碳纤维复合材料的应用

碳纤维复合材料无处不在

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、超轻质的无机高分子纤维材料。它强度却高于钢铁，质量却比铝还要轻，既保留了碳材料的固有特性，又兼备纤维材料的柔软可加工性，是一种“外柔内刚”的材料。

现如今，我们几乎每天都能发现碳纤维的新用途。这些微小的细丝，目前有各种各样的功能形状，它的直径只有人类头发厚度的十分之一。纤维加工成织物，可用于成型后续的成型加工，并形成用于建筑的管材和片材，或作为常规线用于纤维缠绕。

起初碳纤维主要用于军工和航天，经过不断的发展，其应用领域正在向工业领域和普通民用领域扩大。在科技迅速发展下，碳纤维也用于基础设施的修复、更新和加固，新能源开发以及风力发电机的螺旋桨和风叶制作；汽车的刹车系统、转动轴、车身等制造；电子领域的应用主要有通信、广播、地球观测、空间探测以及各种飞行器的高精度天线。

文体用品方面，目前碳纤维材料已从钓鱼竿和高尔夫球杆推广到网球拍、羽毛球拍、冰雪运动器材、水上运动器材等方面，其中高尔夫球杆、网球拍和钓鱼竿是体育用品用碳纤维复合材料的三大支柱产品，约占该类产品的80%。

碳纤维复合材料的优势

复合材料正在慢慢取代传统材料，常见的复合材料在各个领域都是金属和木材等传统材料的良好替代品。

复合材料具有高比强度：CFRP材料具有最佳的强度重量比、耐腐蚀性、刚度和耐久性。复合材料的高比强度是其最大的优点。虽然每单位重量碳纤维比这两种材料更坚固和更硬，但它的重量却分别约为钢的25%、铝的70%。

复合材料经久耐用：无论在何种条件下，复合材料都不会生锈（尽管它们在与金属部件结合时容易腐蚀）。复合材料比大多数聚合物更坚韧，但比金属更坚韧。由于其出色的尺寸稳定性，无论热或冷、湿或干，它们可以保持其形状，无论是热的还是冷的，湿的还是干的。因此，它们是室外结构（如风力涡轮机叶片）的首选材料。

复合材料为新设计提供了可能：一个单一的复合材料部件可以代替整个金属部件的装配。任何表面处理，从光滑到纹理，都可以通过改变表面纹理来模仿。由于玻璃纤维可以被塑造成各种各样的船只设计，复合材料占休闲船船体的90%以上。这些优势带来的长期节约包括更低的维护成本和更短的生产时间。

通过添加高度石墨化的纤维，碳纤维复合材料具有非常高的导热性：为了更好地去除电子机械中不需要的热量，电子系统中也推荐使用碳纤维增强的复合材料。

碳纤维也被应用于跑鞋

为了延长专业跑鞋的最佳使用寿命，跑鞋纵向抗弯刚度是鞋具设计的重要参数之一。纵向抗弯刚度的调整与跖趾关节运动功能高度相关，与耐力运动表现联系紧密，同时也被证实与高强度运动如冲刺跑、变向跑等运动表现有密切联系。

有研究表明，足弓结构异常会增加人们运动过程中的损伤风险，碳板能加强运动鞋的中底底部，提升结构刚性，保障足弓稳定，提供抗扭保护。抗扭转不止于保护性，另一方面，好的抗扭转设计能够让缓震系统的更好的发挥效用，从而达到一个既能让足部有着舒适的体验，更重要的是能让足部平衡，跑鞋更加稳固，缓冲释放的能量更加集中。

随着跑鞋质量的下降，运动鞋重量每减小100 g，耗氧量会降低约 1%，鞋底材料轻质能够有效降低长跑氧耗量，提高跑步经济性。碳板跑鞋也能够提供一定的回弹效果。碳板与跑鞋中底相配合，形成“三明治”状的结构，能够更好地利用跑者力量，提升回弹推动能力，减少能量损失。

国内运动品牌所推出的碳板跑鞋在碳板科技、中底材料以及鞋面材质上都有不俗表现。科技的发展及各品牌的崛起，使得碳板跑鞋的价格也逐渐开始亲民。

总的来说，碳纤维凭借着出色的刚性、抗扭、轻质成功的与运动鞋展开了密切的合作。从最早的篮球鞋开始，优秀的抗旋转能力保证运动员的完美的发挥技术。近年来，碳板跑鞋进入大众生活。

碳纤维推动家具的更新换代

碳纤维材料近年来也得到了家具市场的广泛青睐。

超轻质量：与传统材料相比，碳纤维或碳纤维复合材料制成的家具最大的特点就是质量轻，它的质量仅为钢材的1/5，钛合金的1/3。碳纤维材料制成的不仅家具易于组合、搬运，在视觉上也表现出自然轻盈的美感。

超薄结构：碳纤维材料刚而强的特性可以将家具的构件制作的足够薄，不仅节约用材，还减少了家具的占用空间。

造型多变：由于碳纤维具备纤维的柔软特性，因此可塑性很高。它可以在三维空间里任意的扭曲，塑造成各种造型。此外,碳纤维家具可以做到一体成型或通过各种几何图形穿插连接，突破了传统的榫卯或五金件连接。

色彩多变：通过紫外线对碳纤维进行灼烧或者通过与树脂材料的复合等手段，可以使碳纤维摆脱黑不溜秋的颜色，拥有各种靓丽的色彩。

碳纤维的回收

碳纤维复合材料日益普及，其使用量逐年上升。回收这些材料仍然很困难，但出于环境、经济和立法方面的原因，在欧洲层面仍然是必要的。在IMT Mines Albi，研究人员正在研究蒸汽热解法回收碳纤维。

阿尔比研究人员开发的过程称为“蒸汽热解”，并将这两个过程结合在一起。目前，向碳纤维的大规模再利用迈进是世界上最有前景的解决方案之一。除了阿尔比，世界上只有少数其他研究中心在研究这个主题（主要在日本、中国和韩国）。

重复使用碳纤维的最简单方法是将相互连接的纤维束展开在平坦的表面上，并以这种形式重复使用，作为碳毡。因此，它们将用于制造装饰部件而不是结构部件的复合材料。回收纤维的尺寸还可以进一步减小，以用作聚合物颗粒的增强材料。

切片再塑法也是一种常见的热塑性树脂回收方法。在纤维取向程度类似的情况下，碳纤维的体积含有率是影响复合材料回收后力学性能的主要因素，而回收碳纤维增强复合材料的模量值主要取决于碳纤维的长度，强度值取决于纤维和树脂的浸渍质量。通过工业优化,切片重塑法可实现碳纤维复合材料的低成本多次重复回收,可满足碳纤维复合材料在一般民用领域的应用。近来，除了航天航空领域,连续性碳纤维增强热塑性复合材料也逐步应用于骨外科医疗器械、电子电器、高端工业等领域中。