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碳纖維復(fù)合材料的崛起

2008年北京成功舉辦了第29屆夏季奧運(yùn)會(huì)，今年廣州又即將迎來第16屆亞運(yùn)會(huì)，這些體育盛會(huì)在中國(guó)的舉辦不僅彰顯了偉大祖國(guó)綜合國(guó)力的提升，而且大大促進(jìn)了中國(guó)體育事業(yè)的發(fā)展，中國(guó)人民對(duì)于運(yùn)動(dòng)的熱情空前高漲，由此所引發(fā)的運(yùn)動(dòng)品市場(chǎng)的繁榮是一種必然趨勢(shì)。 當(dāng)今體育界，人們?yōu)榱藙?chuàng)造更好的成績(jī)，讓比賽更具觀賞性，對(duì)于體育器材的要求越來越高，顯然，提高體育器材的性能，材料的優(yōu)化、選擇起著至關(guān)重要的作用！一種材料正在崛起，越來越多的領(lǐng)域出現(xiàn)了它的身影，它就是我們熟悉又陌生的碳纖維復(fù)合材料。

碳纖維及其復(fù)合材料 碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90％以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的“比強(qiáng)度”。碳纖維屬于聚合物碳，是有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀的無機(jī)碳化合物。碳纖維是一種新型非金屬材料，它和它的復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱、比重小和熱脹脹系數(shù)小等優(yōu)異性能，碳纖維單獨(dú)使用時(shí)主要是利用其耐熱性、耐蝕性、導(dǎo)電性和其它性質(zhì)。

碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP（即碳纖維復(fù)合材料）的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。

發(fā)展簡(jiǎn)史 碳纖維是50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要而產(chǎn)生的，現(xiàn)在還廣泛應(yīng)用于體育器械、紡織、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。隨著尖端技術(shù)對(duì)新材料技術(shù)性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不斷努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現(xiàn)，這在技術(shù)上是又一次飛躍，同時(shí)也標(biāo)志著碳纖維的研究和生產(chǎn)已進(jìn)入一個(gè)高級(jí)階段.

碳纖維在體育領(lǐng)域的大顯神威 為了滿足重量輕、剛性大的要求，傳統(tǒng)的體育用品大多采用木材及其復(fù)合材料制品。但是，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能比木材高得多，它的比強(qiáng)度和比模量分別是杉木的4倍和3倍，是梧桐木的3.4倍和4.4倍。因此，它在體育用品方面得到了廣泛的應(yīng)用，其用量幾乎占全世界碳纖維總消耗量的40％左右。 在文體用品方面，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要用在以下幾個(gè)方面:

1).高爾夫球棒 用CFRP制成的高爾夫球棒、可減輕重量約10一40％。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，可使球獲得較大的初速度。另一方面．CFRP具有高的阻尼特性，可使擊球時(shí)間延長(zhǎng),球被擊得更遠(yuǎn)。

2). 釣魚竿 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的釣魚竿比GFRP制品或竹竿都要輕得多，使其在撒竿時(shí)消耗能量少，而且撤竿距比后者遠(yuǎn)20%左右。CFRP所制的釣魚竿長(zhǎng)而好，剛性大，釣魚竿在彎曲之后能迅速?gòu)?fù)原，使其傳遞誘餌的感覺較為靈敏?，F(xiàn)在已有商品銷售，用碳纖維增強(qiáng)塑料還可以制成漁具的卷鈾，其重量不超過l40克，但它的疲勞強(qiáng)度高，耐摩擦，因而使用壽命長(zhǎng)。

3).網(wǎng)球拍 復(fù)合材料制成的網(wǎng)球拍,輕而堅(jiān)，剛性大，應(yīng)變小，可降低球與球拍接觸時(shí)的偏離度；同時(shí)，CFRP的阻尼性好，可延長(zhǎng)腸線與球的接觸時(shí)間，使網(wǎng)球獲得較大的加速度。例如，木制球拍的接觸時(shí)間為4.33毫秒，鋼制品為4.09毫秒，CFRP為4.66毫秒，相對(duì)應(yīng)的球的初速度則分別為1.38千米／時(shí)、149.6千米／時(shí)和157.4千米／時(shí)。這種網(wǎng)球拍已有商品供應(yīng)市場(chǎng)銷售。

4)羽毛球拍 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料剛成的羽毛球拍其特點(diǎn)是重量輕、剛性大、避免了木制品因其剛性不足而造成的斷把現(xiàn)象.同時(shí)它還具有與上述網(wǎng)球拍一樣的優(yōu)點(diǎn)。

5).賽車 用石墨纖維長(zhǎng)絲制成的管材可用來制造比賽車或通用自行車的車架,其特點(diǎn)是重量輕，比鋼制架可減重50%左右，使自行車的總重量減輕15%。 碳纖維與玻璃纖維混合增強(qiáng)復(fù)合材料可用來制造越野賽汽車，它的特點(diǎn)是重量輕。用金屬材料制造的同樣車體的總重量為226.8公斤，用CFRP制造時(shí)為63.5公斤，用CF／GPRP制造時(shí)重量可減輕到31.8至36.5公斤。
在賽車領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料最著名的運(yùn)用無疑是F1車身。為了使重量保持最小，所有車隊(duì)都廣泛使用碳纖材料，而這些材料的強(qiáng)固性足以支撐車子的重量。

6).滑雪板 用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造的滑雪板，其特點(diǎn)是剛性大，耐摩擦，在轉(zhuǎn)彎、斜坡和越野賽中腳底用力較小。用CFRF制造的滑雪杖在運(yùn)動(dòng)界也享有盛名。其特點(diǎn)是剛性大,重量輕，一般在150克左右。

7）.自行車 隨著材料制造工藝的高速發(fā)展和國(guó)內(nèi)外自行車市場(chǎng)的擴(kuò)大，先進(jìn)復(fù)合材料諸如碳纖維、碳化硅纖維和Kevlar纖維等高性能纖維復(fù)合材料開始在自行車行業(yè)中得到使用，使傳統(tǒng)的自行車生產(chǎn)工藝走向高科技，最終使自行車趨于高檔化、輕型化與新型化。

“碳纖維復(fù)合材料自行車堪稱自行車王國(guó)的至尊王者”。
此外，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在體育用品方面還可以制造動(dòng)力雪撬用的彈簧板、洋弓、箭、跳竿、冰球棒、游艇、賽艇、賽艇槳、帆船桅桿、摩托車零件、登山用品以及滑翔機(jī)、人力飛機(jī)等。

我國(guó)碳纖維復(fù)合材料的情況
從20世紀(jì)60年代起步，經(jīng)過30多年的發(fā)展和提高，到21世紀(jì)初，碳纖維制備技術(shù)與工藝基本成熟，市場(chǎng)被逐步打開。目前，日本東麗公司代表著高性能碳纖維研發(fā)的最高水平，開發(fā)出T300～T1000的高強(qiáng)型和高強(qiáng)高模碳纖維及M40S～M60J的高模型碳纖維。

PAN碳纖維是軍事工業(yè)用量大、使用面廣、地位極為重要的關(guān)鍵性高性能纖維材料，是各類軍用高強(qiáng)、高模、高強(qiáng)高模型復(fù)合材料的原料及技術(shù)基礎(chǔ)。以碳纖維復(fù)合材料為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、功能或結(jié)構(gòu)/功能一體化構(gòu)件材料，在軍機(jī)、導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭和衛(wèi)星飛行器上發(fā)揮著不可替代的作用，是一種戰(zhàn)略性新材料。正因?yàn)槿绱耍鞣絿?guó)家把碳纖維視為“戰(zhàn)略物資”，長(zhǎng)期對(duì)我國(guó)軍品應(yīng)用實(shí)行“禁售、禁運(yùn)”政策，企圖制約我國(guó)國(guó)防工業(yè)發(fā)展。

碳纖維在民用領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，如文體休閑制品、建筑補(bǔ)強(qiáng)、風(fēng)力發(fā)電、深井采油、高速交通等高新技術(shù)領(lǐng)域，其市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展中，我國(guó)碳纖維復(fù)合材料制品也獲得快速發(fā)展，特別是我國(guó)已成為體育休閑用品生產(chǎn)大國(guó)。我國(guó)碳纖維在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域也得到快速發(fā)展，每年需大量進(jìn)口碳纖維，如2007年全世界碳纖維產(chǎn)量達(dá)到3萬t，我國(guó)進(jìn)口約6000多t，約占世界總產(chǎn)量的1/5。但西方國(guó)家對(duì)我國(guó)國(guó)防領(lǐng)域應(yīng)用的碳纖維仍嚴(yán).