碳纤维的含碳量高于90%，具有较强的抗腐蚀、耐热以及耐磨损能力，并且还具有质量轻以及强度高的优势。近年来对碳纤维的应用愈发广泛，已经成为了复合材料中的主要增强材料，并且碳纤维增强复合材料已经在多个领域中得到了广泛的应用。为进一步提升碳纤维增强复合材料的应用效果，拓展其应用范围，应加强对碳纤维增强复合材料性能方面的研究，进而为碳纤维增强复合材料的高效应用奠定基础。
1 碳纤维增强、复合材料的性能特点
1.1 高温惰性环境中强度不降
碳纤维是唯一能够保证在2000摄氏度以上高温惰性环境中强度不会下降的物质。以碳纤维增强型环氧树脂复合材料为例，相比于其他的复合材料，其优势非常显著。如碳纤维的环氧树脂材料和钢铝合金比较，在比强度方面前者是后者的3倍左右，在比模量方面前者是后者的5倍左右。此外，碳纤维在高温条件下不会出现熔融现象，在不同溶液中也没有发生溶解的情况，同时在高温惰性环境中不会出现强度下降的情况。因此碳纤维增强复合材料可以在那些化学稳定性高、高温等环境下应用，同时也适用于那些对疲劳特性以及刚度等方面要求高的领域，这是其他材料无法替代的。
1.2 密度低
碳纤维的密度通常为每立方厘米1.7克左右，碳纤维虽然不是密度最低的材料，但是在耐高温材料中其密度最低，相应的质量也最轻。但是密度低并不意味着材料的强度等方面性能会受到不利影响，而是在低密度的情况下各方面性能依然优异。材料的强度会受纤维取向的影响，受力的情况下，碳纤维的应力－应变曲线具有“假塑性效应”的特点，施加荷载支出，会呈线性关系，然后呈双线性关系，并且在卸载后再加载，不仅曲线依然呈线性关系，而且还能够保持原有载荷水平。除此之外，碳纤维还具有抗热冲击能力强，热能储量大以及热膨胀系数小等方面的特点。碳纤维还具有较强的耐热烧蚀性能，因此碳纤维增强复合材料在遇火的情况下，可以通过表层材料的烧蚀来消耗热量，避免热量进入材料内部，可以对材料内部起到有效的保护作用。
1.3 化学性质稳定
化学性质稳定是碳素材料的主要特征，这点在很早之前便已经得到了公认。在常温常压的情况下，碳素材料几乎为化学惰性，只有强氧化酸等材料才会对其造成影响。碳纤维是碳素材料的一种，属于纤维状的碳素材料，因此同样具有较强的化学稳定性。通常情况下，在温度不高于250摄氏度的情况下碳纤维不会产生化学变化。即使在温度高于250摄氏度的情况下，碳素材料通常也不会生成碳化物，也不会出现显著的氧化现象。除此之外，碳素材料还具有气孔结构，并且碳素材料的气孔率可达25%左右，受此影响，在高温环境下会出现吸附气体脱气的现象。
1.4 电、热性能优良
铝合金与碳纤维的电动势分别为负值与正值，因此在二者组合应用的情况下会发生服饰。碳纤维具有化学性质稳定的特点，对一般碱性是惰性的，只有应用强氧化剂才能将其氧化。在空气中的碳纤维，只有在温度高于400摄氏度的情况下才会出现比较明显的氧化，并且在氧化的同时会生成二氧化碳以及一氧化碳。如果碳纤维不与氧化剂以及空气，那么碳纤维的耐热性能十分显著，温度低于1500摄氏度的情况下，碳纤维的强度不会受到影响，只有在高于这一温度的情况下其强度才会出现下降的趋势。
碳纤维除了拥有较强的耐热能力之外，其耐低温性能也同样显著，另外碳纤维还具有抗放射、耐油以及抗辐射等方面的优势，并且对有毒气体还能起到吸收作用。碳素材料比热相对恒定，不会受石墨化度的影响。普通材料需要借助电子来导热，而碳素材料则不同，碳素材料通过晶格振动进行导热，这使得碳素材料的导热系数更高，基本可以达到黄铜的水平。
1.5 具有各向异性
各向异性是碳纤维的重要特征，同时也是碳纤维区别于其他碳素材料的主要特征。碳纤维具有耐高温、耐腐蚀以及导电等碳素材料特征，同时碳纤维也具有各向异性的特征，各向异性特征主要体现在碳纤维的外形上，沿纤维轴方向表现出较高的强度。以碳纤维增强环氧树脂复合材料为例，相较于其他结构材料，这种材料在比模量以及比强度等方面更具优势。除此之外，纤度佳也是碳纤维的重要优势，碳纤维的纤度通常为19克，并且碳纤维的拉力可以达到每平方毫米300千克。由此可见，碳纤维的优势体现在多个方面，这也使得碳纤维增强复合材料的应用范围更广，尤其是在那些对疲劳特性、刚度以及重度等方面要求较高的领域中，碳纤维增强复合材料的优势更为显著，是其他材料不可替代的。
2 碳纤维增强复合材料的应用
因碳纤维具有多方面的优异性能，因此碳纤维增强复合材料的应用范围也比较广泛。如借助碳材料良好的热物理性能，可以将其作为固体火箭喷管材料，或者在核反应堆中应用等。而碳纤维增强复合材料的应用范围也十分广泛，如可以应用碳纤维增强复合材料制作韧带等身体代用材料，也可以应用碳纤维增强复合材料制作汽车驱动轴以及飞机结构材料等。
碳纤维增强复合材料在汽车制造领域也有着广泛的应用，现代汽车正朝着轻量化的方向发展，而汽车轻量化则要减少对传统钢材料的应用，借助塑料材料替代传统钢材料，以降低汽车的重量，起到降低能耗节约资源的作用。应用于汽车制造的塑料材料的质量性能要求高，近年来随着塑料复合材料技术的快速发展，使得塑料复合材料的质量与性能得到了大幅度的提升，无论是在材料的重量方面，还是在材料的承压能力等方面均可以更好地满足汽车制造要求。碳纤维增强复合材料具有综合性能优异的特征，强度高以及质量轻等方面优势十分适合在汽车制造业中应用，能够推动汽车轻量化的发展。
碳纤维在军工领域也有着广泛的应用，在导弹、火箭、舰船以及战斗机等武器装备制作过程中，对碳纤维复合材料的应用越来越广泛。不仅能够更好地保证武器装备的质量与性能，而且还有助于降低相关武器装备的制作成本，因此碳纤维的应用优势非常显著。以战略导弹为例，碳纤维增强复合材料可以用于导弹发动机壳以及弹体的制作。碳纤维增强复合材料强度高，耐高温，这些均符合导弹制作需求，同时碳纤维增强复合材料的质量更轻，因此应用这种材料可以减轻导弹自身的重量，这对于强化导弹的射程等具有十分重要的意义。除此之外，碳纤维增强复合材料在战斗机中也有着广泛的应用，以美国的F22战斗机为例，其制作材料中碳纤维增强复合材料占比达到了24%左右。借助碳纤维增强复合材料强度高等方面的优势，有助于强化战斗机的性能，同时由于材料的质量更轻，因此也能够起到增强战斗机续航能力的作用，并且还有助于提升战斗机的飞行速度，使其机动性更强。高音素巡洋舰是美国新型的客机，在制作过程中，碳纤维增强复合材料占比达到了60%左右。随着碳纤维增强复合材料占比越来越高，客机自身的重量也会逐渐变轻，客机运行中的能耗也会随之降低，因此可以降低客机运行成本。由此可见，碳纤维增强复合材料的应用范围正在不断拓展，其优势也愈发显著。
我国在碳纤维增强复合材料的研发和应用上也取得了显著成就，如应用碳纤维增强复合材料制作的刹车预制件，这种刹车预制件的性能更加完善，应用效果十分显著，目前已经在我国军用飞机中得到了广泛的应用，并且正在尝试讲这种刹车预制件应用到赛车、坦克以及高速列车等领域。随着不断的推广应用，碳纤维增强复合材料的刹车预制件将会得到更广泛的应用。碳纤维具有较强的耐腐蚀性，并且自身重量轻，因此在舰艇上也十分适用，既能使舰艇更好的抵御海水的腐蚀，也能减轻舰艇自身重量，进而提升舰艇的有效载荷，使其能够装备更多的作战物资，强化舰艇的战斗力。
除了汽车之外，高速列车以及大型民用飞机等也在朝着轻量化的方向发展，轻量化可以降低动力消耗，起到节约能源的作用。而碳纤维则是推动相关领域轻量化发展的理想材料。一波音787为例，碳纤维是波音787的重要结构材料，包括横尾翼以及机身等均应用碳纤维材料，这使得波音787自身的重量更轻，不仅能够以更高的速度飞行，而且还可以降低能耗。另外，应用碳纤维材料还能起到降噪、增湿的作用，因此可以为乘客创造更加舒适的环境，进而带给乘客更佳的出行体验。再以新型客机A380为例，这种客机也大量应用了碳纤维材料，受此影响，是的客机的重量更低，相较于传统客机，新型客机A380的重量降低了20%左右。而随着客机重量的减低，其油耗也会随之降低，相较于传统客机，新型客机A380可以节省20%左右的燃油。节省更多的燃油不仅意味着运行成本更低，而且也减少了客机运行过程中二氧化碳的排放，对于改善环境以及实现“双碳”目标均具有十分重要的意义。
近年来，在飞机制造过程中对碳纤维增强复合材料的应用越来越广泛，主要应用碳纤维增强复合材料替代金属材料。以空中客车公司为例，在其生产的A310-300机型中，碳纤维增强复合材料的占比为5%左右，在其生产的A380机型中碳纤维增强复合材料的占比则提升到25%左右，而在A350XWB飞机中，这一比例达到了53%左右，而且未来碳纤维增强复合材料的占比将会越来越高。随着碳纤维增强复合材料占比越来越高，飞机中的金属材料占比则会随之降低。
3 碳纤维增强复合材料的发展趋势
随着我国首辆碳纤维新能源汽车在盐城正式下线，代表着新能源汽车进入新的发展时代。碳纤维新能源汽车除了具有传统新能源汽车的优势之外，还具有车体强度更高以及车身重量更轻的特点。相较于同类汽车，碳纤维新能源汽车的车重降低了50%左右。车重的降低意味着碳纤维新能源汽车的能耗更低，有助于提升汽车的续航里程。与此同时，车重降低还可以为电池腾出重量空间，同样有助于提升其续航里程。
未来对非连续碳纤维增强复合材料的应用将会更加广泛，这种材料不仅力学性能更佳，而且碳纤维用量更少，因此材料成本更低，因此这种材料有望成为汽车制造等行业的主要材料。以往碳纤维增强复合材料成本较高，这是制约其应用范围的主要因素，高成本使其应用范围通常仅限于航空、高端汽车制造等价格不敏感领域。而非连续碳纤维增强复合材料的成本更低，因此可以在主流汽车制造等领域中推广应用。
近年来我国航天科技以及航弹事业快速发展，这使得航天领域对碳纤维增强复合材料的需求更加旺盛。另外碳纤维增强复合材料在比模量等方面要优于钢材，因此未来碳纤维增强复合材料在工程领域也将得到广泛应用。如以碳纤维增强复合材料为主的土工格室，可以应用到公路工程、建筑工程等，可以为软弱地基处理以及边坡防护等提供有力支持。目前在工程领域对土工格室的应用尚处于起步阶段，但随着技术的不断完善，土工格室的优势将更加显著，在工程领域的应用也会越来越广泛。
4 结束语
碳纤维增强复合材料有着多方面的优越性能，这使其在电子、航天、轻纺、汽车等领域均得到了广泛的应用。研究碳纤维增强复合材料性能，可以加深对材料的了解，为材料的合理应用奠定基础。应明确碳纤维增强复合材料的性能，并结合其性能优势加强推广应用，使其更好地为社会发展以及人们生活品质改善服务。
