【技术干货】一文了解碳纤维复合材料的优异特性及功能性应用

碳纤维复合材料具有优异的机械性能，这也是其他材料无法匹及的。碳纤维复合材料坚固、坚硬且轻巧，尤其是其引人注目的轻量化和优异性能，使其成为航天器、战斗机和赛车等结构部件的首选材料。

复合材料是通过将增强材料（碳纤维）与基体（树脂）结合在一起制成的，这种纤维和基体的结合可提供优于任何一种材料的特性。在复合材料中，纤维承担了大部分负载，并且是材料性能的主要贡献者；而树脂有助于在纤维之间转移载荷，防止纤维弯曲，并将材料粘合在一起。

从历史发展上看，碳纤维复合材料非常昂贵，因此使其应用范围局限在特殊应用。然而，在过去的二三十年间，随着碳纤维消耗量的增加和制造工艺的改进，碳纤维复合材料的价格稳步下降。如今，碳纤维复合材料应用领域越来越广泛，例如体育用品、高性能游艇、高性能车辆和高性能工业机械。

碳纤维复合材料主要优点在于：

1、高比刚度；

2、高比强度；

3、极低的热膨胀系数（CTE）；

4、导热、导电。

碳纤维（HT高强型、IM中模型、HM高模型）力学性能优异，但与金属等材料相比，体密度更低，因此成为航空、汽车等轻量化首选。

有关碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、铝和钢的成本和机械性能的比较如下表所示。

表 碳纤维复合材料与其他材料性能、成本对比

高比刚度应用

碳纤维复合材料非常适合高刚度、低重量需求应用。主要应用包括：航天器结构、飞机结构、卡车和高性能车辆的传动轴、机械辊、帆船桅杆和吊杆、自行车车架、具有高加速度并要求刚度和精度的机械部件。

应用实例：经编机的针杆（如下图所示），针杆上下移动（约1500 rpm），采用CFRP后可以节能、提速，而针杆的刚度可防止振动，从而保证在更高生产速度下的准确性和质量稳定性。

具有高刚度特性的CFRP针杆

高比强度应用

碳纤维复合材料广泛用于须承受极高载荷的轻质结构，主要应用包括摩托车部件（防滑板，防撞板）、钓鱼竿、高尔夫球杆、飞机结构、卫星天线结构、赛车底盘等。

具有高承载特性的CFRP结构件

低CTE应用

碳纤维的热膨胀系数为负，这意味着碳纤维在加热时会收缩。当将碳纤维加入树脂基体（正CTE）中时，复合材料可以定制为具有几乎为零的CTE。利用低CTE特性主要可用于高精度天线、扫描成像机、精密光学设备、计量设备等。

应用实例：高精度测量仪器（如下图所示），其目的是实现无纵向热膨胀，设计时采用高模碳纤维增强环氧树脂复合材料，通过合适的层压板结构，最后实现热膨胀系数a <0.08 x 10-6 / K。

高模碳纤维材质高精度测试装置，具有低热膨胀性能

高导热应用

在航天器应用中，部分结构件在面对热源时需要高导热系数来实现热平衡，典型应用为导热承重结构，如下图为带有CFRP面板和CFRP蜂窝的三明治结构，具有优异的导热性能。

高模碳纤维为原料加工制备的导热承重结构

导电性应用

碳纤维主要是由碳元素组成，具有一定导电性，因此利用该特性可以实现特性应用。应用实例：加工复合材料零件的模具本身由CFRP制成，CFRP层用作加热元件，模具温度高达150°C，可以在很小加热功率下，实现简单而精确的温度调节；此外，模具本身的低热容量导致快速冷却，利于模具的高效制造。

具有自加热功能的复合材料成型模具

此外，高强高模碳纤维（如M50J、M55J等）与中模碳纤维（如T300、T700、T800等）相比，电阻率更小、导电性能更加优异。宁波材料所特种纤维事业部以自制国产高模碳纤维为原料开发出一种高模碳纤维电热材料，较之市场上高强中模碳纤维具有更低电阻，且电热转换效率愈加明显。该种电热材料可用于产品加热、烘干等，自产品开发成功以来目前实验室在线运行时间超过1年以上，实现了零故障。

宁波材料所国产高模碳纤维电热材料通电前后对比

特定形状应用

碳纤维复合材料除了上述功能性应用，其另外优势在于可以实现特定形状结构件的加工。

应用实例1：Sentinel-1 A和B 合成孔径雷达天线的CFRP结构； 由3000多个零件组成，采用了RTM / SLI工艺制造，用于波导、传热板和横向加强筋，公差+/- 0.03 mm。

应用实例2：用于瑞典陆军NH90型直升机的滑雪结构套件，尺寸约 2 m x 1.5 m，形状复杂、自由曲面。

功能层结构应用

2018年10月，欧洲—日本联合实施的水星探测飞船BepiColombo搭乘阿丽亚娜5号火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。在BepiColombo探测器支架结构中，为了满足强度、刚度、轻量化和高导热率需求，采用高性能碳纤维，而在碳纤维表面采用了镀金处理来具有一定反射性。

而同样是在2018年，欧洲宇航局发射的ExoMars火星探测器上，其雷达天线材料也是采用复合材料加工，但其表面镀层采用镀铜处理，有助于提高天线性能。