碳纤维的发展及其应用_王雪娟
T1000 级碳纤维及其复合材料研究与应用进展
摘要本文介绍了T1000 级碳纤维的发展历程,综述了T1000 级碳纤维及其复合材料的研究及应用情况,指出了国产T1000 级碳纤维应用研究需要关注的问题。
1引言碳纤维是一种碳元素组成占总质量90%以上,具有高强度、高模量、耐高温等优点的纤维材料。
最早可追溯至18 世纪的爱迪生和斯旺,1959年日本首先发明了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,而当下碳纤维的核心技术和产能被日本、美国以及一些欧洲发达国家和地区掌控。
T1000 级碳纤维作为碳纤维中的高端产品,在航空航天领域有着极大的用途。
高性能碳纤维的研究可以改善固体火箭发动机消极质量、提升载药量、提高质量比,对于先进武器的发展研究以及航天探索有重大意义。
目前国外已经大量使用T1000 级碳纤维的缠绕容器和固体火箭发动机壳体,因此开展国产T1000级碳纤维及其复合材料的应用研究迫在眉睫。
碳纤维的制备包括物理、化学、材料科学等多个领域的内容,总体分为纺丝原液的聚合、聚丙烯腈原丝的纺制、预氧化和碳化三个步骤,有众多因素需要调控。
根据缺陷理论和最弱连接理论,制备过程中产生的缺陷是影响碳纤维性能的主要因素,为保证碳纤维的性能,需要对每个工艺流程中工艺参数精准调控,由于加工过程中的各参数之间相互作用十分复杂,且目前一些工艺流程中的实际形成和演变机理不明,也使得高性能碳纤维,尤其是T1000 级碳纤维的研制有很大困难。
T1000 级碳纤维的研究主要包括碳纤维本身性能的研究、碳纤维复合材料的改性研究、碳纤维复合材料使用性能的研究几个方面。
由于T1000 级碳纤维本身的高性能、价格昂贵等原因,且国产T1000 级碳纤维还没有正式投入应用的报道,在实际应用方面主要介绍国外T1000 级碳纤维在航空航天以及其他领域的应用情况。
2T1000 级碳纤维性能研究现状1962 年正式开展PAN 基碳纤维的研制,1986 年研制出T1000G 碳纤维。
2014 年 3 月,通过碳化精细控制技术在纳米层级内控制纤维结构,成功研发出T1100G 碳纤维,2017 年 6 月强度由6600MPa 更新至7000MPa,目前东丽已完成了T1200 碳纤维的量产。
碳纤维的应用及研究进展
碳纤维的应用及研究进展碳纤维是一种高强度、低密度的先进材料,具有优异的力学性能和独特的导电、导热性能。
由于其独特的性能,在广泛的领域内得到了广泛的应用,并在研究中取得了一系列的突破。
以下将从3个方面介绍碳纤维的应用及研究进展。
首先,碳纤维在航空航天领域中得到了广泛的应用。
碳纤维具有高强度和低密度的特性,可以在航空航天器中替代传统的金属材料,减轻重量,提高载荷能力,增加航空器的飞行性能。
例如,碳纤维复合材料被广泛用于制造飞机结构中的翼面、机身和尾翼等部件,大幅度减轻了飞机的重量,提高了燃油效率。
同时,碳纤维还具有优异的导热性能,可以用于制造航天器的热保护系统,确保航天器在高温环境下的正常运行。
其次,碳纤维在汽车工业中也得到了广泛应用。
汽车行业对材料的要求是轻量化和高强度,而碳纤维正是满足这些要求的理想选择。
通过使用碳纤维复合材料替代传统金属材料,汽车的整体重量可以大大降低,提高了燃油效率和续航里程。
同时,碳纤维的高强度和优异的吸能性能,可以提高汽车的安全性能,减少事故时的人身伤害。
因此,越来越多的汽车制造商开始采用碳纤维材料制造车身、底盘、车架等关键部件,以提高汽车的性能和竞争力。
此外,碳纤维还在体育器材领域得到了广泛应用。
由于其高强度和低密度的特性,碳纤维制造的体育器材具有出色的性能。
例如,在高尔夫运动中,碳纤维杆具有高度的弹性和稳定性,可以提高球杆的击球距离和击球精度。
在自行车运动中,碳纤维车架具有出色的刚性和轻量化特性,可以提高自行车的操控性能和速度。
此外,碳纤维还广泛应用于网球拍、羽毛球拍等其他体育器材中,提高了运动员的竞技水平。
在碳纤维的研究方面,科学家们不断探索新的制备方法和改进研究技术,以进一步提高碳纤维的性能和降低成本。
目前,碳纤维的主要制备方法包括聚丙烯腈纤维的预氧化、炭化和石墨化等步骤。
科学家们在研究中发现,通过改变纤维的微观结构和表面形貌,可以调控碳纤维的力学性能和导电性能。
碳纤维的制备及应用
碳纤维的制备及应用碳纤维是由含碳纤维原料经过高温处理和碳化反应得到的一种纤维材料。
它具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀等优良性能,被广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域。
碳纤维的制备通常包括纤维原料的选择、预处理、纺丝、高温炭化和后续处理等步骤。
首先,纤维原料在选择时要求具有较高的含碳量和较低的杂质含量。
常用的纤维原料包括聚丙烯腈纤维、煤焦、天然纺丝体等。
其次,纤维原料需要进行预处理,包括去除杂质、增加含碳量等。
预处理方法包括溶剂处理、氧化预处理等。
然后,通过纺丝工艺将纤维原料制成连续的纤维束。
纺丝方法主要有湿法纺丝、干法纺丝和气流纺丝等。
接下来,将纤维束放入高温炉中进行炭化处理,使其经历高温石墨化反应,得到纯净的碳纤维。
最后,对碳纤维进行表面处理、尺寸修整和性能检测等后续处理。
碳纤维具有多种优异的性能,赋予了它广泛的应用前景。
首先,碳纤维具有极高的强度和模量,是传统钢铁的几倍甚至十几倍。
这使得碳纤维可以在工程领域中替代传统金属材料,减轻重量,提高强度和刚度,提高产品性能。
例如,在航空航天领域,碳纤维可以制造轻巧而坚固的飞机部件,提高飞机的燃油效率和飞行性能。
其次,碳纤维具有良好的耐高温性能,可以在高温环境下工作。
这使得碳纤维在航空航天、核能等领域具有广泛应用。
另外,碳纤维还具有优良的耐腐蚀性能,不易受酸碱等化学物质的侵蚀。
这使得碳纤维可以应用于化工设备、污水处理等领域。
此外,碳纤维还具有良好的导热性能和电导性能,被广泛应用于制造耐高温电阻器、电极材料等。
总之,碳纤维是一种具有广泛应用前景的纤维材料。
随着科技的进步和工艺的改进,碳纤维的生产成本逐渐降低,应用范围也越来越广泛。
未来,碳纤维有望在更多领域中取代传统材料,实现更多的应用创新。
碳纤维的研究与发展方向
碳纤维和其它高性能纤维的性能对照
碳纤维的应用领域
1.航天航空 优点:高比强度、高比刚度(比模量)、耐 高温、可设计性强 2.文体和医疗用品 3.一般工业 如:电子工业:质轻高强、极好的导电性、非 磁性
另外碳纤维的用途及应用形态与种类
种类 丝束 用途
高温隔热材料
有关产业
电子、汽车、飞机、原子 能
秦岩,周镇。碳纤维技术进展及应用前景。武汉理工大学; 国外建材科技,2003。 钱伯章。碳纤维应用艺流程如下: PAN原丝→预氧化→碳化→石墨化→表面处 理→卷取→碳纤维。
研究历史
1950年,美国Wright-Patterson空军基地开始研制粘胶基碳纤维。 年 美国 空军基地开始研制粘胶基碳纤维。 空军基地开始研制粘胶基碳纤维 1959年,最早上市的粘胶基碳纤维 就是美国联合碳化物公司(UCC) 年 最早上市的粘胶基碳纤维Thornel-25就是美国联合碳化物公司 就是美国联合碳化物公司 的产品。 的产品。 日本研究人员也在1959年发明了用聚丙烯腈 年发明了用聚丙烯腈(PAN)基原丝制造碳纤维的新方法。 基原丝制造碳纤维的新方法。 日本研究人员也在 年发明了用聚丙烯腈 基原丝制造碳纤维的新方法 20世纪 年代中期,UCC在美国空军和海军的资金支持下,研发高性能中间相 世纪70年代中期 在美国空军和海军的资金支持下, 世纪 年代中期, 在美国空军和海军的资金支持下 沥青基碳纤维; 沥青基碳纤维; 1975年研发成功 年研发成功Thornel P-55(P-55) 年研发成功 ) 20世纪 年代早期,碳纤维开始被广泛地用在客机和航空飞行器上作为结构材 世纪80年代早期 世纪 年代早期, 料。 80年代中期,欧洲空客公司开始将CFRP(碳纤维增强塑料 作为首要的结构材料 年代中期,欧洲空客公司开始将 碳纤维增强塑料)作为首要的结构材料 年代中期 碳纤维增强塑料 应用在它们的飞机上
碳纤维的发展及应用
碳纤维的发展及应用碳纤维是一种轻质,高强度,耐热,耐腐蚀的材料,具有广泛的应用前景。
它是由纯碳纤维束或纤维织物制成的。
碳纤维的发展与应用自20世纪70年代以来,取得了长足的进步。
本文将从碳纤维的发展历程、主要制备工艺、应用领域以及未来发展方向等方面进行探讨。
碳纤维的发展可以追溯到20世纪60年代末的两个独立研究团队,分别是美国的杜邦公司和日本的托勒贝克公司。
他们首先成功制备出了高强度的碳纤维,并在汽车、航空航天、体育用品等领域进行了应用。
之后,随着碳纤维制备技术的不断改进和突破,碳纤维的性能得到了显著提高。
目前,碳纤维已成为继钢铁、铝合金之后的第三代结构材料。
碳纤维的制备主要有湿法和干法两种工艺。
其中,湿法工艺利用聚丙烯腈(PAN)纤维作为原料,在高温氧化和热解的条件下,形成碳纤维。
干法工艺则是采用石墨纤维为原料,通过高温热解或化学气相沉积方法得到碳纤维。
两种工艺各有优劣,湿法工艺制备的碳纤维具有较高的强度和模量,而干法工艺制备的碳纤维则具有较高的热导率和耐高温性能。
碳纤维在航空航天领域有着广泛的应用,如制造飞机机身、舵面、梁等部件,能够减轻重量并提高飞机的燃油效率。
此外,碳纤维还常用于制造卫星的支撑结构和太阳能电池板等部件,以及航天器的防热层材料。
在汽车领域,碳纤维可以用于制造车身和内饰部件,可以有效减轻车辆重量,提高燃油经济性和动力性能。
碳纤维还广泛应用于体育用品制造,如高尔夫球杆、自行车框架、滑雪板等。
除了上述应用领域,碳纤维还具有广阔的发展前景。
随着全球环保意识的增强,碳纤维被认为是一种绿色材料,并且在可再生能源、新能源汽车等领域有着重要的应用潜力。
此外,碳纤维在建筑领域也有一定的应用空间,可以制造轻型建筑结构和防震设备,提高建筑物的抗震性能。
在医疗器械领域,碳纤维也常用于制造人工关节、各类手术器械等。
此外,碳纤维在船舶、铁路等交通运输领域,以及电子、电信、能源等行业也有着广泛的应用。
然而,碳纤维的制造成本较高,限制了其在一些领域的推广应用。
碳纤维前景及应用论文
碳纤维前景及应用论文碳纤维是一种高性能纤维材料,具有轻质、高强度、高模量、耐腐蚀和耐疲劳等优良特性,被广泛应用于航空航天、汽车、体育器材、建筑工程等领域。
随着全球工业化进程的不断推进,碳纤维的需求量也在逐步增加,其未来发展前景十分广阔。
碳纤维的应用领域十分广泛。
在航空航天领域,碳纤维被用于制造飞机的机身、机翼、舵面等部件,能够大幅减轻飞机的整体重量,提高机动性和燃油效率。
在汽车领域,碳纤维被广泛应用于高性能跑车、电动车等车辆的车身、悬挂系统、内饰等组件,能够提高车辆的性能和安全性。
在体育器材领域,碳纤维被用于制造高尔夫球杆、网球拍、自行车等器材,提高了产品的性能和使用寿命。
同时,在建筑工程领域,碳纤维也被广泛应用于桥梁、建筑结构、地基处理等方面,能够提高建筑物的抗震性和耐久性。
碳纤维的未来发展前景也备受瞩目。
首先,随着科技的不断进步,碳纤维的生产工艺和技术不断提升,能够生产出更加优质的碳纤维材料,提高了其性能和稳定性。
其次,随着人们对于节能减排和资源循环利用的重视,碳纤维作为一种轻质高强度材料,能够有效减轻产品的整体重量,降低能源消耗和环境污染。
同时,碳纤维材料还可以实现回收利用,提高了资源的可持续利用性。
此外,碳纤维的市场需求量也在不断增加,随着新兴产业的不断涌现,碳纤维的应用领域也将不断扩大。
然而,碳纤维在应用过程中还面临一些挑战和问题。
首先,碳纤维的生产成本较高,限制了其在一些领域的大规模应用。
其次,碳纤维的回收利用技术还不够成熟,难以实现资源的循环利用。
同时,碳纤维的制造过程对环境造成了一定的污染,需要更加环保的生产工艺。
另外,碳纤维的安全性以及其与其他材料的复合性也需要更多的研究和改进。
综上所述,碳纤维作为一种高性能的纤维材料,具有广泛的应用前景和发展空间。
随着工业化进程的不断推进和科技的不断发展,碳纤维的生产工艺和技术将不断完善,其应用领域将不断扩大。
同时,我们也需要进一步加大对碳纤维材料的研究力度,解决其在生产、应用过程中存在的问题,推动碳纤维材料行业的可持续发展。
碳纤维的应用领域及前景
碳纤维的应用领域及前景碳纤维是一种由碳元素组成的纤维材料,具有轻质高强的特性,因此在各种领域都有广泛的应用。
以下是关于碳纤维的应用领域及前景的详细介绍。
1. 航空航天领域:碳纤维具有轻质高强、刚度大、抗疲劳性能好等特点,因此在航空航天领域有广泛应用。
其中最典型的例子就是碳纤维增强塑料(CFRP)在飞机机身、机翼等部位的使用。
由于碳纤维的重量约为钢的四分之一,使用碳纤维可以减轻飞机的自重,提高燃油效率。
此外,碳纤维还可以用于制造飞机的起落架、飞行控制系统等部件,提高整个飞机的性能和安全性。
2. 汽车工业:随着环保意识的提高和汽车工业的发展,碳纤维在汽车制造领域也有着广阔的应用前景。
由于碳纤维具有重量轻、强度高等特点,可以降低汽车的整体重量,提高燃油效率。
目前,许多高档豪华汽车和电动汽车已经开始采用碳纤维材料制作车身和零部件,如保险杠、车身框架等,以提高车辆性能和安全性。
预计随着碳纤维材料的成本降低和工艺的改进,碳纤维在汽车工业中的应用会越来越广泛。
3. 船舶工业:由于碳纤维具有轻质高强、耐腐蚀等特点,在船舶工业中也有着重要的应用。
尤其是在制造高速船舶和航行性能要求高的船舶时,碳纤维的应用可以大大减轻船体重量,提高航行速度和燃油效率。
此外,碳纤维还可以用于船体结构的加强,提高整体的强度和刚度。
预计随着碳纤维材料成本的降低和制造工艺的改进,碳纤维在船舶工业中的应用前景将会十分广阔。
4. 体育器材:碳纤维在体育器材中也有着广泛的应用。
例如,碳纤维可以用于制造高尔夫球杆、网球拍、自行车等器材,因为它具有轻质高强的特点,能够提高运动器材的性能和使用寿命。
同时,碳纤维还可以用于制造赛艇、滑雪板等水上、雪上运动器材,因为其耐腐蚀的特性可以在恶劣环境中使用。
预计随着碳纤维材料成本的降低和制造工艺的改进,碳纤维在体育器材领域的应用会越来越广泛。
5. 建筑工程:碳纤维在建筑工程中也有着重要的应用。
例如,碳纤维可以用于制造建筑物的梁、柱等结构部件,因为其轻质高强的特点可以减轻建筑物的重量,提高结构的安全性和抗震性能。
碳纤维材料的应用领域
碳纤维材料的应用领域1.引言1.1 概述概述碳纤维材料是一种具有高强度、低密度、耐腐蚀和优异导电性能的先进材料。
它由碳纤维纤维束制成,通过热塑性树脂或热固性树脂来增强其力学性能。
这种材料不仅具备金属材料的强度和韧性,还具备纤维材料的轻量化和耐腐蚀性能。
在近年来,碳纤维材料在各个领域的应用逐渐得到广泛关注和应用。
本文将重点介绍碳纤维材料在航空航天领域、汽车制造领域、体育器材领域、建筑领域、医疗器械领域以及能源领域的应用。
通过对这些领域的案例研究,我们可以深入了解碳纤维材料在不同领域中所发挥的作用和优势。
本文旨在总结和回顾碳纤维材料在各个领域的应用情况,同时展望碳纤维材料未来的发展方向。
通过对碳纤维材料的应用领域进行探讨,可以更好地认识和理解碳纤维材料在现代科技领域中的重要性和潜力。
希望本文对读者们对碳纤维材料的应用产生积极的影响,促进碳纤维材料的进一步研究和开发。
1.2 文章结构文章结构:本文主要探讨了碳纤维材料在多个领域的应用。
具体来说,文章分为以下几个部分:第一部分是引言部分,其中包括概述、文章结构以及目的。
概述部分介绍了碳纤维材料的重要性和广泛应用的背景。
文章结构部分说明了本文的组织结构。
目的部分概括了本文的写作目标,即详细阐述碳纤维材料在各个领域的应用。
第二部分是正文部分,分为数个小节。
首先在2.1节中,我们将定义碳纤维材料并介绍其特性。
然后在2.2节中,探讨碳纤维材料在航空航天领域的应用,包括飞机结构材料和卫星构件等方面。
其次,在2.3节中,我们将聚焦于碳纤维材料在汽车制造领域的广泛应用,包括车身材料、零部件和电池等方面。
接着,在2.4节中,我们将介绍碳纤维材料在体育器材领域的应用,例如高性能运动装备和体育器材的制造。
在2.5节中,我们将讨论碳纤维材料在建筑领域的应用,包括建筑结构材料和装饰材料等方面。
接下来,在2.6节中,我们将探讨碳纤维材料在医疗器械领域的应用,例如手术器械和医疗设备的制造。
碳纤维论文
论述碳纤维的制造技术及在航天发射领域的应用王晓刚200905731.摘要:碳纤维是一种力学性能优异的新材,在过去的二三十年里得到广泛的研究。
其含碳量在90%以上,与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。
特别是在2000℃以上高温惰性环境中,是唯一强度不下降的物质。
此外,其还兼具其他多种得天独厚的优良性能:低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性、纺织加工性均优良等。
因此,碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域,在航空航天领域的光辉业绩,尤为世人所瞩目。
关键词:碳纤维,制造,航天领域,应用2.碳纤维的制造2.1发展历程碳纤维主要是由沥青、人造丝和聚丙烯腈为主要原料而制造的,目前结构材料中主要使用PAN碳纤维。
1950年,美国Wright-Patterson空军基地开始研制粘胶基碳纤维。
1959年,最早上市的粘胶基碳纤维Thornel-25就是美国联合碳化物公司(UCC)的产品。
与此同时,日本研究人员也在1959年发明了用聚丙烯腈(PAN)基原丝制造碳纤维的新方法。
在此基础上,英国皇家航空研究院开发出了制造高性能PAN基碳纤维的技术流程,使其发展驶入了快车道,PAN基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流,产量占世界总产量的90%左右。
20世纪70年代中期,UCC在美国空军和海军的资金支持下,研发高性能中间相沥青基碳纤维;1975年研发成功Thornel P-55(P-55),在1980~1982年之间,又研发成功P-75、P-100和P-120,年产量为230t。
P-120的模最高达965GPa,是理论值的94%,热导率是铜的1.6倍,线膨胀系数仅为-1.33×10-6/K,且在375℃空气中加热1000h仅失重0.3%~1.0%,显示出优异的抗氧化性能。
它们已广泛用于火箭喷管、导弹鼻锥、卫星构件、舰艇材料等方面。
复合材料用高性能炭纤维的发展和应用
收稿日期:1999210222; 修订日期:2000201218 作者简介:赵稼祥(19332),男,上海人,研究员,多年来从事炭纤维及其复合材料的应用研究以及先进材料技术发展战略研究。
文章编号: 100728227(2000)0120068208复合材料用高性能炭纤维的发展和应用赵稼祥, 王曼霞(航天材料及工艺研究所,北京 100076)摘 要: 介绍了复合材料用炭纤维的发展,包括炭纤维进入高速发展的新时期;大力发展大丝束炭纤维;T 2700S 将取代T 2300成为最主要的炭纤维品种;大幅度降低炭纤维价格;扩大开辟新的应用范围。
指出国内炭纤维的问题,提出了我国炭纤维发展的建议。
关键词: 炭纤维;复合材料;应用中图分类号: TQ 342.742 文献标识码: A1 前言 炭纤维是先进复合材料最重要的增强材料,世界各国对发展炭纤维都给予高度重视。
炭纤维在经历了90年代初期的相对稳定后,进入了一个发展的新阶段,其发展特点可归纳为以下五个方面,即:3炭纤维进入高速发展的新时期;3大力发展大丝束炭纤维;3T 2700S 将取代T 2300成为主要的炭纤维品种;3大幅度降低炭纤维价格;3扩大开辟新的应用范围。
2 炭纤维进入高速发展的新时期 80年代,世界上炭纤维的年增长率约为10%~30%,1990年世界炭纤维总共消耗约7965T 。
但90年代初,,随冷战的结束和军费开支的削减,炭纤维的需求量一度受严重影响,1991年炭纤维消耗量降至7200T 左右。
近年来炭纤维需求量又不断增加。
国外预测,1997年至2000年炭纤维的需求量随新应用领域的开发将会显著增加,因此国外炭纤维主要生产公司纷纷建立新的生产线,以扩大其生产能力。
90年代中期以后,炭纤维生产厂商都投入大量的资金建设新的炭纤维生产线,扩大炭纤维生产能力,据统计世界各国对纤维工业的投资截止到1999年底达到十亿美元左右。
新的炭纤维生产线和新增炭纤维生产能力主要包括:日本东丽(TO RA Y )公司在近二、三年计划扩大炭纤维的产量一倍左右,分别在日本爱媛(E 2h i m e ,Jap an )和美国阿拉巴马州地开土(D ecatu r ,A la .)建立两条炭纤维生产线,每条炭纤维生产线的生产能力为每年1800T 。
碳纤维材料用途
碳纤维材料用途碳纤维材料是一种由纤维结构的碳元素组成的材料。
它具有轻质、高强度、高刚度和耐高温等优点,因此在许多领域都有广泛的应用。
以下是碳纤维材料在不同领域的用途。
1. 航空航天工业:碳纤维材料在航空航天领域的应用十分广泛。
它可以用于制造飞机和导弹等航空器的结构件,能够大幅降低飞机的重量,提高燃料效率。
同时,碳纤维材料具有高强度和高刚度,能够提供良好的结构强度,确保飞机在高速飞行和复杂环境下的安全运行。
2. 汽车工业:碳纤维材料在汽车制造领域的应用也越来越广泛。
由于碳纤维材料的轻质和高强度,可以有效降低汽车的重量,并提高燃料经济性。
同时,碳纤维材料还能够提供较好的耐久性和抗腐蚀性能,提高汽车的寿命和安全性能。
目前,越来越多的汽车制造商开始采用碳纤维材料制造车身和零部件,以提高汽车的性能和可持续性。
3. 船舶工业:碳纤维材料在船舶制造领域的应用也逐渐增加。
碳纤维材料具有轻质和高强度的特点,可以用于制造高速船舶的船体结构,提高船舶的速度和燃料经济性。
此外,碳纤维材料还具有良好的抗腐蚀性能,可以延长船舶的使用寿命,并减少维护和修理成本。
4. 体育用品:碳纤维材料在体育用品制造领域也得到广泛应用。
例如,碳纤维材料可以用于制造高尔夫球杆、网球拍和自行车等运动器材,因其轻质和高强度,使得运动器材更加易于操控和使用,能够提高运动员的竞技水平。
此外,碳纤维材料还具有良好的吸震性能,可以减少运动器材对运动员肌肉和关节的冲击,保护运动员的身体健康。
5. 建筑工业:碳纤维材料在建筑领域的应用也越来越多。
由于碳纤维材料具有轻质和高强度的特点,可以用于制造建筑结构的支撑和加固材料,以提高建筑物的抗震性能。
同时,碳纤维材料还可以用于建筑外墙的装饰和保温材料,使得建筑物更加美观和节能。
6. 能源领域:碳纤维材料在能源领域的应用也十分广泛。
例如,碳纤维材料可以用于制造风力发电机的叶片和太阳能电池板的支撑结构,以提高能源装置的转换效率。
碳纤维复合材料的应用
碳纤维复合材料的应用首先,碳纤维复合材料在汽车工业中有广泛应用。
由于碳纤维复合材料具有轻质、高强度的特点,能够减少汽车结构件的重量,提高燃油效率。
它可以用于汽车车身、引擎盖、车门、底盘等部件的制造,使汽车更加节能环保。
其次,航空航天领域也是碳纤维复合材料的主要应用领域之一、由于碳纤维复合材料具有极高的强度和刚度,同时又具有轻量化的特点,可以取代传统的金属材料,在飞机结构件、航天器部件等领域中得到广泛应用。
在航空领域,使用碳纤维复合材料可以减少飞机重量,提高燃油效率,降低碳排放。
再次,碳纤维复合材料在体育器材制造中有重要应用。
在高档网球拍、高尔夫球杆、自行车的车架、滑雪板等器材制造中,碳纤维复合材料被广泛使用。
与传统的金属或塑料材料相比,碳纤维复合材料具有更好的强度和刚度,使得器材更轻、更耐用、更灵活,能够提高运动员的表现水平。
另外,碳纤维复合材料在建筑领域也有应用潜力。
由于碳纤维复合材料具有轻质、高强度和耐腐蚀的特点,可以用于建筑结构部件的制造,如桥梁、楼梯、地下管道等。
使用碳纤维复合材料可以减少建筑物的自重,提高耐久性,减少维护成本。
此外,碳纤维复合材料还广泛应用于电子产品、医疗器械、船舶制造、风力发电等领域。
在电子产品中,碳纤维复合材料可以用于制造手机外壳、电脑机箱等。
在医疗器械方面,碳纤维复合材料可以用于制造假肢、手术器械等。
在船舶制造中,碳纤维复合材料可以取代传统的金属材料,提高船舶的航行速度和燃油效率。
在风力发电领域,碳纤维复合材料可以用于制造风力发电机叶片,因其轻质和高强度,可以提高发电效率。
总之,碳纤维复合材料具有许多优良的性能,广泛应用于汽车、航空航天、体育器材、建筑、电子产品、医疗器械、船舶制造、风力发电等各个领域。
随着技术的进步和应用需求的增加,碳纤维复合材料在未来的应用潜力将更加广阔。
碳纤维复合材料的研究与应用
碳纤维复合材料的研究与应用简介碳纤维复合材料是一种高强度、高刚度、轻质化、高耐蚀性的高级材料。
它由碳纤维和树脂基体组成,具有优异的力学、物理、化学等性能。
目前,碳纤维复合材料已广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材、医疗器械等领域。
碳纤维的生产碳纤维是一种高强度、高模数的纤维材料,其主要成分是碳元素。
碳纤维的生产主要分为以下几步:原料选择碳纤维的原材料是聚丙烯腈(PAN)、沥青和煤焦油。
其中以PAN为主要原料,其次是沥青和煤焦油。
PAN的纤维化程度高,且经济实惠,是碳纤维生产的主要原料。
纤维化PAN经过预处理后,再通过拉伸和碳化的工序,制成碳纤维。
碳纤维的制备过程主要分为三个阶段:预氧化、碳化和石墨化。
预氧化是指将PAN预处理后固化,以便将其碳化成为具有一定强度的原始碳纤维。
碳化是指将预氧化后的PAN在高温下进行重整制备成高强高模的碳纤维。
石墨化是将碳化后的碳纤维在高温下处理,结晶化,以提高其强度与模量。
将制成的碳纤维进行表面处理,并进行丝束整理、筛分、对捻等后处理加工,成为纤维束或纤维绳。
树脂基体的选择和制备树脂基体常用的材料有热固性树脂和热塑性树脂。
热固性树脂多用于碳纤维的制造中,热塑性树脂主要用于易于成型的产品。
热固性树脂主要有环氧树脂、苯醇酚树脂、酚醛树脂等。
环氧树脂是最常用的基体材料,它具有良好的化学稳定性和耐久性,且可通过改变配比,达到不同的性能要求。
热塑性树脂主要有聚酰亚胺树脂、聚酰胺树脂等。
与热固性树脂相比,热塑性树脂具有成型性好、质量稳定、加工稳定等优点,但强度和耐用性较弱。
碳纤维复合材料的制备碳纤维和树脂基体通过复合工艺制成碳纤维复合材料。
碳纤维复合材料的制造一般包括以下工艺流程:布料、预浸渍、硬化、成型、修整、钻孔、表面处理等工序。
布料纤维以规定长度、宽度、厚度等要求,堆放在模具内。
将环氧树脂预浸渍碳纤维纱线匀布在模具上,排出预浸渍后的碳纤维,压实为薄片,形成初步成型。
硬化放入烤箱中,固化出初步制成的树脂固体。
新形势下我国碳纤维产业发展探讨
综述与专论合成纤维工业ꎬ2019ꎬ42(5):58CHINA㊀SYNTHETIC㊀FIBER㊀INDUSTRY㊀㊀收稿日期:2019 ̄02 ̄15ꎻ修改稿收到日期:2019 ̄07 ̄12ꎮ作者简介:高奇(1973 )ꎬ男ꎬ高级经济师ꎬ从事企业党建和政策研究等工作ꎮE ̄mail:gaoq.blsh@sinopec.comꎮ新形势下我国碳纤维产业发展探讨高㊀奇(中国石化集团资产经营管理有限公司巴陵石化分公司ꎬ湖南岳阳414014)摘㊀要:探讨了碳纤维的生产供需㊁下游应用状况ꎬ以及碳纤维及其复合材料技术研究进展㊁我国碳纤维产业发展面临的问题ꎮ2018年我国碳纤维理论生产能力26.1kt/aꎬ产量9.0ktꎬ开工率34%ꎬ进口量(包含预浸料等)22.0ktꎬ表观消费量31.0ktꎮ国内碳纤维复合材料主要应用于休闲体育领域ꎬ占比为52%ꎬ而在航空航天㊁交通运输领域应用占比则较低ꎮ当前ꎬ碳纤维及其复合材料技术研究主要围绕降低碳纤维生产成本ꎬ提高碳纤维本身性能ꎻ改善树脂体系的韧性ꎬ提高树脂体系与碳纤维复合的界面相容性ꎻ开拓复合材料成型新工艺ꎬ提升应用水平ꎮ与世界先进水平相比ꎬ我国在碳纤维产业化工艺与装备ꎻ碳纤维复合材料设计㊁制造㊁评价能力ꎻ基础研究与产业配套方面均严重落后ꎮ建议政府层面加强引导㊁政策扶持力度ꎬ规范碳纤维行业发展ꎻ企业层面加大产㊁学㊁研协同ꎬ加快碳纤维及其复合材料全产业链关键技术攻关ꎬ提升产业化发展水平ꎻ行业组织层面加强组织协调ꎬ搭建公共服务平台ꎬ推动碳纤维及复合材料良好的产业生态建设ꎮ关键词:碳纤维㊀碳纤维复合材料㊀生产㊀供需㊀应用㊀研究进展㊀发展建议中图分类号:TQ342+.74㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1001 ̄0042(2019)05 ̄0058 ̄06㊀㊀碳纤维是一种含碳量在95%以上的新型材料ꎬ既具有碳材料质轻㊁耐高温㊁耐腐蚀㊁耐疲劳㊁抗蠕变㊁高强度㊁高模量等固有本质特性ꎬ又兼备纺织纤维的柔软可加工性ꎬ广泛应用于航空航天㊁交通运输㊁体育休闲等领域[1]ꎮ碳纤维产业链核心环节很多ꎬ包括上游原丝生产㊁中游碳化环节㊁下游复合材料及其应用等ꎮ经过五十多年的研发和突破ꎬ我国碳纤维产业已取得一系列重大成果ꎬ初步形成了产业化碳纤维的研发和生产平台ꎬ逐步打破了国外技术封锁和市场垄断局面[2]ꎮ但碳纤维产业化过程仍存在一些 卡脖子 问题亟待解决ꎮ在当前逆全球化思潮抬头的新形势下ꎬ加快碳纤维产业的发展ꎬ不仅可以推动石油化工㊁纤维纺织等传统行业的技术进步和转型升级ꎬ而且对于保障国家重大工程以及国防科工的发展有着重要战略意义ꎮ作者探讨了国内外碳纤维的生产供需㊁下游应用状况ꎬ以及碳纤维及其复合材料技术研究进展㊁我国碳纤维产业发展面临的问题ꎬ并提出了发展建议ꎮ1㊀碳纤维生产供需状况从企业角度来看ꎬ全球碳纤维企业大致可分为三个梯队:一梯队为兼具规模和技术优势的企业ꎬ日本东丽株式会社㊁日本东邦会社等为典型代表ꎻ二梯队是在特定领域具备较强竞争力的企业ꎬ如德国西格里集团在汽车领域竞争力较强ꎻ三梯队则是具备成本优势的企业ꎬ如中国台湾台塑工业股份有限公司㊁土耳其阿克萨公司㊁韩国晓星集团等ꎮ2018年全球碳纤维主要生产企业见表1ꎮ表1㊀2018年全球碳纤维主要生产企业Tab.1㊀Globalcarbonfibermajorproducersin2018国家和地区企业名称生产能力/(kt a-1)日本日本东丽株式会社27.1日本三菱丽阳株式会社14.3日本东邦会社12.6欧洲德国西格里集团15.0土耳其阿克萨公司3.5俄罗斯UMATEX集团2.0美国美国赫氏公司10.0美国氰特公司7.0美国卓尔泰克公司(被东丽收购)20.0韩国韩国晓星集团2.5中国台湾台湾台塑工业股份有限公司8.8中国中复神鹰碳纤维有限公司6.0江苏恒神股份有限公司4.65精功集团有限公司3.6光威复合材料股份有限公司3.1中安信科技有限公司1.8兰州蓝星纤维有限公司1.8其他5.15其他3.0合计154.8㊀㊀2018年全球碳纤维理论生产能力154.8kt/aꎮ其中ꎬ日本东丽株式会社㊁德国西格里集团㊁美国卓尔泰克公司(已被东丽收购)㊁日本三菱丽阳株式会社㊁日本东邦会社5家企业合计生产能力89kt/aꎬ占全球总产能的57%ꎮ日本东丽株式会社是全球碳纤维生产第一大公司ꎬ生产能力达到27.1kt/a(不含美国卓尔泰克公司产能)ꎮ㊀㊀我国碳纤维生产企业有近30家ꎬ2018年理论生产能力26.1kt/aꎬ见表2ꎮ其中ꎬ产能千吨以上的企业有7家ꎬ分别是中复神鹰碳纤维有限公司㊁江苏恒神股份有限公司㊁精功集团有限公司㊁光威复合材料股份有限公司㊁中安信科技有限公司㊁兰州蓝星纤维有限公司㊁山西钢科碳材料有限公司ꎬ合计生产能力22.05kt/aꎬ约占国内总产能的84%ꎮ表2㊀2018年我国碳纤维主要生产企业Tab.2㊀Chinacarbonfibermajorproducersin2018企业名称㊀㊀生产能力/(kt a-1)中复神鹰碳纤维有限公司6.00江苏恒神股份有限公司4.65精功集团有限公司3.50光威复合材料股份有限公司3.10中安信科技有限公司1.80兰州蓝星纤维有限公司1.80山西钢科碳材料有限公司1.20中国石油吉林石化公司0.60吉林方大江城碳纤维有限公司0.55中国石化上海石化分公司0.50河南永煤碳纤维有限公司0.50其他1.90合计26.10㊀㊀2018年国内碳纤维产量约9.0ktꎬ开工率约为34%ꎬ低于全球60%的开工率ꎬ主要原因一是优秀企业老生产线因经济效益较低而停产ꎬ二是有些企业的生产线水平较低ꎬ不能长期稳定运行ꎻ纯碳纤维进口3.48ktꎬ同比增长13%ꎬ但进口若包括碳纤维预浸料㊁碳纤维布等ꎬ则进口量为22ktꎬ同比增长36.8%ꎮ这说明我国碳纤维下游消费以进口预浸料加工为主ꎮ表3㊀2014―2018年国内碳纤维供需情况Tab.3㊀Chinacarbonfibersupplyanddemandsituationover2014-2018年份产量/kt进口量/kt进口量(包含预浸料)/kt表观消费量/kt2014年2.01.66512.814.82015年2.51.76614.416.92016年3.62.78116.019.62017年7.43.07516.123.52018年9.03.47722.031.0㊀㊀基于近年来碳纤维需求旺盛ꎬ碳纤维正处于从 贵族材料 向 平民化材料 转变ꎬ价格逐年降低等原因ꎬ预计2019―2025年ꎬ我国碳纤维消费需求年均增速将保持在15%以上ꎮ2㊀碳纤维下游应用状况碳纤维一般不单独使用ꎬ而是和树脂㊁金属㊁陶瓷等制成复合材料满足下游应用ꎬ其中ꎬ树脂基碳纤维复合材料使用量最大ꎬ占碳纤维复合材料市场份额的90%以上[3]ꎮ环氧树脂㊁乙烯基酯树脂㊁酚醛树脂㊁不饱和聚酯树脂等热固性树脂ꎬ以及聚丙烯㊁聚酰胺㊁聚四氟乙烯等热塑料性树脂均可用于制备树脂基碳纤维复合材料ꎮ从全球碳纤维复合材料下游应用来看ꎬ航空航天㊁体育休闲和工业应用是碳纤维复合材料应用的3个主要领域ꎬ但与全球碳纤维复合材料应用不同的是ꎬ国内碳纤维复合材料主要应用于休闲体育领域ꎬ占比为52%ꎬ而在航空航天㊁交通运输领域应用占比则较低ꎮ碳纤维生产技术和装备水平低ꎬ产业化生产工艺不成熟是导致国内碳纤维应用领域集中在低端市场的主要原因ꎮ表4㊀国内碳纤维复合材料下游应用领域Tab.4㊀Down ̄streamapplicationfieldofChinacarbonfibercomposite应用领域应用实例所占比例ꎬ%体育休闲㊀高尔夫球棒㊁羽毛球拍㊁钓鱼竿㊁自行车52工业应用能源㊀风电叶片16土木建筑㊀桥梁增强㊁建筑材料6压力容器㊀医用氧气瓶㊁压缩天然气瓶6交通运输㊀汽车㊁船舶3电子电气㊀笔记本㊁电视机㊁LED显示屏2电力电缆㊀电缆芯2机械㊀管㊁集装箱3其他㊀钻井平台㊁医疗器械3航空航天㊀飞机㊁卫星3其他4㊀㊀未来ꎬ我国航空航天㊁新能源汽车领域对碳纤维复合材料需求巨大ꎬ不管是国产大型客机C919ꎬ还是插电式混合动力汽车等都对碳纤维复合材料有很大需求ꎬ但碳纤维复合材料的高端产能目前在国内仍属空白ꎬ碳纤维发展的瓶颈亟待攻克ꎮ3㊀碳纤维及其复合材料技术研究进展碳纤维及其复合材料性能的提高ꎬ生产成本95第5期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀高㊀奇.新形势下我国碳纤维产业发展探讨的降低ꎬ既与碳纤维本身有关ꎬ也与树脂体系以及其复合材料成型工艺有关ꎬ是一项非常系统的工程ꎮ当前研究主要围绕以下几方面展开:(1)降低碳纤维生产成本ꎬ提高碳纤维本身性能ꎮ碳纤维的制备包括前驱体制备㊁预氧化㊁碳化及表面处理等工艺过程ꎮ其中ꎬ前驱体的制备占碳纤维生产成本的50%以上[4]ꎮ因此ꎬ开发低成本㊁高性能的前驱体被认为是降低碳纤维生产成本的最有效途径之一ꎮ目前已实现工业化的碳纤维前驱体主要为粘胶基㊁沥青基和聚丙烯腈(PAN)基ꎬ粘胶基前驱体最早用于制备碳纤维原丝ꎬ但粘胶纤维的实际碳收率较低ꎬ在30%以下ꎻ各向同性沥青基前驱体原料廉价㊁碳收率在80%以上ꎬ生产工艺简单ꎬ生产成本较低ꎬ但其力学性能较低ꎻ中间相沥青前驱体由于对沥青纯度有极其苛刻的要求ꎬ必须进行纯化处理ꎬ因而成本较高ꎻPAN基前驱体碳收率比粘胶基前驱体高ꎬ生产流程㊁溶剂回收㊁三废处理也较简单ꎬ但原料价格仍然较高ꎮ为开拓廉价质优的前驱体替代材料ꎬ众多研究者展开了大量研究ꎬ如以聚烯烃[5]㊁木质素[6]㊁芳香族聚合物[7]㊁生物质[8-10]等为原料的碳纤维前驱体ꎬ但这些前驱体仍然存在碳收率低或者生产成本高㊁力学性能差等问题ꎮ值得关注的是ꎬYangJ等[11-12]以廉价的无灰煤作为前躯体ꎬ通过低温溶剂分离和薄层蒸发法调控其相对分子质量分布和氧含量ꎬ制备了各向同性沥青ꎬ该沥青碳化所制备的碳纤维拉伸强度达到1100MPaꎬ具有巨大的市场潜能ꎮ碳纤维难以兼顾强度和弹性模量ꎬ这成为开发的焦点之一ꎮ碳纤维石墨化采用超高温度使碳纤维内部由乱层石墨片层结构形成规整的三维石墨晶体结构ꎬ是制备高模量或高强高模碳纤维的关键工艺ꎬ其技术的核心在于石墨化装置对碳纤维进行超高温热处理的高效性及石墨化工艺对纤维结构择优演变的有效控制[13]ꎮ国内外研究者对碳纤维石墨化设备进行了广泛研究ꎬ研制了不同加热方式的石墨化炉ꎬ如塔姆式电阻炉[14]㊁感应炉[15]㊁射频炉[16]㊁等离子炉[17]等ꎮ其中ꎬ塔姆式电阻炉㊁射频炉均已产业化ꎬ国内外普遍应用(日本东丽株式会社采用射频炉制备高强高模碳纤维)ꎮ但这几种石墨化炉均采用间接加热技术ꎬ存在热效率低㊁能耗高㊁石墨化炉寿命短㊁热处理温度受限的缺点ꎬ影响了碳纤维石墨化过程中结构的择优演变ꎮ针对间接加热技术的缺点ꎬ激光隧道炉[18-19]㊁连续石墨化炉[20]等直接加热技术石墨化炉被研制ꎮ这类石墨化炉克服高温限制且高效高质量㊁节能环保是未来的发展趋势ꎮ在石墨化工艺方面ꎬ国内外研学者也进行了大量研究ꎬ发现温度场的分布对碳纤维结构的择优演变十分重要[21]ꎻ控制热处理时间可以在保证石墨纤维质量的前提下有效降低能源消耗[22]ꎻ施加一定的牵伸力可以改善碳纤维的微观结构ꎬ提高拉伸强度和模量[23]ꎻ硼原子催化剂对碳纤维石墨化过程有很强的促进作用ꎬ可降低纤维热膨胀系数ꎬ提高其抗氧化性能[24-25]ꎮ(2)改善树脂体系的韧性ꎬ提高树脂体系与碳纤维复合的界面相容性ꎮ碳纤维复合材料具有各向异性的结构特点ꎬ在垂直纤维方向的性能较差ꎬ而增加树脂体系的韧性可提高复合材料的横向拉伸强度ꎬ从而提高复合材料抗损伤性能及应力水平ꎮ目前研究较多的树脂体系增韧技术有橡胶弹性体增韧㊁热致性液晶高分子增韧㊁热塑性树脂增韧㊁超支化聚合物(HBP)增韧和纳米粒子增韧等[26-29]ꎮ然而ꎬ应用橡胶弹性体或热塑性树脂虽可实现环氧树脂增韧ꎬ但同时牺牲了体系的模量㊁耐热性能㊁拉伸性能等ꎻ用热致液晶高分子改性树脂ꎬ韧性提高的同时ꎬ力学性能和耐热性虽没有大的损失ꎬ但原料价格较贵ꎬ树脂很难与它很好相容ꎬ且加工成型难度较大ꎻ纳米粒子具有较高的表面能和特殊的尺寸效应ꎬ增韧效果显著ꎬ但纳米颗粒分散性不好ꎬ极易团聚ꎮ在增韧的同时降低对材料其他性能的负面影响㊁降低成本㊁协同增韧是未来树脂体系增韧的发展方向ꎮ碳纤维与树脂体系间的界面相容性是充分发挥碳纤维力学性能优势ꎬ制备高性能复合材料的核心问题ꎮ目前ꎬ改善树脂体系与碳纤维复合的界面相容性的研究主要从两方面着手:一是对碳纤维进行表面改性ꎮ由于碳纤维极性低ꎬ不利于树脂的粘附ꎬ所以需对碳纤维进行表面氧化改性ꎬ以增加其表面的羟基㊁醛基㊁羧基的数量ꎬ提高极性以便于和树脂粘附[30-34]ꎮ但改性在提高碳纤维表面性能的同时ꎬ会以损失纤维自身的性能作为代价ꎻ二是通过更改树脂与固化剂的配方ꎬ提高树脂体系固化后的极性ꎬ或者令其更容易与碳纤维表面基团反应ꎮ也有相关研究通过在树脂中加入富勒烯㊁碳纳米管等增加其与碳纤维的相容性㊁致密程度等以提高性能ꎮ(3)开拓复合材料成型新工艺ꎬ提升应用水06㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2019年第42卷平ꎮ成型工艺是实现原材料由半成品到成品的加工手段ꎮ原材料的特性和成品的预期性能决定了成型工艺的类型ꎮ目前ꎬ碳纤维复合材料的成型工艺主要有缠绕成型㊁高温模压成型㊁真空热压罐成型㊁液态成型㊁挤压成型等ꎮ其中ꎬ除缠绕成型工艺(即将浸有树脂的纤维束按一定规律缠绕在一个旋转的芯模上ꎬ然后固化㊁脱模成为复合材料制品ꎬ主要用于制造筒形或球形碳纤维制品等)可以直接使用碳纤维外ꎬ其余工艺均需先将碳纤维制成中间材料ꎬ再与树脂复合成制品ꎮ几种常见的中间材料有碳纤维布㊁预浸料㊁片状模压料(SMC)和短纤ꎬ其中预浸料是最主流的中间材料ꎬ约占树脂基碳纤维消费总量的55%ꎮ碳纤维布一般采用树脂传递模塑(RTM)成型ꎻ预浸料采用高温模压成型㊁真空热压罐成型等ꎻSMC主要采用与非饱和聚酯树脂等模压成型ꎻ而短纤或长纤适合用与热塑性树脂挤压成型ꎮ除了上述几种工艺外ꎬ近年真空导入㊁3iTech感应加热等成型工艺发展迅速ꎮ真空导入成型工艺是一种大尺寸复合材料制件的液体模塑成型技术ꎬ是目前大型风电叶片制造所普遍采取的一种成型工艺[35]ꎬ即通过真空产生的压力把树脂通过预铺的管路压入铺设好的纤维层中ꎬ让树脂浸润增强材料ꎬ最后充满整个模具ꎬ固化成制品的过程ꎮ3iTech感应加热成型是一种将感应器集成在模具中的新型感应加热工艺ꎬ可以在20~400ħ的温度下加工碳纤维材料ꎬ利用热传导的原理通过温度感应器来加热模具表面ꎬ可用于批量化制备小型零部件ꎮ4㊀我国碳纤维产业发展面临的问题我国碳纤维复合材料起步于20世纪60年代ꎬ但发展较为缓慢ꎬ与世界先进水平相比ꎬ我国在碳纤维产业化工艺与装备ꎻ碳纤维复合材料设计㊁制造㊁评价能力ꎻ基础研究与产业配套方面均严重落后[36]ꎮ(1)碳纤维产业化工艺与装备核心技术仍未本质突破经过10余年的探索ꎬ虽然我国碳纤维产业化已初具规模ꎬ初步实现了国产T300级和T700级碳纤维规模化生产ꎬT800级㊁M40J级碳纤维的工程化生产ꎬ但产业化工艺与装置核心技术仍未本质突破ꎮ主要表现在:原丝水平落后ꎬ绝大多数碳纤维企业采用的是二甲基亚砜原丝技术ꎬ质量尚未过关ꎬ其他原丝技术发展相对滞后ꎻ碳纤维性能不高㊁产品稳定性差ꎬ产能利用率不到30%ꎬ且仅能应用于体育休闲等低端领域ꎬ航空航天等高端领域则应用较少ꎻ碳纤维设备生产技术几乎被国外垄断ꎬ且严格限制对我国出口ꎬ如碳化炉㊁石墨化炉等关键设备研发滞后ꎮ(2)碳纤维复合材料设计㊁制造㊁评价能力薄弱碳纤维复合材料设计㊁制造㊁评价是碳纤维应用的基础ꎬ制约着碳纤维产业的发展ꎮ目前ꎬ国内碳纤维复合材料的设计㊁制造㊁评价水平较为薄弱ꎬ主要表现在:未真正掌握复合材料连接㊁疲劳耐久性㊁损伤容限㊁稳定性等具体设计技术和要领ꎻ设计的规范㊁手册ꎬ以及设计分析软件等缺乏ꎻ成型工艺㊁模具技术㊁无损检测㊁制造设备等制造技术发展落后ꎬ如日本㊁德国㊁美国等少数发达国家已掌握70~75g/m2标准的碳纤维预浸料生产技术ꎬ而我国还不能生产低于80g/m2的碳纤维预浸料ꎬ高端碳纤维预浸料主要依靠进口ꎻ碳纤维复合材料设备完全由美国公司垄断ꎬ如自动铺丝机㊁层合固化装备等ꎮ整体上ꎬ我国碳纤维复合材料设计㊁制造㊁评价尚处于起步阶段ꎮ(3)基础研究与产业配套不到位与国外相比ꎬ国内碳纤维及其复合材料的许多基础理论和工程实际问题未获解决ꎬ基础理论方面如分子㊁原子水平上的碳纤维结构演变ꎬ复合材料的加工损伤形成机制等ꎻ工程实践方面如PAN的工程控制㊁复合材料许应值与结构设计许应值的确定原则㊁复合材料大面积整体成型等基础科学问题尚未探明ꎮ除了碳纤维自身原因外ꎬ国内相关配套产业不到位也严重制约了碳纤维产业发展ꎬ表现在:由于原料PAN原液杂质含量较高ꎬ导致碳纤维在生产过程中易产生毛丝缠结ꎬ甚至发生断丝ꎬ造成碳纤维性能不稳定ꎬ离散系数较大ꎻ环氧树脂等热固性树脂基体韧性较差ꎬ造成碳纤维复合材料较低的抗冲击损伤能力ꎬ特别是在制造或使用中遭受意外冲击时ꎬ其内部易出现不易观测到的分层损伤等ꎮ5㊀发展建议碳纤维及复合材料作为一种国民经济和国防建设不可或缺的战略性新材料ꎬ其核心技术要不来㊁买不来㊁讨不来ꎬ尤其是在当前发达国家对中国日益趋严的出口管制形势下ꎬ依托政府㊁企业㊁16第5期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀高㊀奇.新形势下我国碳纤维产业发展探讨行业组织的力量ꎬ将政府与产业界㊁顶层设计与企业实践紧密结合起来ꎬ大力加强自主创新ꎬ整合各方面资源ꎬ才能把创新主动权㊁发展主动权牢牢掌握在自己手中ꎮ(1)政府层面ꎬ应加强引导㊁政策扶持力度ꎬ规范碳纤维行业发展ꎮ一是制定碳纤维行业准入标准ꎬ如产能㊁能耗㊁物耗㊁环保㊁安全等规范要求ꎬ防止低水平重复建设ꎮ二是积极推动企业间跨行业㊁跨区域联合重组ꎬ促进碳纤维上下游产业集约㊁协调发展ꎬ实现资源优化配置ꎬ提高产业链的竞争优势ꎮ三是组织制定和完善碳纤维及其复合材料的产品标准㊁测试方式标准和工程应用设计规范ꎮ(2)企业层面ꎬ应加大产㊁学㊁研协同ꎬ加快碳纤维上下游全产业链关键技术攻关ꎬ提升产业化发展水平ꎮ一是优化工程实验和工程化条件ꎬ解决碳纤维性能不高ꎬ生产不稳定的问题ꎻ二是提高碳化炉㊁石墨化炉㊁恒张力收丝装置等大型关键设备自主化水平ꎻ三是加快预浸料㊁树脂体系的配套研究ꎬ实现碳纤维复合材料低成本㊁高质量发展ꎮ(3)行业组织层面ꎬ应加强组织协调ꎬ调动行业组织成员积好性ꎬ搭建行业内专家技术服务㊁科技成果转化㊁技术引进合作和人员培训等公共服务平台ꎬ如第三方公共检测评价平台㊁复合材料共享数据库平台等ꎬ促进产业链信息与技术交流共享ꎬ推动碳纤维及复合材料良好的产业生态建设ꎮ6 结语我国碳纤维产业经多年努力ꎬ已初步形成碳纤维生产㊁碳纤维复合材料成型㊁下游应用等完整产业链ꎬ基本满足体育休闲等民用领域的应用需求ꎮ但是高性能碳纤维及复合材料在高品质㊁高效率与低成本技术ꎬ产品设计与应用技术等方面相比国外还有较大差距ꎬ在国防军工㊁航空航天㊁汽车㊁轨道交通等领域ꎬ尚未形成成熟完善的整体应用技术方案和产业配套体系ꎬ碳纤维及复合材料的规模化应用仍任重道远ꎮ参㊀考㊀文㊀献[1]㊀齐颖.碳纤维及其复合材料发展现状[J].新材料产业ꎬ2017(12):2-6.[2]㊀中华人民共和国工业和信息化部.加快推进碳纤维行业发展行动计划[Z].2013-10-22.[3]㊀沈协人ꎬ朱本松ꎬ赵家森.我国碳纤维生产现状及对策探讨[J].产业用纺织品ꎬ1990(4):1-5.[4]㊀BAKERDAꎬRIALSTG.Recentadvancesinlow ̄costcarbonfibermanufacturefromlignin[J].JournalofAppliedPolymerScienceꎬ2013ꎬ130(2):713-728.[5]㊀WARRENCDꎬPAULAUSKAFLꎬEBERLECCꎬetal.LowercostcarbonfiberPrecursors[C].Proceedingsofthe17thAnnu ̄alInternationalConferenceonComposites/NanoEngineering.HawaiiꎬUSAꎬ2009.[6]㊀COMPEREALꎬGRIFFITHWLꎬJRLEITTENCFꎬetal.Lowcostcarbonfiberfromrenewableresources[J].OfficeofScientific&TechnicalInformationTechnicalReportsꎬ2001:576-8424.[7]㊀PRAUCHNERMJꎬPASSVMDꎬOTANICꎬetal.Eucalyptustarpitchpretreatmentforcarbonmaterialsprocessing[J].Jour ̄nalofAppliedPolymerScienceꎬ2004ꎬ91(3):1604-1611. 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碳纤维研究报告
碳纤维研究报告摘要本报告旨在对碳纤维材料进行深入研究,总结了碳纤维的物理、化学及机械性能。
本文从碳纤维的制备、特点到应用方面进行了探讨,通过对碳纤维材料的实验分析,发现其具有轻量、高强度、耐腐蚀等优良特性,在航空、建筑、汽车等领域应用广泛。
未来,碳纤维材料应该得到更加深入的研究,以满足各个领域的需求。
关键词:碳纤维,制备,特性,应用1. 研究背景随着科技的不断进步,碳纤维材料的性能比重优于传统材料,成为了工程领域中的一种新型材料。
碳纤维具有很多重要的特性,如高强度、轻量、耐腐蚀等,因此具有广泛的应用前景。
研究碳纤维材料,掌握其制备方法及物理、化学性质,可以进一步推进其在工程应用领域的发展。
2. 碳纤维的制备碳纤维由高聚物作为原料,通过聚合、纺丝、炭化、热处理等过程制备而成。
制备过程中需要加入高聚物添加剂,以提高材料强度和热稳定性。
在制备中,加入缩微物质可以增大碳化反应速率,以提高材料的物理性质。
3. 碳纤维的特性碳纤维特性主要体现在其物理、化学及机械性能上。
由于其分子构造的稳定性,使其具有较高的热稳定性,可承受高温条件下的使用。
在机械性能方面,碳纤维的拉伸强度可以高达4000MPa左右,比原来的钢材高出近10倍。
在耐腐蚀方面,碳纤维材料的极性很小,因此不容易被化学物质侵蚀。
此外,碳纤维还具有较好的导电性和导热性,能够用在电热、导热、光学、电磁等领域。
4. 碳纤维的应用碳纤维的应用非常广泛,例如可以用于制造航空器、汽车零部件等;用于建筑中可制作板材、管道等;在船舶领域可以用于制造各种船舶零部件等。
碳纤维还广泛用于医疗领域,可以制作医用支架、人工器官等,有效改善人们的生活质量。
5. 结论本文简要介绍了碳纤维的制备、特性及应用方面的研究情况。
从各项性能表现来看,碳纤维的发展潜力巨大,未来应该得到更加深入的研究和应用。
尽管碳纤维的制备成本较高,但伴随着科技的不断进步和生产技术的完善,碳纤维材料的应用前景无限制。
碳纤维材料航空领域应用
碳纤维之所以具有如此高的强度,目前普遍认为是由
于碳原子排列很整齐所致。
纤维越细其相对强度也越大,这是因为细纤维上的缺
陷少。
增大层状结构的面积。并把它们像层层地叠加起来,
可以提高纤维的硬度模数。
应用
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合, 制成结构材料简称碳纤维复合材料 碳纤维复合材料在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严 格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合都颇 具优势
树脂基碳纤维复合材料应用 在火箭的排气锥体、 发动 机的盖、 壳体、 整流罩等 部位
树脂基碳纤维复合材料由于 具有密度小比强度高和耐高 温等固有特性在航空涡轮发 动机上应用的范围越来越广
碳化硅纤维增强的钛基复合材 料在压气机叶片、整体叶环、 盘、轴、机匣、传动杆等部件 上已经得到了广泛应用
陶瓷基复合碳纤维材料 已经开始应用于发动机高温静止部件(如喷嘴、火 焰稳定器) ,并正在尝试应用于燃烧室火焰筒、涡轮 转子叶片、涡轮导流叶片等部件上。
PAN原丝制备
预氧化
碳化
石墨化
碳纤维
卷取
表面处理
世界碳纤维产量达到每年4万 吨以上,世界主要是日本美国 德国以及韩国等少数国家掌握 了碳纤维生产的核心技术,并 且有规模化大生产。
中国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代
80年代开始研究高强型碳纤维
21世纪以来发展较快,安徽率先引进了500吨每年原丝、200吨
波音公司的B787飞机,复合材料应用率50%。CFRP广泛 应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压 框等部位
中国自行研制的碳纤维复合材料刹车预制件性能达到国 际水平。采用这一预制件技术所制备的的国产碳和碳刹 车盘已批量装备于国防重点型号的军用飞机,并在B757 型民航飞机上使用
碳纤维的研究与应用
碳纤维的研究与应用碳纤维是一种由纤维素、煤焦油或石油焦、聚丙烯等纤维素型有机高分子材料通过高温热解制备的一种碳化纤维。
与传统的金属结构材料相比,碳纤维具有密度轻、强度高、刚度大、腐蚀性小等特点。
在航空、轨道交通、新能源汽车、体育器材等领域得到了广泛应用。
一、碳纤维的制备技术碳纤维的制备技术主要分为两类:一类是基于聚丙烯、石油焦或煤焦油等原材料的链状高分子材料,在高温下进行热解;另一类是基于天然高分子材料的碳化材料制备。
其中,以聚丙烯基碳纤维的工业化应用最为广泛,其制备方法可以分为浆料法、纺丝法、气流拉伸法等。
首先是浆料法,将聚丙烯制成稠状原料,再将其在脱溶液中加热溶解,与氧化铝等硬质颗粒混合,制成碳纤维前驱体浆料。
然后将浆料喷涂在经过表面优化处理的聚酰亚胺膜上,干燥成为带有碳原材料的薄膜。
进一步将薄膜进行缜密卷绕,并将其在高温下进行热解、碳化,制成高强度、高刚度的聚丙烯基碳纤维。
二、碳纤维的应用1. 航空航天领域碳纤维在航空航天领域中的应用广泛,主要是因为其密度轻、强度高、刚度大、腐蚀性小等特点。
在飞机机身材料、翼型、发动机罩、地面设备、导弹化妆等方面都得到了广泛应用。
此外,在航天飞行器中,碳纤维可以通过纺丝成为一种细丝,制成各种复合材料,如热隔离材料、蒸发冷却系统、热控元件等。
2. 轨道交通领域自2004年北京奥运会以来,碳纤维在中国的高速列车领域中得到了广泛应用。
与传统金属材料相比,碳纤维具有质量轻、机能高、自身防静电等特点。
在高铁列车的车身、车辆材料、零部件、轴承等方面,碳纤维得到了强烈的推荐,提高了列车安全性、舒适度以及列车经济性。
3. 新能源汽车领域碳纤维在新能源汽车领域中的应用主要是因为其质量轻、强度高等特点。
同样的物质质量,使用碳纤维可以在汽车的动力系统和底盘减轻质量,提高汽车安全性和经济性。
此外,在氢气燃料电池汽车方面,碳纤维也可以用于制作燃料电池的集成组件及相关设备,以提高燃料电池电池系统的效率和稳定性。
粘胶基碳纤维的制造及其应用
粘胶基碳纤维的制造及其应用粘胶基碳纤维是一种由粘胶纤维为前驱体制备而成的碳纤维材料。
它具有优良的力学性能、化学稳定性和导电性能,被广泛应用于航空航天、汽车制造、能源储存、电子产品等领域。
粘胶基碳纤维的制造主要分为三个步骤:预氧化、炭化和图纸处理。
首先,将粘胶纤维在高温下进行氧化处理,形成预氧化纤维。
预氧化的目的是去除纤维中的非碳元素,使纤维成为富含碳的纤维。
接下来,预氧化纤维经过高温炭化处理,将其转化为碳纤维。
在炭化过程中,温度逐渐升高,纤维中的非碳元素被去除,纤维结构逐渐趋向于纯碳结构。
最后,碳纤维通过图纸处理,可以形成不同的形状和结构,以满足不同的应用需求。
粘胶基碳纤维的应用非常广泛。
在航空航天领域,粘胶基碳纤维被广泛用于制造飞机机身、机翼、尾翼等部件。
因为碳纤维具有高强度和轻质的特点,可以大幅度减轻飞机的重量,提高飞机的燃油效率。
在汽车制造领域,粘胶基碳纤维被用于制造汽车车身、座椅等部件,以实现轻量化目标。
轻量化的车身结构可以降低车辆的燃油消耗,减少车辆排放。
此外,碳纤维还可以提高车辆的安全性能,降低事故时的损伤。
粘胶基碳纤维还被应用于能源储存领域。
例如,它被用于制造锂离子电池的电极材料。
碳纤维具有高比表面积和良好的导电性能,可以提高锂离子电池的储能密度和充放电速度,延长电池的使用寿命。
此外,碳纤维还可以用于制造超级电容器、燃料电池等能源储存器件。
在电子产品领域,粘胶基碳纤维被用于制造电子元件和导电材料。
碳纤维具有良好的导电性能和机械性能,可以作为电子元件的导电层和开关材料。
此外,碳纤维还具有抗腐蚀性和抗磨损性,可以用于制造长寿命的电子元件。
总的来说,粘胶基碳纤维是一种优良的材料,具有广泛的应用前景。
随着技术的不断进步,粘胶基碳纤维的制造工艺和性能将不断改善,为各个领域带来更多的应用机会。
碳纤维,芳纶纤维在国外土木建筑中的应用
碳纤维,芳纶纤维在国外土木建筑中的应用
王秋林
【期刊名称】《纺织科学研究》
【年(卷),期】1997(008)003
【摘要】介绍了碳纤维、芳纶纤维在国外土木建筑中的应用。
分别叙述了短切碳纤维混凝土在建筑中的应用,如何用碳纤维和芳纤维替代钢筋增强材料,以及利用碳纤维和芳纶纤维修复旧建筑物的施工方法。
【总页数】5页(P1-5)
【作者】王秋林
【作者单位】中国纺织科学院研究所纺织所
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.58
【相关文献】
1.谈碳纤维复合材料在土木建筑中的应用 [J], 邵志伟
2.碳纤维及芳纶纤维在桥梁加固中的推广应用 [J], 马继超
3.碳纤维及芳纶纤维在桥梁加固中的推广应用 [J], 关明华
4.碳纤维及芳纶纤维在桥梁加固中的推广应用 [J], 于野
5.谈碳纤维复合材料在土木建筑中的应用 [J], 覃耀波
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碳纤维的发展及其应用王雪娟(自贡市科技情报研究所,四川自贡643000)摘要:文章叙述了碳纤维的结构性能特点,并对碳纤维复合材料的应用进行了介绍;通过对国内外碳纤维需求以及碳纤维工业在国内外的发展状况进行分析,找出国内碳纤维发展存在的问题,并对这些问题提出意见。
关键词:碳纤维;聚丙烯腈;发展;应用四川理工学院学报(社会科学版)Journal of Sichuan University of Science &Engineering (Social Sciences Edition)第24卷青年学术专刊2009年10月Vol.24Special IssueOct.2009碳纤维是指化学组成中碳元素质量分数在90%以上的纤维材料,是利用各种有机纤维在惰性气体中,经过低温氧化、低碳化及高温碳化而制得。
有机纤维在惰性气体中加热到1000-3000℃时,所有非碳原子将逐步被驱除,碳含量逐步增加,固相间发生一系列脱氢、环化、交联和缩聚等化学反应,最终形成了碳纤维。
其中PAN 基碳纤维生产工艺相对简单、产品性能较好,得到了迅速发展,成为目前市场上最主要和占绝对优势地位的品种。
由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电与导热等优异性能,在航空航天工业、体育娱乐、休闲用品、医疗卫生和土木建筑方面得到广泛应用,属于一种军民两用的高性能纤维。
一、碳纤维发展历程及现状(一)国外碳纤维的发展碳纤维的研制及工业化始于20世纪50年代。
50年代中期,Abott 以人造丝为原料制造出纤维状碳丝,随后美国联合碳化物公司发展了这个方法,并于1959年首先在世界上开始制造和销售CF ,但此时的碳纤维还属于通用级的低模量纤维。
1961年日本东丽公司成功开发出了特殊共聚的PAN 纤维,生产出高强高模的碳纤维,其后该公司高性能碳纤维产量一直独居世界之首。
1963年英国皇家航空研究所的W ·Watt 等人在PAN 纤维预氧化过程中施加张力,抑制原丝在热处理过程中的收缩,使碳纤维的力学性能得到明显提高,奠定了现代生产PAN 基碳纤维的工艺基础。
1969年英国Courtaulds 公司和日本炭公司分别建成了由PAN 纤维得到高性能碳纤维的工业装置。
70年代末,许多以PAN 纤维为原料制造碳纤维的厂家为扩大产品销路,占领国际市场,在原料供应及碳纤维的生产、供销方面进行广泛的交流与合作,从而促进了PAN 基碳纤维工业的进一步发展。
80年代,世界各公司不断扩大生产能力,力求提高经济规模,但由于产品应用范围开拓不足,从而使碳纤维的生产供过于求。
进入90年代后,由于PAN 基碳纤维具有无可替代的优越性,应用领域日益扩展,生产规模逐渐向大型化发展,产量和性能提高,价格下降,使其呈现了高速增长的态势[1-4]。
到二十一世纪初,高性能PAN 基碳纤维的研制及工业化生产已日趋成熟。
据报道,由于商用飞机和风能市场需求的增长,2009年碳纤维市场仍将增长1.8%;预测在2010年后市场从信贷紧缩和经济衰退状态复苏,碳纤维市场会反弹,预计在未来五年中其年增长率为9.8%[5]。
当前,世界上PAN 基碳纤维的生产现己经分化为以美国、欧洲为代表的大丝束碳纤维和以日本为代表的小丝束碳纤维两大类。
大丝束碳纤维产品成本低,较适合于民用工业及产品开发;小丝束碳纤维产品追求高性能化,代表世界碳纤维发展的先进水平,主要用于国防军事工业。
目前世界上高性能碳纤维研究发展的领头羊为日本东丽公司。
日本东丽公司的碳纤维在2008年初占全球市场的34%,到2010年综合设计产能将达到24000t/a ,其销售额将达到14亿美元;日本东邦公司在2009年中期产能将达到13500t/a ;日本三菱公司近期建了一条2268t/a 的碳纤维新线,最近又宣布要扩建一条2700t/a 的新生产线,预计在2010年四季度投产。
美国Zoltel 公司最近收购了墨西哥的PAN 纤维厂商Cydsa ,经改造后使该厂可生产2250t/a 大丝束碳纤维;美国Hexcel 公司2009年中期的产能将上升到7300t/a [5]。
第24卷青年学术专刊(二)国内碳纤维的发展我国自20世纪60年代开始碳纤维研究开发至今已有40年的历史,但由于发达国家对我国几十年的技术封锁,至今没能实现大规模工业产业化生产,中试产品质量不稳定,仅相当于国外的T-300水平,这严重影响了我国高技术的发展,尤其制约了航空航天及国防军工事业的发展。
专家们认为制约我国碳纤维发展的主要原因之一是原丝质量问题。
国产原丝存在纤度大、强度低、离散系数大、缺陷、裂纹与孔洞多等问题。
此外,相关应用基础研究薄弱,投入的经费比较少,使我国碳纤维发展缺乏基础科学技术进步的依托。
我国最大的PAN基碳纤维生产厂在台湾省,属台湾工程塑料公司所有,生产能力1750t/a,所用原丝为DMF一步法生产的小丝束碳纤维,预计到2010年该公司产能将增加至7300t/a[5]。
2006年我国大陆地区共有12家大小不一的PAN基碳纤维主要生产厂家,虽然总生产能力约1310t/a,但是由于国内最大的PAN基碳纤维生产厂大连兴科碳纤维有限公司800t/a装置和安徽华源集团200t/a装置没有原丝可烧,因此碳纤维的总产量也只有40t/a左右,且产品质量不稳定,由于原丝质量、碳化生产技术和设备等方面的原因,大多数达不到T-300水平[3]。
虽然国际上一些公司T-300级原丝和碳纤维产品对我国开始解冻,但碳纤维及其复合材料的生产是关系到国防建设的高科技技术,必须立足国内。
所以,研制生产高性能、高质量的PAN基碳纤维,以满足军工和民用产品的需求,扭转大量进口的局面,是我国碳纤维工业产业化发展亟待解决的问题。
随着我国经济飞速发展,对碳纤维的需求与日俱增,碳纤维在国内新材料界成为新的热点。
国家已把“PAN基碳纤维”列入国家“863”计划,“十一五”计划也对碳纤维生产提出了更高的要求,目标是为军工及民用生产供应12K以下小丝束的优质原丝产品。
这必将使我国PAN基碳纤维在新的世纪里步入大发展、良性循环的轨道。
(三)国内PAN基碳纤维消费与需求尽管我国碳纤维生产发展缓慢,但消费量却与日俱增,市场需求旺盛,主要用途包括体育器材、一般工业应用和少量军工产品(导弹和火箭等),其中体育器材用量最大,约占总消费量的80%~90%。
近年来,随着市场需求的增加,特别是国防、军工、航空航天、体育用品等方面的需求增加,每年主要依靠从国外进口碳纤维以满足要求。
预计2010年我国PAN基碳纤维的需求量将超过5000t/a。
通过对国内市场需求进行广泛深入的调研发现,近几年体育和休闲用品及压力容器等领域对碳纤维的年需求量迅速增长,从我国航空航天技术的发展来看,也急需高性能碳纤维及其复合材料。
近几年来,外商纷纷前来我国开办合资或独资的碳纤维复合制品企业,从国外采购碳纤维开发下游产品,促进了我国碳纤维市场的开发,使碳纤维需求量迅猛上升。
国内PAN基碳纤维材料加工已初具规模,且有一定的技术基础和市场开发能力,市场需求比较旺盛,但碳纤维的生产还远远不能满足市场需求,需要大量进口。
此外,考虑到我国碳纤维的应用还在不断发展,许多用途还有待进一步开发,如碳纤维在工程修补增强方面、飞机和汽车刹车片、汽车和其他机械零件的应用以及电子设备套壳、集装箱、医疗器械、深海勘探、新能源的开发等方面都将是我国碳纤维未来的潜在消费市场,对碳纤维的需求量将更大。
未来十年内,文体用品和一般产业对碳纤维的市场总需求量将达90%以上。
因此,未来我国碳纤维的市场需求前景广阔,潜力极大[3-4]。
二、碳纤维的结构与性能(一)碳纤维的结构在碳纤维的发展过程中,许多研究者都曾提出过不同的模型。
但在碳纤维的基本结构特征上己取得了许多一致的意见,公认碳纤维是由沿纤维轴高度取向的二维乱层石墨组成;微晶的形状、大小、取向以及排列方式与纤维的制备工艺相关。
虽然层平面都是由六稠芳环组成,但是和石墨的紧密堆积相比,在碳纤维中,这样的二维面是不完整的,具有不规则的外形,层与层之间碳原子没有规则的固定位置,缺乏三维有序,且层间距比石墨晶体大;层面内包含有空洞,原子位错等缺陷。
在乱层石墨结构中,石墨层片仍是最基本结构单元,一般由数张到数十张层片组成石墨微晶,这是碳纤维的二级结构单元。
由石墨微晶再组成原纤维,其直径为50nm左右,长度为数百纳米,这是纤维的三级结构单元。
最后由原纤维组成碳纤维的单丝,直径一般为6-8μm[6-7]。
Diefendoft和Tokarsk综合考察了PAN基碳纤维的径向横向结构后。
提出了不同模量碳纤维的三维结构模型。
在他们的模型中,他们认为碳带面以波动的形式平行于纤维轴排列,与内部微晶相比,表面微晶较大,且沿纤维轴高度取向。
内部径向结构复杂,排列不规则,出现缠结现象。
Knlbbs研究了不同工艺下制备的王雪娟:碳纤维的发展及其应用2032009年10月四川理工学院学报(社会科学版)PAN基碳纤维的纵向切片时,得到了不同的三种纤维结构。
它们的差别在于石墨微晶在轴向平面内的取向方式不同。
纵剖面沿着纤维轴择优取向,也有少许的错位层形成相互交错的微纤,这些微纤以结晶形式聚集在一起。
碳纤维中存在大量的1-10nm大小的微孔,一般认为这些微孔是碳化过程中O、H、N分子形成的气泡造成的。
大量的研究工作表明,这些微孔呈针状沿纤维轴取向排列,微孔的体积分数约为10-20%。
大量微孔存在无疑将降低碳纤维的有效截面积,影响其力学性能[8-10]。
目前市场上强度最高的碳纤维是日本东丽公司的T1000,其拉伸强度为7.02Gpa,东丽公司最新专利报道,该公司己制成了拉伸强度为9.03GPa的碳纤维。
尽管这己经优于同类产品,但与理论强度70.27GPa相比仍有相当可观的提高空间。
碳纤维强度的主要影响因素为结晶结构及缺陷结构。
对于理想的碳纤维结构,其石墨网平面沿纤维轴取向排列,径向结构和径向密度分布均匀,没有皮芯结构。
(二)碳纤维的性能碳纤维作为非常重要的军工材料及高档民用材料,拥有其它材料无法比拟的性能。
碳纤维的优点如下:(1)高抗拉强度(3.0-7.0Gpa)及弹性模量高(200-650Gpa);(2)密度小,在1.7-2.0g/cm3之间,仅为钢的1/4,是铝合金的1/2,而强度则是钢的17倍,是铝合金的12倍;(3)耐高低温性能好,可以在2000℃使用,在3000℃非氧化气氛的高温下不熔化,不软化,在-180℃下,钢铁变得比玻璃脆,而碳纤维依旧很柔软;(4)耐酸性能好,将碳纤维分别放在浓度为50%的盐酸、硫酸和磷酸中,200天后其弹性模量、强度和直径基本没有变化,其耐腐蚀性优于黄金;(5)热膨胀系数小、导热系数大,耐急冷急热,即使从3000℃突降到室温也不会炸裂;(6)导电性能好,电阻率为10-3~10-2Ω·CM;(7)断裂伸长在1.5%~2.2%之间,柔软可编,深加工性能好;(8)耐疲劳,疲劳强度高,使用寿命长;(9)减震吸能性能优异,不易起振,起振后可迅速制振,呈现出优异的振动衰减特性;(10)耐摩擦,耐磨损,具有优异的石墨自润滑特性;(11)生物相容性好,生理适应性强;(12)非磁性;(13)具有电磁波屏蔽性;(14)具有优越的X射线穿透性;(15)各向异性,设计自由度大。