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碳纤维复合材料的崛起
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2008年北京成功举办了第29届夏季奥运会,今年广州又即将迎来第16届亚运会,这些体育盛会在中国的举办不仅彰显了伟大祖国综合国力的提升,而且大大促进了中国体育事业的发展,中国人民对于运动的热情空前高涨,由此所引发的运动品市场的繁荣是一种必然趋势。  当今体育界,人们为了创造更好的成绩,让比赛更具观赏性,对于体育器材的要求越来越高,显然,提高体育器材的性能,材料的优化、选择起着至关重要的作用!一种材料正在崛起,越来越多的领域出现了它的身影,它就是我们熟悉又陌生的碳纤维复合材料。

碳纤维及其复合材料  碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,其含碳量随种类不同而异,一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性,如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等,但与一般碳素材料不同的是,其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物,沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小,因此有很高的“比强度”。碳纤维属于聚合物碳,是有机纤维经固相反应转变为纤维状的无机碳化合物。碳纤维是一种新型非金属材料,它和它的复合材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、比重小和热胀胀系数小等优异性能,碳纤维单独使用时主要是利用其耐热性、耐蚀性、导电性和其它性质。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP(即碳纤维复合材料)的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比钢高。

发展简史  碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的,现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻,促使科技工作者不断努力提高。80年代初期,高性能及超高性能的碳纤维相继出现,这在技术上是又一次飞跃,同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段.

碳纤维在体育领域的大显神威  为了满足重量轻、刚性大的要求,传统的体育用品大多采用木材及其复合材料制品。但是,碳纤维增强复合材料的力学性能比木材高得多,它的比强度和比模量分别是杉木的4倍和3倍,是梧桐木的3.4倍和4.4倍。因此,它在体育用品方面得到了广泛的应用,其用量几乎占全世界碳纤维总消耗量的40%左右。  在文体用品方面,碳纤维增强复合材料主要用在以下几个方面:

1).高尔夫球棒  用CFRP制成的高尔夫球棒、可减轻重量约10一40%。根据动量守恒定律,可使球获得较大的初速度。另一方面.CFRP具有高的阻尼特性,可使击球时间延长,球被击得更远。

2). 钓鱼竿   碳纤维增强复合材料制成的钓鱼竿比GFRP制品或竹竿都要轻得多,使其在撒竿时消耗能量少,而且撤竿距比后者远20%左右。CFRP所制的钓鱼竿长而好,刚性大,钓鱼竿在弯曲之后能迅速复原,使其传递诱饵的感觉较为灵敏。现在已有商品销售,用碳纤维增强塑料还可以制成渔具的卷铀,其重量不超过l40克,但它的疲劳强度高,耐摩擦,因而使用寿命长。

3).网球拍  复合材料制成的网球拍,轻而坚,刚性大,应变小,可降低球与球拍接触时的偏离度;同时,CFRP的阻尼性好,可延长肠线与球的接触时间,使网球获得较大的加速度。例如,木制球拍的接触时间为4.33毫秒,钢制品为4.09毫秒,CFRP为4.66毫秒,相对应的球的初速度则分别为1.38千米/时、149.6千米/时和157.4千米/时。这种网球拍已有商品供应市场销售。

4)羽毛球拍   碳纤维增强复合材料刚成的羽毛球拍其特点是重量轻、刚性大、避免了木制品因其刚性不足而造成的断把现象.同时它还具有与上述网球拍一样的优点。

5).赛车  用石墨纤维长丝制成的管材可用来制造比赛车或通用自行车的车架,其特点是重量轻,比钢制架可减重50%左右,使自行车的总重量减轻15%。  碳纤维与玻璃纤维混合增强复合材料可用来制造越野赛汽车,它的特点是重量轻。用金属材料制造的同样车体的总重量为226.8公斤,用CFRP制造时为63.5公斤,用CF/GPRP制造时重量可减轻到31.8至36.5公斤。
在赛车领域,碳纤维复合材料最著名的运用无疑是F1车身。为了使重量保持最小,所有车队都广泛使用碳纤材料,而这些材料的强固性足以支撑车子的重量。

6).滑雪板   用碳纤维增强复合材料制造的滑雪板,其特点是刚性大,耐摩擦,在转弯、斜坡和越野赛中脚底用力较小。用CFRF制造的滑雪杖在运动界也享有盛名。其特点是刚性大,重量轻,一般在150克左右。

7).自行车  随着材料制造工艺的高速发展和国内外自行车市场的扩大,先进复合材料诸如碳纤维、碳化硅纤维和Kevlar纤维等高性能纤维复合材料开始在自行车行业中得到使用,使传统的自行车生产工艺走向高科技,最终使自行车趋于高档化、轻型化与新型化。 

“碳纤维复合材料自行车堪称自行车王国的至尊王者”。
此外,碳纤维增强复合材料在体育用品方面还可以制造动力雪撬用的弹簧板、洋弓、箭、跳竿、冰球棒、游艇、赛艇、赛艇桨、帆船桅杆、摩托车零件、登山用品以及滑翔机、人力飞机等。

我国碳纤维复合材料的情况
从20世纪60年代起步,经过30多年的发展和提高,到21世纪初,碳纤维制备技术与工艺基本成熟,市场被逐步打开。目前,日本东丽公司代表着高性能碳纤维研发的最高水平,开发出T300~T1000的高强型和高强高模碳纤维及M40S~M60J的高模型碳纤维。

PAN碳纤维是军事工业用量大、使用面广、地位极为重要的关键性高性能纤维材料,是各类军用高强、高模、高强高模型复合材料的原料及技术基础。以碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料,在军机、导弹、运载火箭和卫星飞行器上发挥着不可替代的作用,是一种战略性新材料。正因为如此,西方国家把碳纤维视为“战略物资”,长期对我国军品应用实行“禁售、禁运”政策,企图制约我国国防工业发展。

碳纤维在民用领域也得到广泛应用,如文体休闲制品、建筑补强、风力发电、深井采油、高速交通等高新技术领域,其市场规模不断扩大。在经济高速发展中,我国碳纤维复合材料制品也获得快速发展,特别是我国已成为体育休闲用品生产大国。我国碳纤维在工业应用领域也得到快速发展,每年需大量进口碳纤维,如2007年全世界碳纤维产量达到3万t,我国进口约6000多t,约占世界总产量的1/5。但西方国家对我国国防领域应用的碳纤维仍严.