碳纤维开发与运用中的质量管理

摘要:简要介绍了碳纤维的特征，其次叙述了碳纤维在航空航天，汽车，军事领域等等的运用，最后叙述了碳纤维材料广泛运用的原因，主要来自于它在生产运用开发中的质量管理。

关键词：碳纤维应用质量管理

碳纤维是一种兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征的化工新材料，是新一代的增强纤维。它的密度不到钢的1／4，但抗拉强度却是钢的7～9倍，抗拉弹性也高于钢；在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。它在国防和民用领域均有广泛的应用前景，因此在碳纤维制造的过程中质量管是相当严峻的问题。

一、碳纤维的特点

（一）材料质轻高强

抗拉强度3200～4000MPa，为同截面钢材的10倍以上，比重2.0~3.0g/cm3，单层厚度0.112～0.167mm，用粘结剂将它与结构物粘贴后形成一体，厚度仅为2mm左右，不用预加工，施工方便，不用加压和起重，并且在提高构件静荷载、动荷载、构件刚度、构件的抗蠕变和构件的耐久性上都有突出的的效果。基本上不增加构件截面，而结构物自重的增加几乎可以忽略，能可靠地保证与原钢筋混凝土构件共同工作，获得优异的补强效果；在建筑结构加固上得到了普遍的应用。

（二）施工便捷

占用场地少，不需大型机具，没有湿作业，无需动火，无需现场固定设施，施工工效高。

（三）高耐久性

不会生锈，非常适合高酸、碱、盐及大气腐蚀环境中使用，还具有抗疲劳强度高，耐磨损、抗老化等优点。

二、碳纤维在航空航天，汽车，军事领域中的运用

由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性，因此被广泛应用于航空航天，汽车，军事等领域。主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极，在生化防护、除臭氧等领域中也有出色的表现。通常用有机物的炭化来制取碳纤维，即聚合预氧化、炭化原料单体—原丝—预氧化丝—碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝，其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料，干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法(干法和湿法纺丝)。

（一）碳纤维在航空航天领域中的运用

碳纤维复合材料以其独特、卓越的理化性能，广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天业。例如采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机、卫星、火箭等宇宙飞行器，不但推力大，噪音小，而且由于其质量较轻，所以动力消耗少，可节约大量燃料。据报道，航天飞行器的质量每减少l千克，就可使运载火箭减轻500千克。轻质“外衣”不仅能有效克服质量与安全之间固有的矛盾，还能大幅降低飞机能耗。

航空航天领域是世界碳纤维的传统市场，航空器中碳纤维材料的使用量未来几年将以年均12％的速度继续增长，估计将从2008年的8200吨增加至2010年的1万吨以上，2012年可达1.3万吨。碳纤维复合材料约占空客A380飞机35吨结构材料中的20％以上，包括中央翼盒、机尾组件以及压舱壁。波音787中结构材料有近50％需要使用碳纤维材料和玻璃纤维增强塑料，包括主机翼和机身。金属结构材料采用碳纤维材料后不仅可以减轻机身质量，而且还可以保证不损失强度或刚度，大大提高了燃油经济性。新一代的客机将使用更高比例的碳纤维材料。同时，碳纤维在中小型喷气客机中的需求也将快速增长。例如，三菱重工计划利用碳纤维复合材料制作新一代支线喷气客机MRJ主机翼和尾部组件，该机型预计在2013年进入市场。机体结构材料化程度被认为是飞机先进性的重要标志。

（二）碳纤维在汽车领域中的运用

随着碳纤维行业的不断成熟与发展，以及节能减排和汽车轻量化大方向的指引，碳纤维材料或成汽车界“瘦身革命”的领导者。可以预见，碳纤维轻量车身必将掀起一股新的变革潮流，一个新的市场突破点正在形成。

08年三月，帝人集团发布了一款超轻电动概念车，采用专有的材料和技术，包括碳纤维材料等。称重为437公斤，不到传统电动车的一半，这种PU_PA电动车（形如“蛹状电动汽车）体现了帝人的视野，将看好5到10年的市场。为达到极致轻量化，而现在已有不少汽车厂家在汽车的制造和改装过程中开始尝试大量应用碳纤维材料。

（三）碳纤维在军事领域中的运用

新武器装备研制过程中的小型化、轻质化、高强度、长寿命、机动性、稳定性等都离不开碳纤维的应用，可以说碳纤维在国防军工中有举足轻重的影响。

美国国防部2000年和2001对碳纤维的需求量分别为180t和200t, 2002年增加到350t以上。2003年较2002年略有减少，约为330t左右，2004年和2005年又有10％和5％左右的增幅，相应达到370t和385t上下。国防部军工产品中，空军所占份额最大，根据2000-2005年统计，空军对碳纤维的需求占国防部对总碳纤维需求的54.8％；海军则占29.1％；陆军占13.6％；多兵种占2.5％。可见空军是碳纤维的主要用户，海军次之，陆军对碳纤维用得比较少。空军碳纤维主要用于制造军机，包括：B-1、B-2、C17、JASSM、UCAV、F16（US）、F16（FMS）、F22和F117等。海军消耗的碳纤维主要用于生产F/A-18E/F战斗机和V22直升机。F/A-18E/F战斗机耗用的碳纤维占海军对碳纤维的总需求量的60%-70％。

三、维材料广泛运用的原因：生产运用开发中良好的的质量管理

（一）质量管理的基本概念

质量管理是指在质量方面指挥和控制组织的协调的活动。质量管理，通常包括制定质量方针和质量目标以及质量策划、质量控制、质量保证和质量改进。QCC之父、日本质量管理大师石川馨认为，质量管理就是开发、生产、提供最经济、最有用、买方满意地购买的优质产品。

著名的质量管理专家戴明博士认为，质量管理就是为最经济的生产出具有使用价值与商品性的产品，并在生产的各个阶段应用统计学的原理与方法。全面质量管理的创始人菲根堡姆认为，质量管理就是为了在最经济的水平上生产出充分满足顾客质量要求的产品，而综合协调企业各部门活动，构成保证与改善质量的有效体系。而现代质量管理的领军人物朱兰博士将质量管理划分为三个普遍的过程，即质量策划、质量控制和质量改进，称为朱兰质量管理三部曲。

（二）碳纤维材料生产运用中质量管理的特征

在碳纤维产品制造过程中，产品等各方面的质量管理也是非常重要的。所以我们必须做好质量管理，因为质量管理体系是组织内部建立的、为实现质量目标所必需的、系统的质量管理模式，是组织的一项战略决策。它将资源与过程结合，以过程管理方法进行的系统管理，根据企业特点选用若干体系要素加以组合，一般包括与管理活动、资源提供、产品实现以及测量、分析与改进活动相关的过程组成，可以理解为涵盖了从确定顾客需求、设计研制、生产、检验、销售、交付之前全过程的策划、实施、监控、纠正与改进活动的要求，一般以文件化的方式，成为组织内部质量管理工作的要求。

针对质量管理体系的要求，质量管理体系国际标准化组织的质量管理和质量保证技术委员会制定了ISO9000族系列标准，以适用于不同类型、产品、规模与性质的组织，该类标准由若干相互关联或补充的单个标准组成，其中为大家所熟知的是ISO9001《质量管理体系要求》，它提出的要求是对产品要求的补充，经过数次的改版。在此标准基础上，不同的行业又制定了相应的技术规范，如ISO/TS 16949《汽车生产件及维修零件组织应用ISO9001:2008的特别要求》，ISO13485《医疗器械质量管理体系用于法规的要求》等。

（三）影响碳纤维质量管理的因素

影响碳纤维质量的因素主要有以下几点：

(1)生产人员的影响，生产人员的技术素质和责任心对安装工程施工质量至关重大。没有与产品技术难易程度相适应的生产水平、有责任心的生产人员去生产,就谈不上保证产品的质量。

(2)产品技术措施及机械、工具的安装质量要靠科学施工方法和工艺来保障,也要有能保证质量的机械、工具。

(3)产品所用材料本身的质量，经过运输、保管后的质量,也直接影响着产品生产的质量。除上述影响施工质量的因素外,还有一些自然的或其他人为的因素等等。

在产品的生产前期，我们必须针对可能影响生产质量的诸多因素,在生产过程中各个生产环节采取有效的管理措施,严格控制,以保证整个生产过程中的质量。针对人的因素, 在生产前,要根据产品的具体情况,合理配置相适应的生产人员,对班组进行优化劳动组合。针对产品环节的难易程度,要编制产品设计、生产方案,提出科学的方法和工艺。

（四）碳纤维材料生产运用中的质量管理管理原则

企业在碳纤维开发与运用中必须遵循八项质量管理原则，它们是最高领导者用于领导组织进行业绩改进的指导原则，是构成ISO9000族系列标准的基础，包括：（1）以顾客为关注焦点；

（2）领导作用；

（3）全员参与；

（4）过程方法；

（5）管理的系统方法；

（6）持续改进；

（7）基于事实的决策方法；

（8）与供方互利的关系。

四、阐述我对碳纤维质量管理的看法及写作意义

碳纤维材料在生产与应用中进行了严格的质量管理，总的来说，促进了碳纤维在工业制造业领域以及土木工程建筑及新能源的开发。同时，质量管理没有止尽，不断探索，不断改善，满足顾客期望，提升品牌忠诚度、美誉度，最终为顾客，股东和员工创造有利的价值。在某种意义上讲，在产品生产开发与运用中进行严格的质量管理，不仅仅是对产品本身有着很大的帮助，还可以更好的造福社会。

五、参考文献：

[1] 程治华;以人为本的质量管理模式探讨[D];中南大学;2001年

[2]上海质量管理科学研究院编著,唐晓芬主编.六西格玛质量之旅[M]. 中国标准出版社, 2002

[3]姚玉玲;张君;郭宇红;;我国企业质量管理模式研究[J];商场现代化;2006年06期

[4]张建;企业营销质量研究[D];吉林大学;2006年

[5]刘妍;李耘涛;;过程与过程方法在质量管理体系中的应用[J];科技管理研究;2007年07期

[6] 张敏;;美日企业质量管理模式比较研究及对我国企业的启示[A];第三届中国质量学术论坛论文集[C];2008年

[7] ISO 9000《质量管理体系结构基础和术语》，2000版

[8]王树森;碳纤维加固钢筋混凝土桥梁复合结构的力学行为分析[D];吉林大学;2005年

[9]张兴金;碳纤维复合材料增强梁结构的研究[D];沈阳航空工业学院;2010年

[10]谭军;碳纤维布加固预应力混凝土梁抗弯性能试验与分析[D];哈尔滨工业大学;2008年

[11] 张延东;高松森;;碳纤维布加固施工技术[A];河南省土木建筑学会2010年学术大会论文集[C];2010年