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碳纖維復合材料的崛起

2008年北京成功舉辦了第29屆夏季奧運會，今年廣州又即將迎來第16屆亞運會，這些體育盛會在中國的舉辦不僅彰顯了偉大祖國綜合國力的提升，而且大大促進了中國體育事業(yè)的發(fā)展，中國人民對于運動的熱情空前高漲，由此所引發(fā)的運動品市場的繁榮是一種必然趨勢。 當今體育界，人們?yōu)榱藙?chuàng)造更好的成績，讓比賽更具觀賞性，對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、選擇起著至關重要的作用！一種材料正在崛起，越來越多的領域出現(xiàn)了它的身影，它就是我們熟悉又陌生的碳纖維復合材料。

碳纖維及其復合材料 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、導電、導熱及耐腐蝕等，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)出很高的強度。碳纖維比重小，因此有很高的“比強度”。碳纖維屬于聚合物碳，是有機纖維經固相反應轉變?yōu)槔w維狀的無機碳化合物。碳纖維是一種新型非金屬材料，它和它的復合材料具有高強度、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱、比重小和熱脹脹系數(shù)小等優(yōu)異性能，碳纖維單獨使用時主要是利用其耐熱性、耐蝕性、導電性和其它性質。

碳纖維是一種力學性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在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（即碳纖維復合材料）的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。

發(fā)展簡史 碳纖維是50年代初應火箭、宇航及航空等尖端科學技術的需要而產生的，現(xiàn)在還廣泛應用于體育器械、紡織、化工機械及醫(yī)學領域。隨著尖端技術對新材料技術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)，這在技術上是又一次飛躍，同時也標志著碳纖維的研究和生產已進入一個高級階段.

碳纖維在體育領域的大顯神威 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合材料制品。但是，碳纖維增強復合材料的力學性能比木材高得多，它的比強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，碳纖維增強復合材料主要用在以下幾個方面:

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％。根據動量守恒定律，可使球獲得較大的初速度。另一方面．CFRP具有高的阻尼特性，可使擊球時間延長,球被擊得更遠。

2). 釣魚竿 碳纖維增強復合材料制成的釣魚竿比GFRP制品或竹竿都要輕得多，使其在撒竿時消耗能量少，而且撤竿距比后者遠20%左右。CFRP所制的釣魚竿長而好，剛性大，釣魚竿在彎曲之后能迅速復原，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，但它的疲勞強度高，耐摩擦，因而使用壽命長。

3).網球拍 復合材料制成的網球拍,輕而堅，剛性大，應變小，可降低球與球拍接觸時的偏離度；同時，CFRP的阻尼性好，可延長腸線與球的接觸時間，使網球獲得較大的加速度。例如，木制球拍的接觸時間為4.33毫秒，鋼制品為4.09毫秒，CFRP為4.66毫秒，相對應的球的初速度則分別為1.38千米／時、149.6千米／時和157.4千米／時。這種網球拍已有商品供應市場銷售。

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

5).賽車 用石墨纖維長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復合材料可用來制造越野賽汽車，它的特點是重量輕。用金屬材料制造的同樣車體的總重量為226.8公斤，用CFRP制造時為63.5公斤，用CF／GPRP制造時重量可減輕到31.8至36.5公斤。
在賽車領域，碳纖維復合材料最著名的運用無疑是F1車身。為了使重量保持最小，所有車隊都廣泛使用碳纖材料，而這些材料的強固性足以支撐車子的重量。

6).滑雪板 用碳纖維增強復合材料制造的滑雪板，其特點是剛性大，耐摩擦，在轉彎、斜坡和越野賽中腳底用力較小。用CFRF制造的滑雪杖在運動界也享有盛名。其特點是剛性大,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)展和國內外自行車市場的擴大，先進復合材料諸如碳纖維、碳化硅纖維和Kevlar纖維等高性能纖維復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。

“碳纖維復合材料自行車堪稱自行車王國的至尊王者”。
此外，碳纖維增強復合材料在體育用品方面還可以制造動力雪撬用的彈簧板、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、人力飛機等。

我國碳纖維復合材料的情況
從20世紀60年代起步，經過30多年的發(fā)展和提高，到21世紀初，碳纖維制備技術與工藝基本成熟，市場被逐步打開。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的高強型和高強高模碳纖維及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、地位極為重要的關鍵性高性能纖維材料，是各類軍用高強、高模、高強高模型復合材料的原料及技術基礎。以碳纖維復合材料為典型代表的先進復合材料作為結構、功能或結構/功能一體化構件材料，在軍機、導彈、運載火箭和衛(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。正因為如此，西方國家把碳纖維視為“戰(zhàn)略物資”，長期對我國軍品應用實行“禁售、禁運”政策，企圖制約我國國防工業(yè)發(fā)展。

碳纖維在民用領域也得到廣泛應用，如文體休閑制品、建筑補強、風力發(fā)電、深井采油、高速交通等高新技術領域，其市場規(guī)模不斷擴大。在經濟高速發(fā)展中，我國碳纖維復合材料制品也獲得快速發(fā)展，特別是我國已成為體育休閑用品生產大國。我國碳纖維在工業(yè)應用領域也得到快速發(fā)展，每年需大量進口碳纖維，如2007年全世界碳纖維產量達到3萬t，我國進口約6000多t，約占世界總產量的1/5。但西方國家對我國國防領域應用的碳纖維仍嚴.