摘 要：本文就碳纖維復合材料的應用現狀及自身特點與優(yōu)勢闡述碳纖維復合材料在家具材料中的應用前景，以求簡明扼要地說明碳纖維復合材料對于現有家具結構的彌補與家具材料的升級。
關鍵詞：家具材料；碳纖維復合材料；家具結構彌補；家具材料應用
Abstract： This paper illustrates the application prospect of carbon fiber composite used in furniture materials based on the current application and its characteristics and advantages and explains the make-up for the existing furniture structure from the carbon fiber composite materials and the upgrade of furniture materials concisely.
Key words： Furniture Materials， Carbon Fiber Composite， Make-up of Furniture Structure， Application in Furniture Materials
1 前言
從公元前4000多年的古埃及王朝一直到19世紀歐洲第二次工業(yè)革命前，家具的歷史實際上就是木器的歷史。現代家具出現于19世紀末期，依托著兩次工業(yè)革命帶來的飛躍生產力，家具制造工業(yè)在一個多世紀的發(fā)展時間內極大地提高了生產效率與能力，并不斷催生出全新的生產工藝。但相較于生產方式的快速革新，家具材料的更新換代往往滯后。目前，對于我國而言，家具業(yè)用材依然嚴重依賴木材，其中以硬材為主體。硬材樹種主要生長在溫帶和熱帶。而我國除云南、海南島處于熱帶，生長有少數的熱帶硬木外，熱帶硬木在我國是十分稀缺的資源。加之我國的木材利用過程中浪費嚴重，利用率僅為50%左右，我國家具工業(yè)發(fā)展將面臨木材資源短缺的問題。因此，應用新材料替代傳統(tǒng)木材顯得尤為重要。目前市場上非木質家具材料大致可分為五類：金屬材料、無機非金屬材料、天然有機材料、合成有機材料、復合材料。隨著開發(fā)碳素材料新技術的不斷升級，碳纖維復合材料在未來家具中的應用前景十分廣闊。
2 碳纖維復合材料的應用現狀
碳纖維復合材料主要有碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRTS/CFRTP）、碳纖維增強碳基復合材料（C/C）、碳纖維增強金屬基復合材料（CFRM）、碳纖維增強陶瓷基復合材料（CFRC）、碳纖維增強塑料復合材料（CFRP）、碳纖維增強橡膠復合材料（CFRR）、碳纖維增強木材復合材料（CFRW）等。目前碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，制成結構材料。碳纖維增強的復合材料可用作飛機結構材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業(yè)機器汽車板簧和驅動軸等。由碳纖維和環(huán)氧樹脂結合而成的復合材料，由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料�，F在的F1（世界一級方程錦標賽）賽車，車身大部分結構都使用碳纖維復合材料。頂級跑車的一大賣點也是周身使用碳纖維，用以提高氣動性和結構強度。
3 碳纖維復合材料對于傳統(tǒng)木材缺點的彌補
盡管木材千百年來始終占據家具制造工業(yè)中不可替代的位置，但其本身固有的易變色、易開裂、易腐朽等問題始終困擾著人們，伴隨著現代社會的發(fā)展，傳統(tǒng)木質家具已無法滿足人們的消費需求。在家具中應用碳纖維復合材料，得益于其遠超其他現有家具材料的七大優(yōu)勢：
�。�1）高強度（鋼鐵的5倍）
�。�2）出色的耐熱性（耐受2000℃以上的高溫）
�。�3）出色的抗熱沖擊性
�。�4）低熱膨脹系數（變形量�。�
（5）熱容量小（節(jié)能）
�。�6）比重�。ㄤ摰�1/5）
�。�7）優(yōu)秀的抗腐蝕與輻射性能
下面從碳纖維復合材料的幾點特性優(yōu)勢解讀其對傳統(tǒng)木材缺陷的彌補：
烏金木被譽為“第九種紅木”，天然的木色色彩醒目且極具流動性，致命的缺陷在于含水率的變化使它容易變形和開裂，不能適應過冷或過熱、干燥或潮濕的環(huán)境。相同環(huán)境條件下，碳纖維復合材料的抗逆性更為出色。研究結果表明，結構類型和溫度的不同，濕度及濕熱同時作用的環(huán)境對碳纖維復合材料的力學性能有不同程度的影響。單向碳纖維復合材料正交各向異性，沿碳纖維增強方向的拉伸和壓縮性能明顯高于垂直纖維方向，正交疊層增強碳纖維復合材料正交各向異性，經向拉伸、壓縮性能稍高于緯向。溫度對碳纖維幾乎沒有影響。只有在異常應用環(huán)境下，碳纖維拉伸強度才會有劇烈變化。
胡桃木材色優(yōu)雅，制作的家具優(yōu)雅大方。但木材的干濕縮脹都會對胡桃木家具產生重大影響，不緊密的木材結構決定了它的抗壓和抗彎曲能力都不盡如人意。裸露部位容易被損壞或侵蝕。碳纖維復合材料結構則具有較高抗壓和抗彎曲強度。研究發(fā)現，采用直碳纖維和螺旋碳纖維增強PTFE復合材料，發(fā)現直纖維增強復合材料的硬度呈先增大后減小的趨勢，螺旋碳纖維增強復合材料的硬度則緩慢提高，兩種纖維均可使抗壓強度提高。而將碳纖維增強聚碳酸酯與玻璃纖維增強聚碳酸酯復合材料性能對比可發(fā)現碳纖維增強聚碳酸酯的力學性能有明顯的提高。隨著碳纖維含量的增加，拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量明顯呈上升趨勢。
榆木天然紋理優(yōu)美，密度大、材質硬。榆木有新老之分。老榆木家具的缺點是易生蟲，新榆木家具的缺點是收縮嚴重。碳纖維復合材料正具有極低的熱膨脹系數，在正常溫度變化范圍內幾何特性變化幾乎為零。碳纖維復合材料當然也不會提供蟲子寄生的環(huán)境。在設計和使用碳纖維復合材料時，耐腐蝕性能是一個重要指標。在不同的環(huán)境條件下，復合材料的耐腐蝕性能可以用不同的物理性征表述。家具作為家居用品，材料的耐腐蝕性評判標準大都基于在地球自然的氣候環(huán)境中耐自然老化的能力。研究發(fā)現，碳纖維復合材料的老化主要受紫外線、氧氣以及潮濕的影響，老化通常從復合材料的表面開始逐漸向內部延伸。在室內干燥環(huán)境中，紫外線和潮濕的影響就大大減弱了。表面涂漆膜又可有效阻止氧氣的侵入�？梢�，放置在室內干燥環(huán)境中的碳纖維復合材料家具的耐腐蝕性能可以得到最大的優(yōu)化。尤其是碳纖維增強塑料復合材料，即使在各種腐蝕性環(huán)境中，腐蝕磨損都非常小，可與有腐蝕性的氣體、液體接觸；耐海水浸漬；在水中煮沸前后的彎曲模量幾乎不變，吸油溶脹率幾乎為零。
關鍵詞：家具材料；碳纖維復合材料；家具結構彌補；家具材料應用
Abstract： This paper illustrates the application prospect of carbon fiber composite used in furniture materials based on the current application and its characteristics and advantages and explains the make-up for the existing furniture structure from the carbon fiber composite materials and the upgrade of furniture materials concisely.
Key words： Furniture Materials， Carbon Fiber Composite， Make-up of Furniture Structure， Application in Furniture Materials
1 前言
從公元前4000多年的古埃及王朝一直到19世紀歐洲第二次工業(yè)革命前，家具的歷史實際上就是木器的歷史。現代家具出現于19世紀末期，依托著兩次工業(yè)革命帶來的飛躍生產力，家具制造工業(yè)在一個多世紀的發(fā)展時間內極大地提高了生產效率與能力，并不斷催生出全新的生產工藝。但相較于生產方式的快速革新，家具材料的更新換代往往滯后。目前，對于我國而言，家具業(yè)用材依然嚴重依賴木材，其中以硬材為主體。硬材樹種主要生長在溫帶和熱帶。而我國除云南、海南島處于熱帶，生長有少數的熱帶硬木外，熱帶硬木在我國是十分稀缺的資源。加之我國的木材利用過程中浪費嚴重，利用率僅為50%左右，我國家具工業(yè)發(fā)展將面臨木材資源短缺的問題。因此，應用新材料替代傳統(tǒng)木材顯得尤為重要。目前市場上非木質家具材料大致可分為五類：金屬材料、無機非金屬材料、天然有機材料、合成有機材料、復合材料。隨著開發(fā)碳素材料新技術的不斷升級，碳纖維復合材料在未來家具中的應用前景十分廣闊。
2 碳纖維復合材料的應用現狀
碳纖維復合材料主要有碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRTS/CFRTP）、碳纖維增強碳基復合材料（C/C）、碳纖維增強金屬基復合材料（CFRM）、碳纖維增強陶瓷基復合材料（CFRC）、碳纖維增強塑料復合材料（CFRP）、碳纖維增強橡膠復合材料（CFRR）、碳纖維增強木材復合材料（CFRW）等。目前碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，制成結構材料。碳纖維增強的復合材料可用作飛機結構材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業(yè)機器汽車板簧和驅動軸等。由碳纖維和環(huán)氧樹脂結合而成的復合材料，由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料�，F在的F1（世界一級方程錦標賽）賽車，車身大部分結構都使用碳纖維復合材料。頂級跑車的一大賣點也是周身使用碳纖維，用以提高氣動性和結構強度。
3 碳纖維復合材料對于傳統(tǒng)木材缺點的彌補
盡管木材千百年來始終占據家具制造工業(yè)中不可替代的位置，但其本身固有的易變色、易開裂、易腐朽等問題始終困擾著人們，伴隨著現代社會的發(fā)展，傳統(tǒng)木質家具已無法滿足人們的消費需求。在家具中應用碳纖維復合材料，得益于其遠超其他現有家具材料的七大優(yōu)勢：
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�。�2）出色的耐熱性（耐受2000℃以上的高溫）
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下面從碳纖維復合材料的幾點特性優(yōu)勢解讀其對傳統(tǒng)木材缺陷的彌補：
烏金木被譽為“第九種紅木”，天然的木色色彩醒目且極具流動性，致命的缺陷在于含水率的變化使它容易變形和開裂，不能適應過冷或過熱、干燥或潮濕的環(huán)境。相同環(huán)境條件下，碳纖維復合材料的抗逆性更為出色。研究結果表明，結構類型和溫度的不同，濕度及濕熱同時作用的環(huán)境對碳纖維復合材料的力學性能有不同程度的影響。單向碳纖維復合材料正交各向異性，沿碳纖維增強方向的拉伸和壓縮性能明顯高于垂直纖維方向，正交疊層增強碳纖維復合材料正交各向異性，經向拉伸、壓縮性能稍高于緯向。溫度對碳纖維幾乎沒有影響。只有在異常應用環(huán)境下，碳纖維拉伸強度才會有劇烈變化。
胡桃木材色優(yōu)雅，制作的家具優(yōu)雅大方。但木材的干濕縮脹都會對胡桃木家具產生重大影響，不緊密的木材結構決定了它的抗壓和抗彎曲能力都不盡如人意。裸露部位容易被損壞或侵蝕。碳纖維復合材料結構則具有較高抗壓和抗彎曲強度。研究發(fā)現，采用直碳纖維和螺旋碳纖維增強PTFE復合材料，發(fā)現直纖維增強復合材料的硬度呈先增大后減小的趨勢，螺旋碳纖維增強復合材料的硬度則緩慢提高，兩種纖維均可使抗壓強度提高。而將碳纖維增強聚碳酸酯與玻璃纖維增強聚碳酸酯復合材料性能對比可發(fā)現碳纖維增強聚碳酸酯的力學性能有明顯的提高。隨著碳纖維含量的增加，拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量明顯呈上升趨勢。
榆木天然紋理優(yōu)美，密度大、材質硬。榆木有新老之分。老榆木家具的缺點是易生蟲，新榆木家具的缺點是收縮嚴重。碳纖維復合材料正具有極低的熱膨脹系數，在正常溫度變化范圍內幾何特性變化幾乎為零。碳纖維復合材料當然也不會提供蟲子寄生的環(huán)境。在設計和使用碳纖維復合材料時，耐腐蝕性能是一個重要指標。在不同的環(huán)境條件下，復合材料的耐腐蝕性能可以用不同的物理性征表述。家具作為家居用品，材料的耐腐蝕性評判標準大都基于在地球自然的氣候環(huán)境中耐自然老化的能力。研究發(fā)現，碳纖維復合材料的老化主要受紫外線、氧氣以及潮濕的影響，老化通常從復合材料的表面開始逐漸向內部延伸。在室內干燥環(huán)境中，紫外線和潮濕的影響就大大減弱了。表面涂漆膜又可有效阻止氧氣的侵入�？梢�，放置在室內干燥環(huán)境中的碳纖維復合材料家具的耐腐蝕性能可以得到最大的優(yōu)化。尤其是碳纖維增強塑料復合材料，即使在各種腐蝕性環(huán)境中，腐蝕磨損都非常小，可與有腐蝕性的氣體、液體接觸；耐海水浸漬；在水中煮沸前后的彎曲模量幾乎不變，吸油溶脹率幾乎為零。
