碳纖(xian)維(wei)復合材料的崛起

2008年北京(jing)成功(gong)舉辦(ban)了(le)第29屆夏(xia)季奧運(yun)會，今(jin)年廣(guang)州(zhou)又(you)即將迎來第16屆亞(ya)運(yun)會，這些體育盛(sheng)會在中國的舉辦(ban)不僅彰(zhang)顯(xian)了偉大(da)祖國綜(zong)合國力(li)的提升，而且大大促(cu)進(jin)了(le)中國體育事(shi)業的發展(zhan)，中國人(ren)民(min)對於(yu)運(yun)動的熱(re)情空(kong)前(qian)高(gao)漲(zhang)，由(you)此(ci)所引(yin)發的運(yun)動品(pin)市(shi)場(chang)的繁榮(rong)是(shi)壹種必(bi)然(ran)趨(qu)勢(shi)。 當(dang)今(jin)體育界(jie)，人們(men)為了創(chuang)造更好的成績，讓(rang)比賽(sai)更(geng)具(ju)觀賞(shang)性，對於(yu)體育器材(cai)的要求(qiu)越來越高(gao)，顯(xian)然(ran)，提(ti)高(gao)體育器材(cai)的性能(neng)，材料的優化(hua)、選擇起著至關重(zhong)要(yao)的作用(yong)！壹種材(cai)料正在崛起，越來越多的領域(yu)出(chu)現了(le)它的身影(ying)，它就(jiu)是(shi)我(wo)們(men)熟(shu)悉又陌(mo)生的碳纖(xian)維(wei)復合材料。

碳(tan)纖(xian)維(wei)及(ji)其(qi)復合材料 碳(tan)纖(xian)維(wei)主要是(shi)由(you)碳元(yuan)素(su)組(zu)成的壹種特種纖(xian)維(wei)，其含(han)碳(tan)量(liang)隨種類不(bu)同而異，壹般(ban)在90％以(yi)上。碳(tan)纖(xian)維(wei)具有壹般(ban)碳素(su)材(cai)料的特性，如(ru)耐(nai)高(gao)溫、耐(nai)磨(mo)擦、導(dao)電、導熱(re)及(ji)耐(nai)腐蝕(shi)等(deng)，但(dan)與壹般(ban)碳素(su)材(cai)料不(bu)同的是(shi)，其(qi)外形有顯(xian)著的各向(xiang)異性、柔(rou)軟(ruan)、可加工成各種(zhong)織(zhi)物，沿(yan)纖(xian)維(wei)軸方向(xiang)表現出(chu)很高(gao)的強度。碳(tan)纖(xian)維(wei)比重小，因(yin)此(ci)有很(hen)高(gao)的“比強度”。碳(tan)纖(xian)維(wei)屬於聚合物碳(tan)，是(shi)有機(ji)纖(xian)維(wei)經固相反應轉(zhuan)變(bian)為纖(xian)維(wei)狀的無機(ji)碳(tan)化(hua)合物。碳(tan)纖(xian)維(wei)是(shi)壹種新(xin)型(xing)非(fei)金(jin)屬材料，它(ta)和(he)它(ta)的復合材料具(ju)有高(gao)強度、耐(nai)高(gao)溫、耐(nai)腐(fu)蝕、耐(nai)疲勞、抗蠕(ru)變、導電、傳熱(re)、比重小和(he)熱(re)脹脹(zhang)系(xi)數(shu)小等(deng)優異性能(neng)，碳(tan)纖(xian)維(wei)單(dan)獨(du)使(shi)用(yong)時(shi)主(zhu)要是(shi)利(li)用(yong)其耐(nai)熱(re)性、耐(nai)蝕(shi)性(xing)、導電性和其它(ta)性(xing)質。

碳(tan)纖(xian)維(wei)是(shi)壹種力(li)學性(xing)能(neng)優異的新(xin)材(cai)料，它(ta)的比重不到(dao)鋼(gang)的1/4，碳纖(xian)維(wei)樹脂(zhi)復合材料抗拉強度壹般(ban)都在(zai)3500Mpa以上(shang)，是(shi)鋼(gang)的7~9倍，抗拉彈性(xing)模(mo)量(liang)為23000~43000Mpa亦高(gao)於鋼(gang)。因(yin)此(ci)CFRP（即碳(tan)纖(xian)維(wei)復合材料）的比強度即(ji)材(cai)料的強度與(yu)其(qi)密度之比可達(da)到(dao)2000Mpa/(g/cm3)以上(shang)，而A3鋼的比強度僅為(wei)59Mpa/(g/cm3)左(zuo)右，其(qi)比模(mo)量(liang)也(ye)比鋼高(gao)。

發展(zhan)簡(jian)史(shi) 碳(tan)纖(xian)維(wei)是(shi)50年代初(chu)應(ying)火箭、宇航及(ji)航(hang)空等(deng)尖端科(ke)學(xue)技(ji)術的需要而產生的，現在(zai)還廣(guang)泛應用(yong)於體育器械(xie)、紡(fang)織(zhi)、化工機(ji)械(xie)及(ji)醫(yi)學領(ling)域(yu)。隨(sui)著(zhe)尖端技(ji)術對(dui)新(xin)材(cai)料技(ji)術性(xing)能的要求(qiu)日益(yi)苛(ke)刻(ke)，促(cu)使(shi)科(ke)技(ji)工作者不斷努(nu)力提(ti)高(gao)。80年代初(chu)期(qi)，高(gao)性能(neng)及(ji)超(chao)高(gao)性能(neng)的碳纖(xian)維(wei)相繼出(chu)現，這(zhe)在技(ji)術上(shang)是(shi)又(you)壹次(ci)飛躍，同時(shi)也(ye)標誌(zhi)著(zhe)碳(tan)纖(xian)維(wei)的研究(jiu)和生產(chan)已(yi)進(jin)入壹個高(gao)級(ji)階(jie)段.

碳(tan)纖(xian)維(wei)在體育領(ling)域(yu)的大顯(xian)神威(wei) 為了(le)滿足(zu)重量輕(qing)、剛性(xing)大的要求(qiu)，傳統(tong)的體育用(yong)品(pin)大(da)多采(cai)用(yong)木材(cai)及(ji)其(qi)復合材料制(zhi)品(pin)。但(dan)是(shi)，碳(tan)纖(xian)維(wei)增強復合材料的力學(xue)性能比木材(cai)高(gao)得多(duo)，它(ta)的比強度和(he)比模(mo)量(liang)分別(bie)是(shi)杉(shan)木的4倍和3倍，是(shi)梧(wu)桐木的3.4倍和4.4倍。因此(ci)，它在(zai)體育用(yong)品(pin)方(fang)面得到(dao)了(le)廣(guang)泛的應用(yong)，其用(yong)量幾(ji)乎(hu)占(zhan)全世(shi)界(jie)碳纖(xian)維(wei)總消耗量(liang)的40％左右(you)。 在文體用(yong)品(pin)方(fang)面，碳纖(xian)維(wei)增強復合材料主(zhu)要(yao)用(yong)在以(yi)下幾(ji)個方(fang)面(mian):

1).高(gao)爾夫(fu)球棒(bang) 用(yong)CFRP制成的高(gao)爾夫(fu)球棒(bang)、可減輕(qing)重量(liang)約(yue)10壹40％。根(gen)據動量守恒(heng)定律，可使(shi)球獲得較大(da)的初速(su)度。另壹方面(mian)．CFRP具有高(gao)的阻(zu)尼特性，可使(shi)擊(ji)球時(shi)間延(yan)長,球被(bei)擊(ji)得更(geng)遠(yuan)。

2). 釣(diao)魚(yu)竿(gan) 碳(tan)纖(xian)維(wei)增強復合材料制(zhi)成的釣(diao)魚(yu)竿(gan)比GFRP制品(pin)或(huo)竹竿(gan)都(dou)要(yao)輕(qing)得多(duo)，使(shi)其(qi)在撒竿(gan)時(shi)消(xiao)耗能量少(shao)，而且撤(che)竿(gan)距(ju)比後(hou)者(zhe)遠20%左右。CFRP所(suo)制(zhi)的釣(diao)魚(yu)竿(gan)長(chang)而好，剛性(xing)大，釣(diao)魚(yu)竿(gan)在(zai)彎(wan)曲之後(hou)能(neng)迅(xun)速(su)復原(yuan)，使(shi)其(qi)傳遞(di)誘餌的感覺較為(wei)靈(ling)敏。現(xian)在已(yi)有商(shang)品(pin)銷(xiao)售(shou)，用(yong)碳纖(xian)維(wei)增強塑料還(hai)可以制成漁具(ju)的卷鈾(you)，其重量不超過l40克，但(dan)它的疲勞強度高(gao)，耐摩(mo)擦，因(yin)而使(shi)用(yong)壽命(ming)長。

3).網(wang)球拍(pai) 復合材料制(zhi)成的網(wang)球拍(pai),輕(qing)而堅(jian)，剛性(xing)大，應(ying)變小，可降低球與(yu)球拍(pai)接觸(chu)時(shi)的偏(pian)離度；同時(shi)，CFRP的阻(zu)尼性(xing)好，可延(yan)長腸線(xian)與(yu)球的接觸(chu)時(shi)間，使(shi)網(wang)球獲得較大(da)的加速(su)度。例(li)如(ru)，木制(zhi)球拍(pai)的接觸(chu)時(shi)間為(wei)4.33毫秒(miao)，鋼(gang)制(zhi)品(pin)為(wei)4.09毫秒(miao)，CFRP為(wei)4.66毫秒(miao)，相對應(ying)的球的初速(su)度則(ze)分別(bie)為(wei)1.38千(qian)米(mi)／時(shi)、149.6千(qian)米(mi)／時(shi)和(he)157.4千(qian)米(mi)／時(shi)。這(zhe)種網(wang)球拍(pai)已(yi)有商(shang)品(pin)供應(ying)市(shi)場(chang)銷(xiao)售(shou)。

4)羽毛(mao)球拍(pai) 碳纖(xian)維(wei)增強復合材料剛(gang)成的羽毛(mao)球拍(pai)其特點是(shi)重(zhong)量輕(qing)、剛性(xing)大、避免了木制(zhi)品(pin)因(yin)其剛性不(bu)足(zu)而造成的斷把現象(xiang).同時(shi)它(ta)還具有與(yu)上述網(wang)球拍(pai)壹樣的優點。

5).賽(sai)車(che) 用(yong)石墨纖(xian)維(wei)長絲(si)制(zhi)成的管(guan)材可用(yong)來制(zhi)造比賽(sai)車(che)或(huo)通(tong)用(yong)自行車(che)的車(che)架,其特點是(shi)重(zhong)量輕(qing)，比鋼制架可減重50%左(zuo)右，使(shi)自行車(che)的總重(zhong)量減輕(qing)15%。 碳纖(xian)維(wei)與玻璃纖(xian)維(wei)混合增強復合材料可用(yong)來制(zhi)造越野(ye)賽(sai)汽(qi)車(che)，它(ta)的特點是(shi)重(zhong)量輕(qing)。用(yong)金(jin)屬材料制(zhi)造的同樣車(che)體的總重(zhong)量為226.8公(gong)斤(jin)，用(yong)CFRP制造時(shi)為(wei)63.5公(gong)斤(jin)，用(yong)CF／GPRP制造時(shi)重(zhong)量可減輕(qing)到31.8至(zhi)36.5公(gong)斤(jin)。
在賽(sai)車(che)領(ling)域(yu)，碳(tan)纖(xian)維(wei)復合材料最(zui)著(zhu)名的運(yun)用(yong)無疑(yi)是(shi)F1車(che)身。為了(le)使(shi)重(zhong)量保(bao)持最小，所(suo)有車(che)隊(dui)都(dou)廣(guang)泛使(shi)用(yong)碳纖(xian)材(cai)料，而這些材料的強固性(xing)足(zu)以支(zhi)撐(cheng)車(che)子(zi)的重量(liang)。

6).滑雪板 用(yong)碳纖(xian)維(wei)增強復合材料制(zhi)造的滑雪(xue)板，其特點是(shi)剛(gang)性大，耐摩(mo)擦，在(zai)轉(zhuan)彎(wan)、斜坡(po)和(he)越野(ye)賽(sai)中腳(jiao)底用(yong)力較小。用(yong)CFRF制造的滑雪(xue)杖在運(yun)動界(jie)也(ye)享(xiang)有盛(sheng)名。其(qi)特點是(shi)剛(gang)性大,重量輕(qing)，壹般(ban)在150克(ke)左右(you)。

7）.自行車(che) 隨(sui)著(zhe)材(cai)料制(zhi)造工藝(yi)的高(gao)速發(fa)展(zhan)和國內外(wai)自行車(che)市(shi)場(chang)的擴大(da)，先(xian)進(jin)復合材料諸(zhu)如(ru)碳(tan)纖(xian)維(wei)、碳化矽纖(xian)維(wei)和Kevlar纖(xian)維(wei)等(deng)高(gao)性能(neng)纖(xian)維(wei)復合材料開(kai)始(shi)在自行車(che)行業(ye)中得到(dao)使(shi)用(yong)，使(shi)傳統(tong)的自行車(che)生產(chan)工藝(yi)走向(xiang)高(gao)科(ke)技(ji)，最終(zhong)使(shi)自行車(che)趨(qu)於高(gao)檔化(hua)、輕(qing)型化(hua)與新(xin)型(xing)化(hua)。

“碳纖(xian)維(wei)復合材料自行車(che)堪(kan)稱(cheng)自行車(che)王國的至尊(zun)王者(zhe)”。
此(ci)外，碳(tan)纖(xian)維(wei)增強復合材料在(zai)體育用(yong)品(pin)方(fang)面還可以制造動力雪撬用(yong)的彈簧(huang)板、洋(yang)弓、箭、跳竿(gan)、冰(bing)球棒(bang)、遊艇、賽(sai)艇、賽(sai)艇槳、帆船桅桿、摩(mo)托車(che)零件(jian)、登山(shan)用(yong)品(pin)以(yi)及(ji)滑(hua)翔機(ji)、人(ren)力(li)飛(fei)機(ji)等(deng)。

我國碳(tan)纖(xian)維(wei)復合材料的情況
從20世(shi)紀(ji)60年代起步，經過30多年的發展(zhan)和提高(gao)，到21世(shi)紀(ji)初，碳(tan)纖(xian)維(wei)制備技(ji)術與(yu)工藝(yi)基本成熟(shu)，市(shi)場(chang)被(bei)逐(zhu)步打開(kai)。目前，日(ri)本(ben)東麗公(gong)司代表著高(gao)性能(neng)碳(tan)纖(xian)維(wei)研發的最高(gao)水平，開(kai)發(fa)出(chu)T300～T1000的高(gao)強型和(he)高(gao)強高(gao)模(mo)碳(tan)纖(xian)維(wei)及(ji)M40S～M60J的高(gao)模(mo)型(xing)碳纖(xian)維(wei)。

PAN碳纖(xian)維(wei)是(shi)軍事工業用(yong)量大(da)、使(shi)用(yong)面廣(guang)、地位極為(wei)重(zhong)要的關鍵(jian)性高(gao)性能(neng)纖(xian)維(wei)材料，是(shi)各(ge)類軍用(yong)高(gao)強、高(gao)模(mo)、高(gao)強高(gao)模(mo)型(xing)復合材料的原(yuan)料及(ji)技(ji)術基礎。以(yi)碳纖(xian)維(wei)復合材料為(wei)典(dian)型(xing)代(dai)表的先(xian)進(jin)復合材料作(zuo)為(wei)結(jie)構(gou)、功(gong)能或(huo)結(jie)構(gou)/功(gong)能壹體化構(gou)件(jian)材料，在(zai)軍機(ji)、導(dao)彈、運(yun)載(zai)火箭和衛(wei)星飛(fei)行器上(shang)發(fa)揮著(zhe)不(bu)可替代的作用(yong)，是(shi)壹種戰(zhan)略性(xing)新(xin)材(cai)料。正因為如(ru)此(ci)，西方(fang)國家(jia)把碳纖(xian)維(wei)視為“戰(zhan)略(lve)物資(zi)”，長期(qi)對(dui)我(wo)國軍品(pin)應(ying)用(yong)實行“禁(jin)售(shou)、禁(jin)運(yun)”政策(ce)，企圖(tu)制(zhi)約(yue)我(wo)國國防(fang)工業發展。

碳(tan)纖(xian)維(wei)在民(min)用(yong)領域(yu)也(ye)得到(dao)廣(guang)泛應用(yong)，如(ru)文(wen)體休(xiu)閑(xian)制(zhi)品(pin)、建(jian)築(zhu)補強、風力(li)發(fa)電、深井采(cai)油、高(gao)速交通(tong)等(deng)高(gao)新(xin)技(ji)術領(ling)域(yu)，其(qi)市(shi)場(chang)規模(mo)不(bu)斷擴(kuo)大。在經濟高(gao)速發(fa)展(zhan)中，我(wo)國碳(tan)纖(xian)維(wei)復合材料制(zhi)品(pin)也(ye)獲得快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)，特別(bie)是(shi)我(wo)國已(yi)成為體育休(xiu)閑(xian)用(yong)品(pin)生產(chan)大(da)國。我(wo)國碳(tan)纖(xian)維(wei)在工業應用(yong)領域(yu)也(ye)得到(dao)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)，每年需大量(liang)進(jin)口(kou)碳纖(xian)維(wei)，如(ru)2007年全世(shi)界(jie)碳纖(xian)維(wei)產量達(da)到(dao)3萬t，我(wo)國進(jin)口(kou)約(yue)6000多(duo)t，約(yue)占(zhan)世界(jie)總產(chan)量的1/5。但(dan)西方(fang)國家(jia)對(dui)我國國防(fang)領(ling)域(yu)應(ying)用(yong)的碳纖(xian)維(wei)仍(reng)嚴(yan).