一、碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展和戰(zhàn)略地位

碳纖維的出現(xiàn)是材料史上的一次革命。碳纖維是目前世界首選的高性能材料，具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗委靡、導(dǎo)電、質(zhì)輕、易加工等多種優(yōu)秀性能，正漸漸征服和庖代傳統(tǒng)材料。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航天、航空和軍事領(lǐng)域。世界各國(guó)均把發(fā)展高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)放在極其緊張的位置。碳纖維除了在軍事領(lǐng)域上的緊張應(yīng)用外，在民品的發(fā)展上有著更加廣闊的空間，并已經(jīng)開(kāi)始深入到國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域。在機(jī)械電子、建筑材料、體裁、化工、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域碳纖維有著無(wú)可比擬的應(yīng)用上風(fēng)。

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)的必要而產(chǎn)生的。80年代期，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。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，碳纖維及其復(fù)合材料已從初創(chuàng)期轉(zhuǎn)入增加發(fā)展期，其工業(yè)地位已基本確立，美、日、英、法、德等國(guó)的碳纖維產(chǎn)量已經(jīng)占世界產(chǎn)量的絕大部分，并已漸漸形成壟斷上風(fēng)。

我國(guó)對(duì)碳纖維的研究因?yàn)槠鸩捷^晚，技術(shù)力量微弱，雖然碳纖維及其復(fù)合材料在我國(guó)已被納入國(guó)家“863”和“973”計(jì)劃，但總體情況不盡理想，我國(guó)仍不具備成熟的碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，國(guó)防和民用碳纖維產(chǎn)品基本依靠進(jìn)口。

二、碳纖維復(fù)合材料的性能和用途

碳纖維重要是由碳元素組成的一種特種纖維，是由含碳量較高、在熱處理過(guò)程中不熔融的人造化學(xué)纖維經(jīng)熱穩(wěn)固氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。其含碳量隨種類(lèi)不同而異，一樣平常90以上。碳纖維具有一樣平常碳素材料的特征，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一樣平常碳素材料不同的是，其形狀有明顯的各向異性、柔軟、可加工性好，沿纖維軸方向體現(xiàn)出很高的度，且碳纖維比重小。

1、碳纖維的化學(xué)性能

碳纖維是一種纖維狀的碳素材料。我們知道碳素材料是化學(xué)性能穩(wěn)固性極好的物質(zhì)之一。這是歷史上最早就被人類(lèi)熟悉的碳素材料的特性之一。除強(qiáng)氧化性酸等特別物質(zhì)外，在常溫常壓附近，幾乎為化學(xué)惰性。可以認(rèn)為在通俗的工作溫度≤250℃環(huán)境下使用，很難觀察到碳纖維發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)變。根據(jù)有關(guān)資料介紹，從碳素材料的化學(xué)性子分析，在≤250℃環(huán)境下，碳素材料既沒(méi)有顯明的氧化發(fā)生，也沒(méi)有生成碳化物和層間化合物生成。因?yàn)樘妓夭牧暇哂袣饪捉Y(jié)構(gòu)，因此氣孔率高達(dá)25%左右，在加熱過(guò)程易產(chǎn)生吸附氣體脫氣情況，如許的過(guò)程更有利于我們穩(wěn)固電氣性能和在電熱領(lǐng)域的應(yīng)用。

2、碳纖維的物理性能

(a)熱學(xué)性子：碳素材料因石墨晶體的高度各向異性，而不同于一樣平常固體物質(zhì)與溫度的依存性，從工業(yè)的應(yīng)用角度來(lái)看，碳素材料比熱大體上是恒定的。幾乎不隨石墨化度和碳素材料的種類(lèi)而化

(b)導(dǎo)熱性子：碳素材料熱傳導(dǎo)機(jī)理并不依靠于電子，而是寄托晶格振動(dòng)導(dǎo)熱，因此，不吻合金屬所遵循的維德曼—夫蘭茲定律。根據(jù)有關(guān)資料介紹，通俗的碳素材料導(dǎo)熱系數(shù)極高，平行于晶粒方向的導(dǎo)熱系數(shù)可與黃銅媲美。

(c)電學(xué)性子：碳素材料電學(xué)性子重要與石墨晶體的電子舉動(dòng)和不同的處理溫度有關(guān)，石墨的電子能帶結(jié)構(gòu)和載流子的種類(lèi)及其擴(kuò)散機(jī)理決定了上述性子。碳素材料這類(lèi)電學(xué)性子具有本征半導(dǎo)體所具備的特性，電阻率轉(zhuǎn)變重要與載流子的數(shù)量轉(zhuǎn)變有關(guān)。

3、碳纖維的重要用途

與樹(shù)脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，做成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維加強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在剛度、重量、委靡特征等有嚴(yán)酷要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)固性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都頗具上風(fēng)。

由碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，因?yàn)槠浔戎匦　傂院煤蛷?qiáng)度高而成為一種先輩的航空航天材料。

最神奇的應(yīng)用是采用長(zhǎng)碳纖維制成的“納米繩”可以將“太空電梯”由理想變?yōu)閷?shí)際，太空電梯將可以將乘客和各種貨物運(yùn)送到空間軌道站上，也可以用這種“納米繩”將太空中發(fā)射平臺(tái)與地面固定在一路，在如許的發(fā)射平臺(tái)上發(fā)射人造衛(wèi)星和太空探測(cè)器就可以大大降低發(fā)射成本。總結(jié)碳纖維復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：

(1)宇航工業(yè)用作導(dǎo)彈防熱及結(jié)構(gòu)材料如火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層;衛(wèi)星構(gòu)架、天線、太陽(yáng)能翼片底板、衛(wèi)星-火箭結(jié)合部件;航天飛機(jī)機(jī)頭，機(jī)翼前緣和艙門(mén)等制件;哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量構(gòu)架，太陽(yáng)能電池板和無(wú)線電天線。

(2)航空工業(yè)用作主承力結(jié)構(gòu)材料，如主翼、尾翼和機(jī)體;次承力構(gòu)件，如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、整流罩及座板等，此外還有c/c剎車(chē)片。

(3)交通運(yùn)輸用作汽車(chē)傳動(dòng)軸、板簧、構(gòu)架和剎車(chē)片等制件;船舶和海洋工程用作制造漁船、魚(yú)雷快艇、快艇巡邏艇，以及賽艇的桅桿、航桿、殼體及劃水漿;海底電纜、潛水艇、雷達(dá)罩、深海油田的升降器和管道。

(4)活動(dòng)器材用作網(wǎng)球、羽毛球、和壁球拍及桿、棒球、曲棍球和高爾夫球桿、自行車(chē)、賽艇、釣桿、滑雪板、雪車(chē)等。

(5)土木建筑幕墻、嵌板、間隔壁板、橋梁、架設(shè)跨度大的管線、海水和水輪結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋、地板、窗框、管道、海洋浮桿、面狀發(fā)熱嵌板、抗震救災(zāi)用補(bǔ)強(qiáng)材料。

(6)其它工業(yè)化工用的防腐泵、閥、槽、罐;催化劑，吸附劑和密封成品等。生體和醫(yī)療器材如人造骨骼、牙齒、韌帶、x光機(jī)的床板和膠卷盒。編織機(jī)用的劍竿頭和劍竿防靜電刷。其它還有電磁屏蔽、電極度、音響、減磨、儲(chǔ)能及防靜電等材料也已獲得廣泛應(yīng)用。

三、碳纖維復(fù)合材料在電線電纜中的應(yīng)用

碳纖維以其固有的特征賦予了其復(fù)合材料優(yōu)秀的性能，它具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐委靡、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)秀性能，從而為其在電線電纜行業(yè)中的應(yīng)用提供了可能和必然。

(一)碳纖維加熱電纜的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

人們?cè)缇椭溃越饘俨牧蠟榘l(fā)熱體的電加熱技術(shù)已在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是金屬絲在高溫狀況下外觀易氧化，因?yàn)檠趸瘜淤s續(xù)的增厚，造成了有用通過(guò)電流的面積減小，增大了電流的負(fù)荷，因此易燒斷。在雷同的許可的電流負(fù)荷面積下，金屬絲的強(qiáng)度比碳纖維低6-10倍，在使用過(guò)程中易折斷。

碳纖維是一種石墨的六方晶格層狀結(jié)構(gòu)組成，是一種全黑體材料，因此在電熱應(yīng)用中，體現(xiàn)出來(lái)的電熱轉(zhuǎn)換服從高。在特定的條件下，高溫不氧化，單位面積的電流的負(fù)荷強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度不發(fā)生改變。

目前碳纖維加熱電纜的應(yīng)用如下：

低溫輻射發(fā)熱電纜地板采暖體系。

恒溫育雛箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保溫采暖。

道路化雪、機(jī)場(chǎng)跑道化雪：用于混凝土結(jié)構(gòu)中樓面加熱的理想產(chǎn)品，也可以用在融雪裝配中，對(duì)屋面雨水和排水管進(jìn)行防霜，還可以用于泥土加熱。

管道、罐體保溫防凍：電伴熱產(chǎn)品近幾年在中國(guó)得到了大力的推廣和廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用領(lǐng)域重要集中在石油、化工、電力、鐵路和民用或商業(yè)建筑等。隨著中國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展，以清潔、無(wú)二次污染的電能為重要能源的電伴熱產(chǎn)品市場(chǎng)前景特別很是廣闊，同時(shí)，也為電伴熱產(chǎn)品的性能提出了更高的要求。

足球場(chǎng)草坪、公共綠地泥土保溫：太陽(yáng)能熱水器電能增補(bǔ)加熱器，重要用于在長(zhǎng)期陰雨天或寒冬季節(jié)，因光照不足而導(dǎo)致太陽(yáng)能熱水器水溫不能知足生活、工程必要時(shí)，為增補(bǔ)熱能而設(shè)計(jì)的。它具有較強(qiáng)的耐炎暑、冰冷和高溫潮濕環(huán)境的性能，并具有防干燒的功能。即使偶爾水箱缺水誤通電，也不至于燒壞電加熱器和水箱，故能確保安全使用。

(二)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

我國(guó)是個(gè)缺電的國(guó)家，不僅發(fā)電業(yè)的發(fā)展滯后，輸電業(yè)的弊端也凸現(xiàn)出來(lái)，輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴(kuò)容的需求，因?yàn)檫^(guò)負(fù)荷造成的停電、斷電故障一再發(fā)生，電力傳輸成為電力工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，各國(guó)均在研究新型架空輸電路用導(dǎo)線，以庖代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線由此應(yīng)運(yùn)而生。與鋼芯鋁絞線相比，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有以下好處：

1、和同樣直徑的acsr電纜相比，可以提供雙倍的載流容量。

2、有用解決電纜下垂題目。

3、可以在更高的溫度下工作，最高可達(dá)200攝氏度。

4、線芯可以抗腐蝕，而且沒(méi)有雙金屬間腐蝕題目。

5、由于可以提供更高的載流容量，所以同時(shí)也有用的降低了工程成本。

6、與雷同直徑傳統(tǒng)電纜相比可以多容納28%的導(dǎo)體。

7、高強(qiáng)度線芯可以有用削減電纜架的數(shù)量，或降低電纜架的高度。

8、有用削減電纜下垂，使地面生物更加安全。

除了上述提及的好處外，還可削減傳輸中電力的損耗，削減20%的塔桿，節(jié)省用地，削減有色金屬資源消費(fèi)，有助于構(gòu)造安全、環(huán)保、高效節(jié)約型輸電網(wǎng)絡(luò)。目前世界上只有美國(guó)和日本開(kāi)發(fā)出這種新型導(dǎo)線，他們還達(dá)成默契：不向第三國(guó)輸出，日本一家碳纖維導(dǎo)線企業(yè)的產(chǎn)量就占到世界40%左右。目前我國(guó)電線電纜研究所、電力建筑研究院以及國(guó)家電網(wǎng)有限公司都已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)accc導(dǎo)線的試驗(yàn)研究工作。國(guó)內(nèi)電纜廠家也加大與外方合作，將這種新型電纜引進(jìn)到中國(guó)生產(chǎn)，積極推動(dòng)我國(guó)架空輸電線路的技術(shù)革命。最近福建電網(wǎng)已經(jīng)將該新型導(dǎo)線架設(shè)運(yùn)行。

(三)在高低溫、腐蝕等苛刻環(huán)境應(yīng)用的可能碳纖維細(xì)如蛛絲，三型碳纖維比強(qiáng)度是鋼的62倍以上，成形工藝性好，是一代新型工程材料，其彈性量高，抗變性能力比鋼大2倍多，抗拉強(qiáng)度30～40t/cm2pa,而比重還不到鋼的四分之一，是鋁合金的二分之一，高彈模量比鋼鐵大16倍，比鋁合金大12倍。且碳纖維比鋼等柔軟。因此，碳纖維可用于要求能承重、不易損傷內(nèi)部元件的電纜的增強(qiáng)芯，如海底光纜等。

碳纖維可以耐-180℃的低溫，在此條件下，很多材料都變的很脆，連結(jié)實(shí)的鋼鐵也變的比玻璃還容易碎，而碳纖維在此條件下仍舊很柔軟。因此，碳纖維復(fù)合芯可用于極地(如南極考察研究等)條件下輸電載體的設(shè)計(jì)和制造。碳纖維又可以耐3000℃～3500℃的高溫，在此高溫下最好的耐熱鋼也變成鋼水，但在沒(méi)有氧氣的情況下，碳纖維沒(méi)有轉(zhuǎn)變。

碳纖維即使從3000℃的高溫快速冷卻到室溫也不會(huì)炸裂，因而可在急冷急熱的環(huán)境中工作。這為鋼鐵、冶金、鍋爐等行業(yè)中高溫特高溫場(chǎng)合電纜的設(shè)計(jì)提供了可能。此外，碳纖維紗、碳纖維繩、碳纖維布都可用于消防電纜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)選用。

碳纖維有超強(qiáng)的耐腐蝕性。金屬中耐腐蝕性最強(qiáng)的是黃金和鉑，在一份硝酸(濃%)和三份硫酸(濃度39%)配成的稱“王水”的溶液中黃金、鉑會(huì)被腐蝕的千瘡百孔，而“王水”中的碳纖維卻安然無(wú)恙。為各種化學(xué)環(huán)境下輕型耐化學(xué)腐蝕電纜的設(shè)計(jì)提供了新的思路。