碳纤维的发展与现状

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内容编写：发展部分简江婷婷宋爽韵

现状与差距部分蔡煜张领周晓楠排版校对：简江婷婷宋爽韵

宋爽韵 20110815023

简江婷婷 20110815036

蔡煜 20110815045

周晓楠 20110815047

张领 20110815050

碳纤维的发展与现状

学生：蔡煜简江婷婷宋爽韵周晓楠张领指导老师：秦文峰

摘要:简要介绍了碳纤维的性能、发展历史以及在航空航天领域中的应用，同时分析了国内外碳纤维的发展差距，给出了对我国碳纤维发展的建议。

关键词：碳纤维;碳纤维复合材料;应用领域;发展差距;发展建议

Abstract：The brief introduction of the performance and development history and application in the aviation&aerospace field of carbon fiber ,the analysis of the development gap of carbon fiber between home and abroad ,the advises of carbon fiber’s development to our country are given in this paper.

Key words：carbon fiber;carbon fiber composites;application territory; development gap;development advises

目录

1 前言 (4)

2 碳纤维应用的发展与现状 (4)

2.1发展概况 (4)

2.2 碳纤维在军机中的应用 (6)

2.3 碳纤维在民机中的应用 (8)

2.3.1 碳纤维在B777上的应用 (9)

2.3.2 碳纤维在A380-800中的应用 (9)

2.4 碳纤维复合材料（CFRP）在航天领域的应用 (10)

2.4.1 碳纤维复合材料在国外航天领域的应用 (10)

2.4.2 碳纤维复合材料在国内航天领域的应用 (14)

3 国内外碳纤维发展差距和建议 (15)

3.1 国内外碳纤维发展差距 (15)

3.2 对我国碳纤维发展的建议 (16)

3.3 结语 (18)

1 前言

碳纤维是指含碳量高于 90% 的无机高分子纤维，一般作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成具有强度高、模量高、重量轻、抗疲劳、耐腐蚀等一系列优异性能的新型复合材料。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3倍多;它与凯芙拉纤维( KF－49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且耐蚀性出类拔萃。碳纤维根据原丝类型可分为聚丙烯腈( PAN) 基、沥青基和粘胶基等 3 种;根据力学性能可分为通用型、高性能型两种。目前，全世界碳纤维生产中以聚丙烯腈基为主。

碳纤维的主要性能:

①密度小、质量轻，密度为1.5～2g·cm－3，相当于钢密度的l/4、铝合金密度的 1/2;

②强度、弹性模量高，其强度比钢大4～5倍，弹性回复l00%;

③具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂;

④导电性好，25℃时高模量纤维为775μΩ·cm－1，高强度纤维为1500μΩ·cm－1;

⑤耐高温和低温性好，在3000℃非氧化气氛下不融化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，也不脆化;

⑥耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓 HC

l 、 H

3

PO

4

、 H

2

SO

4

等侵蚀。

此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。但其耐冲击性较差，容易损伤，易在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。自碳纤维工业化生产以来，世界各国都特别重视其应用开发。通常，碳纤维不单独使用，而是与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料，该复合材料具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质，已在现代工业领域得到广泛应用。随着碳纤维价格的不断降低，其应用范围从满足性能要求高的航空、航天领域逐步向文体和民用领域扩展。]1[

2 碳纤维应用的发展与现状

2.1 发展概况

只有人们产生了某种需求，才能去认识并制造出一种材料。同样碳纤维最早是为了满足制造优良的灯丝的要求应运而生的。

1860年，英国人瑟夫·斯旺将细长的绳状纸片碳化制取碳丝，并以此制作电灯的灯丝，但这项发明未能成功。至1879年，美国人爱迪生将油烟和焦油的混合物做成丝，再碳化制成灯丝，并解决了电灯的相应使用问题，碳丝才在电灯上得到应用。虽然这种碳纤维最终被钨丝等材料所代替，但是它的特点比如密度小，模量高，耐酸碱，耐氧化是以往的材料所不能比拟的，后来人们不断探索用其它方法来制造碳纤维。

20世纪50年代，美国为了研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机的性能，急需新型结构材料和耐烧蚀材料，使得碳纤维重新出现在新材料的舞台上。美国最先开发出粘胶基碳纤维，应用于耐烧蚀和隔热材料。由于在航空和军事方面的大量应用及性能的不断提升，使得粘胶基碳纤维在一段时间里处于鼎盛时期。但后来陆续开发出更优越的碳纤维，粘胶基碳纤维的产量减少了。

粘胶基碳纤维发展的同时，在1959年，日本大阪工业试验所的近藤昭男发明了利用聚丙烯腈纤维制造碳纤维的新方法。这一创新促进了碳纤维工业的大发展，成为当前碳纤维的主流。他发明了生产碳纤维新的技术路线，但是并不能制造出高性能的PAN基碳纤维。1963年，英国航空研究所（RAE）的瓦特（W.Wat）等人在预氧化过程中施加张力，抑制原丝在热处理过程中的收缩，奠定了现代生产PAN基碳纤维的工艺基础。约翰逊（W·Johnson）等人改进预氧化装置，他们打通了制造高性能PAN基碳纤维的技术路线。

1965年，日本群马大学的大谷衫郎研制沥青基碳纤维，并获得成功。使得沥青成为生产碳纤维的新原料，并成为当前碳纤维领域仅次于PAN基碳纤维的第二大原料路线。1970年，日本吴羽化学工业公司生产的通用级沥青基碳纤维上市。1975年，UCC开始高性能中间相碳纤维“Thomel-P55”的研制，并取得成功。目前Thomel-P系列高性能沥青碳纤维仍是沥青基碳纤维中最好的产品。

碳纤维从诞生发展至今，经历了几起几落。这既是优胜劣汰促进碳纤维工业发展的必然规律，也是市场经济的无情裁决。20世纪60年代PAN基碳纤维的研制中心在英国，并且得到了很大的发展。但是在激烈的市场竞争中，因为种种原因，碳纤维的研制和生产中心发生转移。目前世界PAN基碳纤维生产厂商主要