一、碳纖維復合材料的發(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，具有高強度、高模量、耐高溫、抗委靡、導電、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)已廣泛應用于航天、航空和軍事領域。世界各國均把發(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域上的緊張應用外，在民品的發(fā)展上有著更加廣闊的空間，并已經(jīng)開始深入到國計民生的各個領域。在機械電子、建筑材料、體裁、化工、醫(yī)療等各個領域碳纖維有著無可比擬的應用上風。

碳纖維是50年代初應火箭、宇航及航空等尖端科學技術(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，同時也標志著碳纖維的研究和生產(chǎn)已進入一個高級階段。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，碳纖維及其復合材料已從初創(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。

我國對碳纖維的研究因為起步較晚，技術(shù)力量微弱，雖然碳纖維及其復合材料在我國已被納入國家“863”和“973”計劃，但總體情況不盡理想，我國仍不具備成熟的碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，國防和民用碳纖維產(chǎn)品基本依靠進口。

二、碳纖維復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、在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維經(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、導電、導熱及耐腐蝕等，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熟悉的碳素材料的特性之一。除強氧化性酸等特別物質(zhì)外，在常溫常壓附近，幾乎為化學惰性。可以認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)生化學轉(zhuǎn)變。根據(jù)有關(guān)資料介紹，從碳素材料的化學性子分析，在≤250℃環(huán)境下，碳素材料既沒有顯明的氧化發(fā)生，也沒有生成碳化物和層間化合物生成。因為碳素材料具有氣孔結(jié)構(gòu)，因此氣孔率高達25%左右，在加熱過程易產(chǎn)生吸附氣體脫氣情況，如許的過程更有利于我們穩(wěn)固電氣性能和在電熱領域的應用。

2、碳纖維的物理性能

(a)熱學性子：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)的應用角度來看，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而化

(b)導熱性子：碳素材料熱傳導機理并不依靠于電子，而是寄托晶格振動導熱，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，通俗的碳素材料導熱系數(shù)極高，平行于晶粒方向的導熱系數(shù)可與黃銅媲美。

(c)電學性子：碳素材料電學性子重要與石墨晶體的電子舉動和不同的處理溫度有關(guān)，石墨的電子能帶結(jié)構(gòu)和載流子的種類及其擴散機理決定了上述性子。碳素材料這類電學性子具有本征半導體所具備的特性，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

與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，做成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維加強環(huán)氧樹脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在剛度、重量、委靡特征等有嚴酷要求的領域，在要求高溫、化學穩(wěn)固性高的場合，碳纖維復合材料都頗具上風。

由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復合材料，因為其比重小、剛性好和強度高而成為一種先輩的航空航天材料。

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

(1)宇航工業(yè)用作導彈防熱及結(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、太陽能翼片底板、衛(wèi)星-火箭結(jié)合部件;航天飛機機頭，機翼前緣和艙門等制件;哈勃太空望遠鏡的測量構(gòu)架，太陽能電池板和無線電天線。

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

(3)交通運輸用作汽車傳動軸、板簧、構(gòu)架和剎車片等制件;船舶和海洋工程用作制造漁船、魚雷快艇、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、雷達罩、深海油田的升降器和管道。

(4)活動器材用作網(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、賽艇、釣桿、滑雪板、雪車等。

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

(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光機的床板和膠卷盒。編織機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、儲能及防靜電等材料也已獲得廣泛應用。

三、碳纖維復合材料在電線電纜中的應用

碳纖維以其固有的特征賦予了其復合材料優(yōu)秀的性能，它具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐委靡、抗蠕變、導電、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)中的應用提供了可能和必然。

(一)碳纖維加熱電纜的開發(fā)和應用

人們早就知道，以金屬材料為發(fā)熱體的電加熱技術(shù)已在各個領域得到了廣泛的應用。但是金屬絲在高溫狀況下外觀易氧化，因為氧化層賡續(xù)的增厚，造成了有用通過電流的面積減小，增大了電流的負荷，因此易燒斷。在雷同的許可的電流負荷面積下，金屬絲的強度比碳纖維低6-10倍，在使用過程中易折斷。

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，因此在電熱應用中，體現(xiàn)出來的電熱轉(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荷強度和機械強度不發(fā)生改變。

目前碳纖維加熱電纜的應用如下：

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、機場跑道化雪：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，對屋面雨水和排水管進行防霜，還可以用于泥土加熱。

管道、罐體保溫防凍：電伴熱產(chǎn)品近幾年在中國得到了大力的推廣和廣泛的應用。其應用領域重要集中在石油、化工、電力、鐵路和民用或商業(yè)建筑等。隨著中國電力工業(yè)的發(fā)展，以清潔、無二次污染的電能為重要能源的電伴熱產(chǎn)品市場前景特別很是廣闊，同時，也為電伴熱產(chǎn)品的性能提出了更高的要求。

足球場草坪、公共綠地泥土保溫：太陽能熱水器電能增補加熱器，重要用于在長期陰雨天或寒冬季節(jié)，因光照不足而導致太陽能熱水器水溫不能知足生活、工程必要時，為增補熱能而設計的。它具有較強的耐炎暑、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)碳纖維復合芯導線的開發(fā)和應用

我國是個缺電的國家，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，輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴容的需求，因為過負荷造成的停電、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”，各國均在研究新型架空輸電路用導線，以庖代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，碳纖維復合芯導線由此應運而生。與鋼芯鋁絞線相比，碳纖維復合芯導線具有以下好處：

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200攝氏度。

4、線芯可以抗腐蝕，而且沒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%的導體。

7、高強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，有助于構(gòu)造安全、環(huán)保、高效節(jié)約型輸電網(wǎng)絡。目前世界上只有美國和日本開發(fā)出這種新型導線，他們還達成默契：不向第三國輸出，日本一家碳纖維導線企業(yè)的產(chǎn)量就占到世界40%左右。目前我國電線電纜研究所、電力建筑研究院以及國家電網(wǎng)有限公司都已經(jīng)開始了對accc導線的試驗研究工作。國內(nèi)電纜廠家也加大與外方合作，將這種新型電纜引進到中國生產(chǎn)，積極推動我國架空輸電線路的技術(shù)革命。最近福建電網(wǎng)已經(jīng)將該新型導線架設運行。

(三)在高低溫、腐蝕等苛刻環(huán)境應用的可能碳纖維細如蛛絲，三型碳纖維比強度是鋼的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，碳纖維復合芯可用于極地(如南極考察研究等)條件下輸電載體的設計和制造。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，但在沒有氧氣的情況下，碳纖維沒有轉(zhuǎn)變。

碳纖維即使從3000℃的高溫快速冷卻到室溫也不會炸裂，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)中高溫特高溫場合電纜的設計提供了可能。此外，碳纖維紗、碳纖維繩、碳纖維布都可用于消防電纜產(chǎn)品的設計選用。

碳纖維有超強的耐腐蝕性。金屬中耐腐蝕性最強的是黃金和鉑，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、鉑會被腐蝕的千瘡百孔，而“王水”中的碳纖維卻安然無恙。為各種化學環(huán)境下輕型耐化學腐蝕電纜的設計提供了新的思路。