭纤维/环氧复合材料抛物面天线系统，第一颗太阳同步轨道“风云一号”气象卫星采用了多折叠式炭纤维复合材料刚性太阳电池阵结构。炭纤维复合材料还可用来制造航天飞机的机翼、火箭的喷焰口、战略导弹的末级助推器等^［37］。

炭纤维复合材料可以提高净载质量，缩短航行时间，高速化，节能降耗等，在航空领域同样意义重大。早在19世纪70 年代初期，美国军用 F-14战斗机就部分采用炭纤维复合材料作为主承力结构。在民用航空领域，如波音767和空中客车 A310 中，炭纤维复合材料也占到了结构质量的3%和5%左右。A380-800飞机中先进纤维复合材料用量高达30～35t，主要是炭纤维/环氧复合材料，也包括玻璃纤维增强铝和玻璃纤维/环氧复合材料。表1.2列出了炭纤维复合材料在大飞机上用量逐年递增的情况。显然，炭纤维复合材料在空客A380和波音787上的用量已占到结构总质量的50%，可称为复合材料飞机。图1.5是波音787所用结构材料的质量分数^［38］，制造波音飞机通用的铝合金、钛合金分别降低到20%和15%，炭纤维复合材料成为制造大飞机的主体材料^［38］。

1.3.2　在隐身领域中的应用

隐身性能的获取是通过外形或结构的隐身设计，以及采用吸波材料、无源或有源阻抗加载等多种措施，以降低其雷达、红外或目视信号特征。然而超过60%的隐身材料是雷达隐身材料，因此雷达波隐身技术是当前隐身技术的重点；对于一架总体隐身效果达20dB的飞机来说，外形隐身效果为5～6dB，吸波材料隐身效果为7～8dB，其他为阻抗加载技术的贡献，由此可见吸波材料技术发展和应用将是隐身技术发展的关键技术之一。

炭纤维复合材料尤其是炭纤维结构吸波材料具有承载和减小雷达波反射截面的双重功能，既能减轻重量，又能提高有效载荷，并使成本大为降低，已在隐身飞机和隐身兵器中得到广泛应用。而且其独特的电磁性能及优越的机械性能，使得炭纤维吸波材料还成为了一类能够满足“薄、轻、宽、强”性能要求的优质吸波材料。

炭纤维增强的热塑性树脂基复合材料具有极好的吸波性能，能使频率为 0.1MHz～50GHz的脉冲大幅度衰减，现在已用于先进战斗机的机身和机翼，其型号为APC（HTX）。美国空军材料实验室研制的炭纤维复合材料能吸收辐射热，而不反射辐射热，既能降低雷达波特征，又能降低红外线特征，可以用它制作发动机舱蒙皮、机翼前缘以至机身前段。

美国威廉斯国际公司研制的炭/炭复合材料适用于高温部位，能很好抑制红外辐射并吸收雷达波。美国的B-2隐身战略轰炸机的S形进气道衬里，采用了能吸收雷达的炭/炭复合材料，并且在靠近发动机部位的复合材料有一层厚炭粒，用以吸收进入进气道的雷达波。

1.3.3　在电磁屏蔽领域中的应用

电磁屏蔽材料的主要作用有两方面，一是保护电子线路免受外部电磁波的干扰，二是防止内部产生的干扰波向外部发射，起到隔离内外电磁波的作用。如今，电磁屏蔽材料向着屏蔽效率高和质量轻的方向发展。聚合物塑料大量代替金属材料成为壳体的主要材料，炭纤维具有高强低密、高导电的特性，其与塑料、树脂结合形成的复合材料应用于电磁屏蔽材料，是理想的结构与功能一体壳体材料。

1.3.4　在生物领域中的应用

人体组织移植修复材料的研究经历了第1代的惰性材料、第2代具有活性或具有降解性质的材料，现已发展到兼具可降解和生物活性的第3代生物材料，并开始从生命科学的角度研究和设计生物材料，注重材料与细胞的相互作用，将生物的某些功能引入材料。炭纤维复合材料一定程度上符合生物材料发展趋势，在很大范围内满足多种刚度和强度要求，热稳定性好、耐腐蚀、成型工艺简单、成本低、自重轻和透射线。另外炭纤维复合材料还具有良好的组织相容性和血液相容性，能够诱发组织再生功能。

炭/炭复合材料是一种极具潜力的新型生物医用材料，通过控制炭/炭复合材料孔隙的形态，以及对其多孔结构处理，可使天然骨骼融入材料之中。这种特性使得其在人体骨修复与骨替代方面有较好的应用前景^［39］。目前炭/炭复合材料在临床上已有骨盘骨夹板和骨针的应用，另外在人工心脏瓣膜、中耳修复材料也有研究报道，人工齿根已取得了很好的临床应用效果。图1.6为采用炭纤维复合材料制备的义肢^［41］。

1.3.5　在建筑工程领域中的应用

炭纤维复合材料在建筑工程中已经获得广泛应用，湖南湘西矮寨特大悬索桥（图1.7）是世界跨峡谷跨径最大的钢桁梁悬索桥，首次采用岩锚吊索结构，并用炭纤维作为预应力筋材，创世界第一。与传统钢绞线相比，炭纤维材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀的特点，为桥梁的安全提供了有力的保障^［40］。

1.3.6　在交通运输领域中的应用

炭纤维增强复合材料在交通运输方面的应用主要包括汽车骨架、螺旋桨芯轴、轮毂、缓冲器、弹簧片、引擎零件以及船舶的增强材料等，尤其在汽车方面的应用更是潜力巨大。早在1979年，福特汽车公司就在实验车上做了试验，将其车身、框架等160个部件用炭纤维复合材料制造，结果整车减重33%，汽油的利用率提高了44%，同时大大降低了振动和噪声。

世界上最大的炭纤维生产企业日本东丽公司，2011年推出了电动概念车TEEWAVE AR1，如图1.8所示，该车为双座敞篷式，使用了约0.16t的炭纤维增强树脂基复合材料，母材包含热固性树脂和热塑性树脂两种。在超越普通同款式车辆的刚性、碰撞安全性的同时，减少了0.55t左右的钢板用量，最终整车质量只有846kg （电池220kg）。图1.9为一款造型新颖的兰博基尼自行车，车身采用炭纤维复合材料制作，其最大特点是重量很轻，仅有8.5kg，女士用一只手就可以提起。另一引人注目的特点是抗撞击性强，其抗撞击能力是普通自行车的8倍。此外这款自行车的制作工艺非常高，连接处没有焊接点，车身一体成型，线条非常流畅。

1.3.7　在体育器械领域中的应用

体育器械是炭纤维复合材料应用的一个重要领域，如高尔夫球杆、棒球棒、滑雪板、网球拍以及钓鱼竿等。用炭纤维复合材料制成的球拍质量更轻，手感和硬度更好，对震荡和振动的吸收也更好，使用寿命更长，而且由于复合材料本身的可设计性，制造商在球拍的硬度、弹性、球感和击球性能的设计上有了更大的想象空间。而炭纤维钓鱼竿由于其良好的韧性与耐用性，更是被广泛关注。近年来，炭纤维复合材料在运动及休闲型自行车零组件方面的应用也非常广泛^［32］。

1.3.8　在其他领域中的应用

炭纤维复合材料还在诸如兵器工业、化学工程和机械工程等领域大量应用，但即使这样，应用复合材料的时代才刚刚来临。随着复合材料研究的不断深入，工艺过程的逐步完善，设计思想和设计水平的进一步提高，必可设计和制造出千千万万种性能优异、安全可靠、价格合理、美观和耐用的产品来。