碳纤维及其复合材料的发展和应用(精)

·开发与创新·

Development and Applications of Carbon Fiber and Its Composites

GAO Bo ,XU Zi-Li

(Wuhan Textile University ,Wuhan Hubei 430073,China

Abstract:This paper introduces performance and features of carbon fiber,briefly overviews the history,including both foreign and domestic.And analyses the properties and applications of carbon fiber composite material,emphasizes the related performance that carbon fiber adds to the metal matrix composites and points out its research prospects.Key words:carbon fiber ;composite ;metal matrix

0引言

碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,是由有机母体纤维(聚丙烯睛、粘胶丝或沥青等采用高温分解法在1000~3000℃高温的惰性气体下碳化制成的。它是一种力学性能优异的新材料,比重不到钢的1/4,能像铜那样导电,比不锈钢还耐腐蚀,而其复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa 以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa ,也高于钢。碳纤维按其原料可分为三类:聚丙烯腈基(PAN 碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维三类。其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广,需求也最大[1]。

1碳纤维的发展史

1.1国外碳纤维的发展历史

20世纪50年代美国开始研究粘胶基碳纤维,1959

年生产出了粘胶基纤维Thormel-25,这是最早的碳纤维产品。同一年,日本发明了用聚丙烯腈基(PAN 原丝

制造碳纤维的新方法。紧接着英国皇家航空研究院研究了高性能PAN 基碳纤维的技术流程,使PAN 基碳纤维成为碳纤维工业的主流。20世纪70年代中期,美国联合碳化公司在美国空军和海军的资金支持下,研发高性能沥青基碳纤维。碳纤维的民用商业化也正是始于70年代。日本东丽公司最早于1971年开始生产钓鱼杆和高尔夫球棒。1974年,美国最早把碳纤维用于网球。接着羽毛球拍也都实现了CFRP (carbon-fiber reinforced

plastic 化。20世纪80年代,碳纤维开始广泛用于客机

和航天飞机。人造卫星也实现了CFRP 化。进入21世纪,碳纤维的需求量随之增大,以大约13%的速度逐年递增。碳纤维的主要性能见表1。表2是不同领域碳纤维的需求及预测见表2。

1.2国内碳纤维的发展

我国碳纤维起步于上世纪60年代末,在意识到碳

碳纤维及其复合材料的发展和应用

高波,徐自立

(武汉纺织大学机电学院,湖北武汉430073

收稿日期:2010-05-31

作者简介:高波(1986-,在读硕士研究生。研究方向:碳纤维增强;徐自立(1964-,硕士生导师,教授,博士。

摘要:介绍了碳纤维的性能及其特性,概述了碳纤维的发展史,包括国外和国内。分析了碳纤维复合材

料的特性和应用,着重说明了碳纤维增加金属基复合材料的相关性能,并指出了其研究前景。

关键词:碳纤维;复合材料;金属基中图分类号:F4

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2010.04.014

机电产品开发与创新

Development &Innovation of M achinery &E lectrical P roducts Vol.23,No.4July .,2010第23卷第4期2010年7月

文章编号:1002-6673(201004-037-03

表1碳纤维的主要性能

性能聚丙烯腈基碳

纤维

石油沥青级碳

纤维

粘胶碳纤维

拉伸强度(Mpa >300016002100~2800

密度(g/cm 3 1.76~1.94 1.7 2.0拉拉弹性模量

(Gpa

>207

379

441-552

37

·开发与创新·

纤维对军工和民用的价值后开始重视。自1975年11月全国第一次碳纤维复合材料会议之后,一直将碳纤维及其复合材料纳入国家科技攻关项目。经过四十多年的发展,我国碳纤维从无到有,从研制到生产取得了一定的成绩,但总的来说,我国碳纤维的研制与生产水平还较低,近些年来,由于我国对碳纤维需求量的日益增加,碳纤维又成为国内新材料业研发的热点。但是,除极个别企业外,大多数引进项目的技术和设备水平属国际中下等,生产的碳纤维产品也未达到高端水平[2]。国内生产聚丙烯腈碳纤维的厂家主要有:榆茨化纤厂、兰州石化公司化纤厂、兰州碳素纤维厂、衡水碳纤维材料厂、无锡宏泰机械厂、上海合纤所等。这些厂家的生产能力比较低,无法满足国内市场对碳纤维的需求。2004年我国碳纤维消耗量约为4500t,2009年达到9000t,而95%依赖进口[3]。值得庆幸的是,2009年6月14日,我国首个百吨级碳纤维生产基地——

—中国石油吉林石化公司碳纤维厂在吉林省吉林市建成并投产。其自主研发的聚丙烯腈基碳纤维产品性能已达到国际先进水平,打破了国外技术封锁,标志着我国高性能碳纤维产业化实现了新突破。2碳纤维增强复合材料

复合材料的组成相为增强相与基体相。增强相一般有很高的力学性能(强度、弹性模量,其主要作用是承受载荷或显示功能。增强相一般有三种:纤维、晶须、颗粒,它们是不连续相。基体相也有三种:金属、陶瓷、聚合物,它们是连续相。碳纤维是高性能复合材料最常用、最重要的增强相,是目前可作MMCs增强物中价格最便宜的一种。一般是以500~12000根直径为5.6~14μm的细纤维组成束丝作为增强体使用。而像硼纤维、碳化硅则是单丝做为增加体使用。无论何种原丝纤维来制造碳纤维,都要经过五个阶段[4]:①拉丝:可用湿法、干法或者熔融状态三种中任意一种方法进行;②牵伸:在室温以上,通常是在100-300℃范围内进行, W.Watt首先发现结晶定向纤维的拉伸效应,而且这效应控制着最终纤维的模量;③稳定:通过400℃加热氧