聚丙烯腈基碳纤维及其应用
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
班级:1013241 姓名:董鸿文
学号:101324108
材料化学课程论文
碳纤维复合材料
碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等 人造纤维戒合成纤维为原料,经预氧化、碳化、石墨化等过 程制得含碳量达90%以上的无机纤维材料。
1 2
3
沥青基
粘胶基
聚丙烯腈基(PAN)
PAN链的无规则螺旋结构
PAN纤维→预氧化→碳化→石墨化→PAN基碳纤维
PAN碳纤维原丝微观图
【1】PAN碳纤维原丝截面图
【2】PAN纤维截面SEM照
【3】PAN碳纤维表面结构
PAN碳纤维复合材料的应用
1.航空航天:航天飞机、运载 火箭、导弹卫星、民用商业飞 机
2.体育休闲:球杆球拍、箭弓、 鱼竿、自行车
参考文献
[1]徐樑华:高性能PNA基碳纤维国产化进展及发展趋势[J].中国材料进展, 2012,31(10):7-13 [2]陈利,孙颖,马明:高性能纤维域成形体的研究[J].中国材料进展,2012, 31(10):21-29 [3]韩克清,严斌,余木火:碳纤维及其复合材料高效低成本制备技术进展[J].中 国材料进展,2012,31(10):30-35 [4]郭敏怡:我国高性能碳纤维产业发展现状不展望[M].军民两用技术不产品, 2012,2:53-58 [5]郑宁来:中国航天公司研制成功碳纤维新产品[J].合成纤维,2011,40 (7):14-15 [6]贺福:研制高性能碳纤维已是当务之急[J].高科技纤维不应用,2010,35(1): 14-18 [7]钱伯章:国内外碳纤维应用领域、市场需求以及碳纤维产能的进展[J].高科技 纤维不应用,2010,35(2):29-33 [8]赵稼祥:世界PAN基碳纤维的生产不需求以及对发展我国碳纤维的启示[J].新 材料产业,2010,9:25-31
聚丙烯腈基碳纤维布相关标准
聚丙烯腈基碳纤维布相关标准聚丙烯腈基碳纤维布是一种重要的新型纤维材料,具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点,广泛应用于航空航天、船舶、汽车、建筑、电力等领域。
为了确保聚丙烯腈基碳纤维布的质量,相关标准起到了重要的作用。
本文将介绍聚丙烯腈基碳纤维布相关的国际、国家标准。
首先,国际上最常用的聚丙烯腈基碳纤维布标准是ISO 18333-1:2016。
该标准规定了聚丙烯腈基碳纤维布的分类、术语和定义、试验方法等内容。
例如,该标准要求对聚丙烯腈基碳纤维布的线密度、纤维直径、机械性能进行测试和评估。
此外,ISO 18333-1:2016还对产品的标识、包装、运输等方面进行了要求,以确保各个环节的质量控制和产品的可追溯性。
在国内,对聚丙烯腈基碳纤维布的标准主要有两个,分别是GB/T 30581-2014和HG/T 3197-2010。
其中,GB/T 30581-2014是国家标准,规定了聚丙烯腈基碳纤维布的技术要求、试验方法、标志、包装和质量证明等方面。
该标准要求对聚丙烯腈基碳纤维布的化学成分、线密度、纤维直径、机械性能、热稳定性、耐腐蚀性等进行测试和评估,以确保产品的可靠性和稳定性。
另外,HG/T 3197-2010是化工行业标准,适用于聚丙烯腈基碳纤维布的设计、制造、验收等方面。
该标准要求对聚丙烯腈基碳纤维布的纤维密度、线密度、纤维直径、机械性能、热稳定性、耐腐蚀性等进行测试和评估,同时还对质量控制的原则、方法进行了规定,以确保产品的一致性和质量稳定。
除了上述国际标准和国家标准,还有一些行业标准也涉及到了聚丙烯腈基碳纤维布。
例如,航空航天领域常用的军用标准GJB 2868-2012,该标准规定了航空航天用聚丙烯腈基碳纤维布的技术要求、试验方法和使用环境等方面。
该标准要求对聚丙烯腈基碳纤维布的纤维直径、线密度、表面密度、拉伸强度等进行测试和评估,以确保产品在特定环境下的可靠性和性能。
综上所述,聚丙烯腈基碳纤维布相关的标准既包括国际标准,也包括国家标准和行业标准。
聚丙烯腈基碳纤维发展与应用
生产现状
国外情况
世界 P A N 基 碳纤维的生 产 , 在 20 世纪 60 年代 起步 , 经
作者简介 : 汪家铭 ( 1949- ) , 男 , 工程师 , 1985 年毕业于四川广播电视大学机械专业 , 曾从事大型引 进化肥装置设 备管理和维修工 作 , 1993 年后从事 化工科技期刊编辑及化工情报信息工作 , 先后在国内各种公开刊物上发表过化工科技论文 180 余篇。
18
化工新型材料
第 37 卷
过 70~ 80 年代的稳定 , 90 年代的飞速发展 , 到 21 世纪仍 是扩 大生产的快速发 展期。目 前 , 世 界碳 纤维年 产量 约 4 8 万 t, PA N 基碳纤维约占各种碳纤维材料的 80% 以上 , 其中日 本东 丽、 东邦和三菱人造丝 3 家公司占据了 70% 以上 , 其余主 要的 生产商还有 美国 Hex cel、 Cytec、 Zoltek 公司 和德国 SGL 公司 及韩国泰光产业公司等。 近年来 , 国外对碳纤维技术开 发研究集中 在提高 性能、 降 低成本方面。日本东丽公司根据先进复 合材料市 场发展 的需 求 , 已 决 定逐 步 淘汰 T 300 类 碳 纤维 , 重 点发 展 拉伸 强 度 为 4000~ 5000M P a、 价格与 T 300 基本 相当 的碳 纤维 品种 , 同 时
[ 1]
。
PA N 基碳纤维因其具有 的高强 度、 高 刚度、 重量 轻、 耐高 温、 耐腐蚀、 优异的电 性能等 特点 , 在 与其他 纤维 的竞 争中 发 展壮大。目 前世界主要 P AN 基碳 纤维 生产厂 家的 总生产 能 力已达到 3. 65 万 t 的规模 , 仅 次于 芳纶 , 跃居 世界 高性能 纤 维的第 2 位。碳纤维是 军民 两用 新材料 , 是 我国 目前 乃至 今 后相当长一段时间 内鼓励 优先 发展的 高科 技纤 维之一 , 也 是 国家迫切需要短期内突破的高新技 术纤维品 种。随着近 年来 我国对碳纤维的需 求量日 益增 长 , 碳纤维 已被 列为国 家化 纤 行业重点扶持的新产品 , 成为国内新材料产业 研发的热点。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
针对PAN基碳纤维复合材料生产过程中存在的能耗高、污染重等问题 ,研究者们不断改进生产工艺,提高生产效率和环保性。
未来发展趋势预测与挑战分析
高性能化
未来PAN基碳纤维复合材料将继续向高性能化方向发展, 以满足高端应用领域对材料性能的更高要求。
绿色环保
随着环保意识的提高,PAN基碳纤维复合材料的绿色生产 将成为未来发展的重要趋势,包括采用环保原料、优化生 产工艺等。
耐疲劳性
碳纤维复合材料具有良好 的耐疲劳性能,能够承受 长期的交变载荷作用。
热稳定性及耐候性评估
热稳定性
PAN基碳纤维在高温下能 够保持较好的稳定性,不 易发生热分解或氧化反应 。
耐候性
碳纤维复合材料具有良好 的耐候性能,能够抵抗紫 外线、酸雨等自然环境的 侵蚀。
耐腐蚀性
由于碳纤维的化学稳定性 较高,因此它对于多种化 学物质都具有良好的耐腐 蚀性。
汽车工业领域应用
轻量化
碳纤维复合材料具有密度小、比 强度高、比模量高等优点,是实 现汽车轻量化的理想材料,可用
于车身、底盘等结构件。
安全性
碳纤维复合材料在碰撞时能够吸收 大量能量,提高汽车的安全性。
舒适性
碳纤维复合材料具有良好的阻尼性 能,能够降低汽车行驶过程中的振 动和噪音,提高乘坐舒适性。
体育器材领域应用
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料的制备工艺主要包括原丝 制备、预氧化、碳化、石墨化 等步骤,通过控制工艺参数可 以得到不同性能的复合材料。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料在航空航天、汽车、体育 器材、建筑等领域具有广泛的 应用前景,如飞机结构件、汽 车轻量化部件、高性能运动器 材等。
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CATALOGUE
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料及其在大飞机上的应用
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料及其在大飞机上的应用徐志鹏北京化工研究院摘要自2007年国务院公布国产大飞机战略以来,这一领域的发展获得了持续的关注。
然而当今的国际大飞机市场被波音和空客两大公司所垄断,国产大飞机想要赢得市场面临多方面的挑战,其中之一就是高性能复合材料的应用。
聚丙烯腈基碳纤维复合材料诞生五十多年以来,发展迅猛,已经从传统的航空航天领域逐渐向汽车、风电等领域拓展市场,未来市场潜力巨大。
而目前中国仅能生产相当于T300,T700性能的碳纤维,不仅无法满足国产大飞机的材料需求,而且该领域的技术短板也限制了很多行业的发展。
本文在综合了前人研究成果的基础上,介绍了碳纤维的发展历程,PAN基碳纤维的关键技术和碳纤维复合材料在商用大飞机上的应用情况。
笔者认为,有市场竞争力的国产大飞机必须大量使用高质量的碳纤维复合材料,而突破PAN基碳纤维复合材料技术壁垒的关键在于生产高质量的碳原丝,其技术突破点在于干喷湿纺和凝胶纺丝生产技术的掌握与改进。
关键字:PAN基碳纤维,大飞机,碳原丝,干喷湿纺, 凝胶纺丝ABSTRACTLarge Plane Project has been fascinating Chinese public for years since its first announcement by State Council in 2007. China-made large plane is now facing varieties of challenge, while Boeing and Airbus are on the monopoly of market, one of the main challenge is the application of carbon fiber composite material. PAN based carbon fiber composite has witnessed a boost since it’s born in the past 50years, and now is expanding its application from space project to automobile and wind power generation projects. Carbon fiber industry in China cannot satisfy the demand of large plane project and many other industrial demands, because we can only made carbon fiber as well as T300 and T700 by our self. This article introduced the history of carbon fiber, key technology of PAN based carbon fiber and how PAN based carbon fiber is used in commercial large aircrafts. The author of this article believes the China-made large plane must use plenty of carbon fiber based composite to win the market and the key technology we need to break through is dry-wet spinning and gel spinning technique to make high performance PAN-based carbon fiber precursor.Key words: PAN based carbon fiber, large plane, carbon fiber precursor前言国产大飞机战略自发布以来,引发了广泛的关注。
聚丙烯腈和碳纤维(29页)
碳化
(3) CO和C02的释放: 未被结合到梯形结构中的含氧基团被热解。
(4) HCN的释放: 小的芳构化片之间缩聚的副产物。
HC
I ◦
HZ H? H2 CN
N夕cI C HcH’
H C I HCN C
碳化
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碳化
(5) N2的释放: HCN的释放影响收率,900-1 300ftC是脱氮高峰。
-CHa-CH* + R-SH CN
-CHz-CHa- + RS . CN
碳纤维的结构
碳原子结构最规 整排列的物质是 金刚石, 碳纤维 结构近乎石墨结 构, 比金刚石结 构规整性稍差
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碳纤维的分类
最早问世 ,宇航咳 — 性材料
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石墨化
石墨化是固相碳化反应的继续,碳纤维中以氮为主的非碳元素几乎全 部溢 走,得到含碳量接近100%的石墨纤维。2200X: 时基本完成。
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Logo
聚丙烯腈的合成
JI发: 别发釗及热分解,卢生初级t由裏。分解反应 連卒 敕仗,可技喇整个反应連卒。初级负由暮与单体 加成, 打开神类羊体的,形成n,生成羊体令由基> 并玫热。 C1本水商公句采用偶氬二异丁漪(AIBN)做J|发利,二 甲 泉正风CDMSOJ做泳利,换作安全,户品质黃 本。
CHa
偶合终止 -CHi-CH* + 'CH-CH?- -- CHa-CH- CH-CH2-
聚丙烯腈基碳纤维及其应用
PAN基碳纤维及其应用(南通大学纺082 0815012038 朱琴)摘要:聚丙烯腈基碳纤维是一种力学性能优异的新材料,在航空、航天、建筑、体育、汽车、医疗等领域得到广泛的应用。
本文简要介绍了PAN基碳纤维的结构、性能、制备、碳纤维的应用领域以及面临的挑战,并对未来发展提出了一些建议。
关键词:PAN基碳纤维、结构、性能、制备、应用、挑战碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得,其中的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维用途最广、用量最大、发展最为迅速,在碳纤维生产中占有绝对优势。
目前世界主要PAN基碳纤维生产厂家的总生产能力已达到3.65万t的规模,仅次于劳纶,跃居世界高性能纤维的第2位。
碳纤维足军民两用新材料,是我国目前乃至今后相当长一段时间内鼓励优先发展的高科技纤维之一,也是国家迫切需要短期内突破的高新技术纤维品种。
随着近年来我国对碳纤维的需求量日益增长,碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品,成为国内新材料产业研发的热点。
一、PAN基碳纤维的结构聚丙烯腈基碳纤维是以聚丙烯腈纤维为原料制成的碳纤维,主要做复合材料的增强体。
碳纤维是由片状石墨微晶沿纤维轴向方向堆砌而成的所谓“乱层”结构,通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成,其中孔洞的含量、大小和分布对碳纤维的性能影响较大。
碳纤维各层面间的间距约为 3.39~3.42Å,各平行层面间的各个碳原子,排列不如石墨那样规整,层与层之间借范德华力连接在一起。
二、PAN基碳纤维的性能碳纤维有通用型(GP)、高强型(HT)、高模型(HM)、高强高模(HP)等多种规格。
见表1表1 碳纤维的规格与性能规格高强型HT 高模型HM 通用型GP 高强高模型HP 直径/μm 7 5~8 9~182.5~4.5 2.0~2.8 0.78~1.03.0~3.5强度/(×103Mpa)2.0~2.43.5~7.0 3.8~4.0 4.0~8.0模量/(×103Gpa)伸长/% 1.3~1.8 0.4~0.8 2.1~2.5 0.4~0.5比重/(g/cm3) 1.78~1.96 1.40~2.00 1.76~1.82 1.9~2.1碳纤维有如下的优良特性:①比重轻、密度小;②超高强力与模量;③纤维细而柔软;④耐磨、耐疲劳、减震吸能等物理机械性能优异;⑤耐酸、碱和盐腐蚀,可形成多孔、表面活性、吸附性强的活性炭纤维;⑥热膨胀系数小,导热率高,不出现蓄能和过热;高温下尺寸稳定性好,不燃,热分解温度800℃,极限氧指数55;⑦导电性、X射线透过性及电磁波遮蔽性良好;⑧具有润滑性,不沾润在熔融金属中,可使其复合材料磨损率降低;⑨生物相容性好,生理适应性强。
聚丙烯腈(pan)基碳纤维生产工艺
聚丙烯腈(pan)基碳纤维生产工艺聚丙烯腈(PAN)基碳纤维是制备高品质碳纤维的主要原料之一。
该纤维具有高强度、高模量、高导电性和优异的耐高温性能,被广泛应用于高端航空、航天、汽车和体育器械等领域。
本文将介绍PAN基碳纤维的生产工艺。
1. 原料准备根据生产工艺要求,选择合适的聚丙烯腈原料。
将原料进行初步处理,去除杂质和水分,以确保生产过程中的纤维质量。
2. 聚合反应将经过准备的聚丙烯腈原料溶解在适当的溶剂中,加入聚合催化剂和其他添加剂,进行聚合反应。
反应温度和时间、反应条件等要求均需严格控制,以确保聚合品质量和纤维性能。
3. 细纤化将聚合物溶液经过细纤化处理,使聚合物分子链排列有序,形成纤维形态。
细纤化方法有湿法和干法两种,其中湿法多使用纺丝机或旋转杯法,而干法则多采用气流旋转杯法。
4. 洗涤和脱水将细纤化后的纤维进行多次洗涤,以去除残留的溶剂和其他杂质。
洗涤后进行脱水处理,以去除水分,为后续的碳化步骤做好准备。
5. 碳化将经过脱水处理的PAN基纤维置于高温炉中进行碳化。
碳化温度和碳化速率对纤维质量和性能有着极大的影响,要根据产品要求进行合理的控制。
6. 热处理将碳化后的纤维再次进行高温热处理,使其内部结构进一步改善,提高其力学性能和稳定性。
7. 修边和检测对制备完成的碳纤维进行修边处理,去除开口、裂纹等缺陷。
然后进行质量检测,检查其力学、热学、导电等性能是否符合要求。
8. 包装通过卷绕或缠绕等方式对碳纤维进行包装,以便于运输和使用。
总之,PAN基碳纤维生产工艺控制精度要求高,涉及多个关键步骤,每一个环节都需要精益求精,以确保产品质量和性能稳定。
在实际生产过程中,还需要根据产品品种和规格进行细致的调整和改进,以满足不同用户的需求。
聚丙烯腈基碳纤维的应用
聚丙烯腈基碳纤维的应用聚丙烯腈基碳纤维,听起来是不是有点高大上?别担心,今天咱们就来聊聊这个“高科技小子”的应用,轻松愉快地看看它在生活中的身影。
想象一下,如果你在健身房挥汗如雨,可能会看到那些闪闪发光的运动器材,哎,对,就是那些用聚丙烯腈基碳纤维做的啦!它不仅轻,而且结实得不得了,简直是运动爱好者的“神器”。
谁不想在举重的时候多点底气,对吧?咱们就得提提它的轻量化。
大家知道,飞机、汽车什么的,重了可就麻烦了。
而聚丙烯腈基碳纤维简直就像那飞天小女警,轻盈得能让飞机飞得更快,省油还省心。
想象一下,如果你的飞机用的是这种材料,能多省多少钱呀!哈哈,这可不是开玩笑,经济学家都得笑开怀。
再说,咱们的朋友“汽车”也离不开它。
现代汽车可不是一块铁疙瘩了,里面的材料都讲究。
聚丙烯腈基碳纤维的强度和韧性让车身不仅轻巧,还能抵抗各种碰撞。
开车上路,心里踏实多了。
坐在车里,心里想的可不是“这车重得跟石头一样”,而是“这车真不错,开得稳!”这时候,聚丙烯腈基碳纤维就成了车主的小秘密。
它的应用可不止这些。
要是你喜欢户外运动,攀岩、滑雪,聚丙烯腈基碳纤维同样是你的好帮手。
那些登山杖、滑雪板,都是它的“粉丝”。
轻轻一挥,便能抵挡风雪,真是勇敢者的代名词。
想象一下,站在山顶,四周的风景尽收眼底,心中那种自豪感,简直可以和登上珠穆朗玛峰相媲美。
除了这些,咱们还得聊聊医疗方面。
你知道吗?聚丙烯腈基碳纤维还被用在医疗器械上。
它的生物相容性很好,不会对身体产生负担,像那些支架、缝合线,都是它的身影。
医护人员用它来帮助病人,恢复健康,简直就是现代科技的“白衣骑士”。
想到这,心里是不是暖暖的?咱们的电子产品也少不了它。
手机、电脑里,聚丙烯腈基碳纤维作为一个小小的保护层,抵御摔打、磨损,让你的电子设备持久如新。
谁不想在朋友面前炫耀自己的手机“完好如初”?这小子可真是好用得不得了,简直是电子产品界的“金刚不坏之身”。
说到这里,聚丙烯腈基碳纤维真的是一个多才多艺的小家伙,不仅在科技上大显身手,生活中也随处可见。
聚丙烯腈基(PAN)碳纤维的性能、应用及相关标准
少 的工程材料 ,同时在体育用 品 交通运输 医疗器械和
土木 建筑等 民用领 域也有 着广泛应用 。P AN基碳纤 维生产 工 艺简 单 ,产 品综 合 性能好 .因而 发展 很快 ,产 量 占到
9 %以上 .成为最主要 的品种 。 0
l 国 内外聚丙烯腈基碳纤维的发展现状
11国外发展现状 .
进 行 了展 望 。
关键 词 :碳纤维 ;聚丙烯腈 ;标准
Ab ta t P sr c : AN. a e r o b r san w tra t x e t n l c a ia r p ry I a e n e t n i ey b s dCab n f e e mae i l h e c p i a i i wi o me h n c l o e t . t sb e x e sv l p h a p id i v a i n p c l h , o sr c , p rs a t m o i ,me i a r a m e t e c fed . b i fr v e o e p l n a ito ,s a e f g t c n t t s o t , u o b l e i u e d c lt t n , t . l s A re i w ft e i e h e o u i n a d c re tst a i n o e P N— a e r O i e t o n b o d we e i cu e . u t e mo e t e v l t n u r n i t ft A b s d Ca b n f r a me a d a r a r n l d d F rh r r . h o u o h b h p e a a i n s r c u e e f r n e a d t e a p ia i n a e ft e P r p r t . t t r .p ro ma c n h p l to r a o AN. a e r o b rwe e a s n o u e . o u c h b s d Ca b n f e r lo i t d c d i r I t rea e t n a d n s eh d r p cf a l x r s e . h e e o me t n t e f t r sp o p c e . n e r lt d sa d r sa d t t t o s e m we e s e i c l e p e s d T ed v l p n u ewa r s e t d i y i h u
聚丙烯腈基(PAN)碳纤维的性能应用及相关标准
聚丙烯腈基(PAN)碳纤维的性能\应用及相关标准作者:陈蓉蓉王莘蔚来源:《中国纤检》2010年第11期摘要聚丙烯腈基碳纤维是一种力学性能优异的新材料,在航空、航天、建筑、体育、汽车、医疗等领域得到广泛的应用。
本文简要介绍了国内外PAN基碳纤维的发展历程和现状,PAN基碳纤维的制备、结构、性能及碳纤维的应用领域,详细介绍了PAN基碳纤维相关标准及检测,并对未来发展进行了展望。
关键词:碳纤维;聚丙烯腈;标准Abstract: PAN-based Carbon fiber is a new material with exceptional mechanical property. It has been extensively applied in aviation, space flight, construct, sports, automobile, medical treatment, etc. fields. A brief review of the evolution and current situation of the PAN-based Carbon fiber at home and abroad were included. Furthermore, the preparation, structure, performance and the application area of the PAN-based Carbon fiber were also introduced. Interrelated standards and test methods were specifically expressed. The development in the future was prospected.Key words: Carbon Fiber;Polyacrylonitrile;Standard碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它不仅具有碳材料的固有特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。
聚丙烯腈基(PAN)碳纤维复合材料
聚丙烯腈基(PAN)碳纤维复合材料2010136103徐铭华摘要:对PAN基碳纤维的发展历程、现状以及以其为增强体的复合材料进行了综述,并对PAN基碳纤维增强复合材料在航天领域的主要使用情况进行了介绍,最后对我国高性能碳纤维复合材料的现状及发展重点进行了探讨。
关键词:PAN基碳纤维;复合材料;航天领域;使用Abstract:In this article, the development of PAN-based carbon fiber, its character and composites reinforced by it is overviewed. The main application of carbon fiber reinforced composites on aerospace is also introduced here .Finally, the status and future development of PAN-based carbon fiber is discussed.Key words: PAN-based carbon fiber; composites; aerospace; application1.前言随着科技的发展和进步以及各国对空间光学遥感器的进一步需求,空间遥感器必然向高分辨率、长焦距、大口径、大视场、大体积而质量更轻的方向发展[1],然而,发展质量更轻的空间光学遥感器,必须采用性能优异的轻质结构材料,碳纤维复合材料(CFRP)的使用是实现这一要求的最好途径之一。
CFRP是以树脂为基体,碳纤维为增强体的复合材料[2]碳纤维具有碳材料的固有本征特性,又有纺织纤维的柔软可加土性,是新一代军民两用的增强纤维。
它优异的综合性能是任何单一材料无法和其比拟的,现在己经成为先进复合材料的主要增强纤维之一。
CFRP是20世纪60年代中期崛起的一种新型结构材料,一经问世就显示了强大的生命力[3,4]。
聚丙烯腈基碳纤维发展简史及生产应用概述
聚丙烯腈基碳纤维发展简史及生产应用概述姓名:学院:学号:日期:目录引言 (5)一、碳纤维的发展史 (5)1.1碳纤维的先驱——斯旺和爱迪生 (5)1.2碳纤维的三大原料路线 (5)1.3聚丙烯腈碳纤维的发明者――近藤昭男 (6)1.4从日本东丽公司碳纤维发展历程看PAN基原丝的重要性 (6)1.5我国研制PAN基碳纤维的历程 (6)二、聚丙烯腈基碳纤维概要 (7)2.1聚丙烯腈纤维的形态结构 (7)2.2聚丙烯腈纤维的性能特征 (7)2.3聚丙烯腈纤维的纺丝技术 (9)2.4聚丙烯腈基纤维的制备 (9)三、聚丙烯腈基碳纤维的生产工艺 (10)3.1基纤维—聚丙烯腈的生产工艺流程 (10)3.1.1聚丙烯腈共聚物的制备 (10)3.1.2聚丙烯腈纤维的纺丝与牵伸 (11)3.2PAN基碳纤维生产工艺流程 (11)3.3工艺设备的选配及布置 (12)四、聚丙烯腈基碳纤维的应用及相关标准 (14)4.1聚丙烯腈基碳纤维的主要应用 (14)4.1.1航空航天 (14)4.1.2文体和医疗用品 (14)4.1.3一般工业 (14)4.1.4聚丙烯腈基碳纤维的相关标准 (15)五、聚丙烯腈基碳纤维制备成本构成分析及其控制 (15)5.1年产500T PAN基碳纤维生产成本构成及规模效益成本分析 (15)5.1.1PAN原丝生产成本构成 (16)5.1.2碳纤维生产成本构成 (16)5.1.3规模效益成本预测及分析 (16)5.2降低碳纤维生产成本控制措施的探讨 (18)5.2.1工艺改进,提高产品产量与品质 (18)5.2.2能源综合利用,降低生产成本 (18)5.2.3生产设备国产化,降低一次性设备(固定资产)投入 (19)六、国内外聚丙烯腈基碳纤维的发展现状 (19)6.1国外PAN基碳纤维成产现状 (19)6.2全球碳纤维的发展态势 (20)6.3我国与世界PAN基碳纤维科研技术先进国家之间的比较 (20)6.3.1我国PAN基碳纤维的历程 (20)6.3.2东丽公司T300与国产GCF的性能对比 (21)参考文献 (23)聚丙烯腈基碳纤维发展简史及生产应用概述摘要:聚丙烯腈基碳纤维为人造合成纤维,是一种力学性能优异的新材料,在航空航天、建筑、体育、汽车、医疗等领域得到广泛的应用。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产工艺
纺丝过程中的影响因素包括纺丝液性质、喷丝头结构、拉伸条件、固化条件等。这些因素会影响原丝 的形态结构、取向度、结晶度等,进而决定碳纤维的力学性能、热稳定性等。因此,在纺丝过程中需 要对这些因素进行严格控制和优化。
预氧化与碳化工艺
04
预氧化过程及机理探讨
预氧化过程
将聚丙烯腈(PAN)纤维在空气或氧气 中进行低温热处理,使其部分氧化, 形成稳定的梯形结构。
机理探讨
预氧化过程中,PAN纤维中的氰基(-CN) 逐渐转化为羧基(-COOH)和酰胺基(CONH2),同时伴随着分子链的交联和 环化反应,从而形成耐热的梯形结构。
碳化过程及温度控制策略
碳化过程
在惰性气氛(如氮气)中,将预氧化 后的纤维进行高温处理,使其进一步 碳化,形成碳纤维。
温度控制策略
碳化过程中需要精确控制温度,通常 采用多段升温的方式,以确保纤维在 碳化过程中的结构稳定性和性能均匀 性。
设备选型与生产线布
05
局设计
关键设备选型依据及参数设置
聚合釜
选择高效、节能、操作简便的聚 合釜,其容量和搅拌速度等参数 需根据生产规模和产品性能要求
确定。
纺丝机
选用具有高速、稳定、连续化生产 能力的纺丝机,纺丝速度、温度、 压力等参数对纤维性能有重要影响, 需精确控制。
氧化碳化炉
选择能够实现高温、高压、气氛控 制精确的氧化碳化炉,炉内温度、 气氛组成和压力等参数是影响碳纤 维性能的关键因素。
原因分析与追溯
针对不合格品进行原因分析,追溯问题根源,为后续改进措施提供依 据。
纠正与预防措施
根据原因分析结果,制定相应的纠正和预防措施,防止类似问题再次 发生。
持续改进与提升
聚丙烯腈基碳纤维增强热塑性复合材料成型工艺及应用
聚丙烯腈基碳纤维增强热塑性复合材料成型工艺及应用张超,黄勇(中国石化上海石油化工股份有限公司先进材料创新研究院,上海200540)摘 要:聚丙烯腈基碳纤维增强热塑性复合材料(PAN-CFRTP)因其优异的耐高温性能、刚韧平衡性能等特性,在汽车、医疗器械、航空航天、化工机械等领域被广泛使用。
主要介绍了上浆剂法、液相氧化法、等离子体法三碳纤维界面改性方法以及拉挤成型、缠绕成型、真空辅助成型三种CFRTP成型工艺。
最后通过介绍碳纤维增强尼龙(CF/PA)、碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)、碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)三种复合材料的性能特点,说明CFRTP在市场中的巨大应用需求潜力,尤其在航空航天等高端领域。
关键词:聚丙烯腈;碳纤维;热塑性复合材料;界面改性;成型工艺中图分类号:TB 322 文献标识码:A 文章编号:2095-817X(2021)01-0059-005聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF)的制备分为聚丙烯腈原丝液的制备以及碳纤维的制备。
首先,聚合反应单体丙烯腈与加入的少量第二单体(如丙烯酸甲酯)和第三单体(如亚甲基丁二酸),以偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂,以二甲基亚砜(DMSO)或硫氰酸钠(NaSCN)为溶剂,通过共聚反应生成聚丙烯腈原丝液。
接下来,聚丙烯腈原丝液经过纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、石墨化等工艺过程,得到含碳量大于90%的无机碳材料,即PAN-CF[1]。
PAN-CF的碳化收率能达到45%,高于其他几种原料(沥青、粘胶、酚醛等)制备的碳纤维。
PAN-CF成为如今生产应用研究最为广泛的碳纤维,得益于其生产工艺流程易控,成本较低。
碳纤维由于其独特的乱层石墨结构,高强高模,且耐高温、耐腐蚀。
一般来说,碳纤维主要是通过与热塑性、热固性树脂复合,通过一定的成型工艺制备得到复合材料,才能发挥其优异的综合性能。
热塑性树脂包括聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等。
聚丙烯腈碳纤维
未来,聚丙烯腈碳纤维在新能源、智能制造等领域的应用将得到进一 步拓展,为新兴产业的发展提供有力支持。
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聚丙烯腈碳纤维对酸、碱等化学物质具有较 强的耐腐蚀性。
抗氧化性
在高温和有氧环境中,聚丙烯腈碳纤维不易 被氧化。
良好的耐溶剂性
对各种有机溶剂,聚丙烯腈碳纤维表现出较 好的稳定性。
耐辐照稳定性
在强辐照环境下,聚丙烯腈碳纤维的性能不 易发生变化,具有较好的稳定性。
04 聚丙烯腈碳纤维的应用实 例
航空航天领域
05 聚丙烯腈碳纤维的未来发 展与挑战
新材料开发与性能提升
研发高强度、高模量、轻量化的聚丙烯腈碳纤维
通过材料改性、纳米复合等技术手段,提高聚丙烯腈碳纤维的力学性能和热稳定性,以满 足高端领域对高性能纤维的需求。
探索新型聚丙烯腈碳纤维的制备方法
研究新的合成路径和反应条件,降低生产成本,提高产量和纯度,实现大规模生产。
表面打磨
对碳纤维表面进行打磨处理,去 除表面的毛刺和不平整部分,提
高碳纤维与基体的结合强度。
03 聚丙烯腈碳纤维的性能特 点
力学性能
高强度
聚丙烯腈碳纤维具有极高的拉 伸强度,远超过其他纤维材料
。
高弹性模量
其弹性模量高,能够承受较大 的压力而不发生形变。
耐磨性
聚丙烯腈碳纤维具有较好的耐 磨性,能在复杂环境中保持其 性能。
在汽车领域,聚丙烯腈 碳纤维因其高强度和轻 质特性,被用于制造汽 车零部件,如车架、悬 挂系统等,提高了汽车 的燃油经济性和动力性 能。
在体育器材领域,聚丙 烯腈碳纤维因其轻质和 高强度特性,被广泛应 用于制造高尔夫球杆、 钓鱼竿、自行车车架等 运动器材,提高了运动 性能和安全性。
PAN碳纤维讲解
聚丙烯腈(PAN)碳纤维黄洛玮1103860621摘要:聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料,具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能,是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料,同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
本文简要介绍了其结构,制备方法,性能,应用领域及其前景。
关键词:PAN基碳纤维碳纤维结构 PAN基碳纤维制备 PAN基碳纤维性能 PAN基碳纤维应用前景1.概述碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它不仅具有碳材料的固有特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。
聚丙烯碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料,经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90%的特种纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能,是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料,同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好,因而发展很快,产量占到90%以上,成为最主要的品种。
2.PAN碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳,它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物,碳化历程不同,形成的产物结构也不同。
碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别,这主要是由于其结构不同,碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体,含碳量约75%~95%;石墨纤维的结构与石墨相似,含碳量可达98%~99%,杂志少。
碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。
PAN选用的原因:1、PAN结构式:这是迄今发展高性能碳纤维最受人瞩目先驱体2、选用PAN原因:a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向;b、碳化收率(1000℃~1500℃)为50%~55%;c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;d、在180℃附近存在塑性,便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理。
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命力的新型材料 。
1 聚丙烯腈基碳纤维的生产工 艺概况
聚 丙 烯 腈 基 碳 纤 维 的 生 产 主 要 由 聚 丙 烯 腈 ( PAN) 原丝的生产和原丝的预氧化和碳化等组成。
1. 1 聚丙烯腈 [ (C3 H3N) n ,含碳率 68 %]的 生产
至今尚未找到溶解元素碳的溶剂 ,要使碳熔融 也必须在 0198MPa (100at) 和 3 800 ℃以上的高温 下才能实现 。因此 ,不可能直接从元素碳按一般合 成纤维那样通过熔融纺丝或溶液纺丝的方法来制 造碳纤维 。目前 ,制造长丝型的碳纤维 ,工业上只 能通过高分子有机纤维的固相碳化来得到 。制备 碳纤维的原料有很多 ,如木质素 、聚丙烯腈 、酚醛 、 聚乙烯醇 、聚氯乙烯 、聚酯 、粘胶纤维 、沥青等 。但 是从碳化收率 、生产技术的难易以及成本等多种因 素综合考虑 ,经过多年的研究与实践后 ,只有从聚 丙烯腈 、粘胶和沥青三种原料制造碳纤维才实现了 工业规模化生产 。其中 ,沥青基碳纤维成本较低 , 但在强度等性能方面稍差 ,社会需求不大 ;粘胶基 碳纤维生产工艺复杂 ,碳化收率低 ,成本高 ,一般仅 用于军事领域的尖端技术 ;聚丙烯腈基碳纤维的综
1. 2 用聚丙烯腈制造碳纤维的过程
由聚丙烯腈 ( PAN) 纤维制造碳纤维一般要经 过预氧化 、碳化 、石墨化三个阶段 。在碳化之前对 PAN 纤维进行预氧化处理 ,目的是使 PAN 的线形 分子链转化为耐热的梯形结构 ,以使其在高温碳化 时不熔不燃 ,保持纤维形态 。碳化过程是碳纤维形 成的主要阶段 ,除去了纤维中的大量氢 、氮及其他 元素 。经碳化后得到的碳纤维含碳量在 95 %左 右 。随后的石墨化阶段由于杂质不断被排除可使 碳纤维的含碳量不断增加 ,最后得到具有金属光泽 的高弹性模量和高强度的碳纤维 ———石墨纤维 。
由聚丙烯腈制造碳纤维的过程列于表 1 。
表 1 取丙烯腈碳纤维的制造过程
处理工序名称
预氧化
碳化
石墨化
ห้องสมุดไป่ตู้
温度范围 200~300 ℃ 800~1 900 ℃ 2 500 ℃以上
处 升温速度 分段预氧化或 600 ℃前较慢 ,
理
恒温预氧化 600 ℃后较快
条 气氛
空气或氧气
氮气
件 纤维状态
施加张力
自由状态或少 许加荷
世界上聚丙烯腈基碳纤维的生产 ,在 20 世纪 60 年代起步 ,经过 70~80 年代的稳定 ,90 年代的 飞速发展 ,到 21 世纪已基本成熟 。现已分化为以 美国为代表的大丝束碳纤维生产和以日本为代表
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M achi ne B uil di ng & A utom ation , A ug 2004 , 33 ( 4) : 41~ 43
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快速升温 氩气
自由状态
纤维性能
1 300~1 700 ℃ 机械性能下降 之间抗拉强度 弹性模量提高
最高
2 聚丙烯腈基碳纤维的发展
19 世纪美国人爱迪生用预处理的棉纱制成的 灯丝是最早制造出来的碳纤维 。这之后相当长的 一段时间内碳纤维一直默默无闻 。直到 20 世纪 50 年代后期 ,由于生产的发展 ,尤其是宇宙航空和 原子能的发展 ,对材料提出了新的要求 。其中最主 要的是结构材料 ,它要求材料强度高 、弹性模量高 、 耐高温 、并且还要重量轻 。结构材料的轻量化还与 一般飞机 、汽车 、机电 、建筑材料以及海洋的开发都 有很大关系 ,原来采用的玻璃纤维和塑料的复合材 料已经不能满足现代工业和科学技术的需要了 ,具 备上述性能要求的碳纤维才得到了迅速的发展 。
1959 年 ,日本的进藤昭男研制成功了聚丙烯 腈基碳纤维 ,1962 年日本碳公司在此基础上制成 了通用级碳纤维 。此时碳纤维的强度已超过钢铁 , 但弹性模量却比钢铁要小一半多 。经过大量的科 学实验 ,1965 年英国皇家航空研究所终于找到了 提高碳纤维弹性模量和强度的办法 ,就是利用一般 有机纤维在加热过程中总要收缩的特点 ,在纤维预 氧化过程中对纤维施加张力 ,使纤维张紧 ,不能自 由收缩 。由于纤维分子沿着施加张力的纤维长度 方向排列更加紧密 、更加整齐 ,而且这种整齐的排 列在以后的高温处理中也一直保持着 ,从而使最后 得到的碳纤维具有高的弹性模量和强度 。1969 年 日本东丽公司推出了独特的共聚丙烯腈纤维炭化 技术 ,生产了高强度 、高模量的碳纤维 ,在性能和产 量上跃为世界领先地位 。
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合机械性能最好 ,占目前市场总量的 90 %以上 。 在碳纤维的生产过程中 ,原丝是影响产品品质
和扩大生产的关键之一 。只有得到取向度和强度 高 、热转化性能好 、杂质和缺陷少和纤度均匀的原 丝 ,才有可能生产出高品质的碳纤维 。高品质的原 丝是生产高性能碳纤维的关键制约因素 。聚丙烯 腈原丝的生产是将单体聚合制成纺丝原液 ,然后纺 丝成形 。常规聚合方法有 :丙烯腈 (AN) 与第二单 体悬浮聚合 ;AN 与第二单体的溶液聚合等 。山东 大学材料学院选用 AN 和丙烯酸进行溶液聚合 ,以 二甲基亚砜为溶剂 (DMSO) ,以偶氮二异丁腈为引 发剂合成了纺丝性能良好的纺丝溶液 。目前 ,以 DMSO 为溶剂生产的聚丙烯腈原丝产量最大 ,经 碳化后品质最好 。日本东丽公司聚丙烯腈纤维的 成纤聚合物是由丙烯腈与组分 A 和 B 共聚而成 的 ,其中组分 A 可从乙酸乙酯 、甲基丙烯酸 、甲基 丙烯酸甲酯或苯乙烯中选取 ,组分 B 可从衣康酸 或丙烯酸中选取 ,如将丙烯腈/ 甲基丙烯酸/ 衣康酸 (92. 3∶6. 3∶1. 4) 在 73 ℃的二甲基亚砜中反应 9h , 可得到浓度为 22. 5 % (以质量计) 的共聚体溶液 , 然后将它放入含 55 %的 DMF 的水溶液凝固浴中 成形 ,然后水洗 、拉伸 、上油 、烘干 、定型就可制得聚 丙烯腈原丝 。新研究出的聚合方法有 :反相乳液聚 合 、混合溶剂悬浮聚合 ;纺丝方法的发展趋势是采 用干湿法 。日本东丽公司采用干湿法纺丝 ,把丙烯 腈2衣康酸共聚物溶液经 1 000 孔的喷丝帽喷入空 气中 ,喷丝帽与凝固浴间距为 2~10mm ,喷丝帽周 围用环围滤网 ,防止丝波动 ,在凝固浴表面加密度 为 0. 9g/ cm3 的浮球 ,减少凝固浴表面泡沫的形成 , 纺制的聚丙烯腈原丝品质很好 ,1 000m 原丝的疵 点为 0. 6 个 。
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的小丝束碳纤维生产两大类 ,其中大丝束碳纤维是 指每束碳纤维的根数 ≥46 000~48 000 根 ,这种碳 纤维的生产对原丝要求较低 ,产品成本低 ,适用一 般民用工业领域 。而每束 1 000 根 ( 1 K) 、3 000 (3 K) 根 、6 000 ( 6 K) 根 、12 000 ( 12 K) 根 、24 000 (24 K) 根的碳纤维称为小丝束碳纤维 ,它的生产追 求高性能化 ,代表世界碳纤维发展的先进水平 。日 本东丽公司在世界高性能碳纤维研究发展中处于 领先地位 ,该公司开发成功的 T1000 的拉伸强度 为 7. 02 GPa ,比 T300 翻了一番 ,是目前世界上强 度最高的碳纤维 。但碳纤维实际产品的抗拉强度 与理论强度相比还有很大的差距 ,强度的进一步提 高仍有很大的余地和潜力 。随着东丽公司每一个 碳纤维新品牌的推出 ,碳纤维的性能都有所提高 , 碳纤维的高强化是世界碳纤维发展的第一个特点 。 第二个特点是大丝束碳纤维的迅猛发展 ,年增长率 在 20 %以上 。原因如下 :1) 对于民用工业来说 ,小 丝束碳纤维的高价格限制了它的应用 ,需开发价格 较低的大丝束碳纤维 。同时 ,大丝束碳纤维的性能 也满足一般民用工业的需求 ,性能价格比占有一定 的优势 ;2) 大丝束原丝易于购买 。而高性能的小 丝束原丝被少数几个公司垄断 ,高价也难买 ;3) 可 用聚丙烯腈纤维作为制备碳纤维的前驱体进行大 量生产 ,成本较低 。第三个特点是碳纤维在民用工 业中的用量急增 。从表 2 可以看出 (括号内数值为 占年用量的百分数) :随着碳纤维产量的增加和价 格的下降 ,增幅最快的是民用工业 。新的应用领域 主要是土木建筑和基础设施如在抗震修复和增强 措施方面 ,采用碳纤维取代加强筋是一重大突破 ; 能源交通和运输工具方面主要用于制作汽车压缩 天然气缸 ,其在欧美日用量急增 ;另外在环保和农 业方面的应用正显示出增长势头 。
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聚丙烯腈基碳纤维及其应用
刘国昌 ,徐淑琼
(临沂师范学院 , 山东 临沂 276005)
摘 要 :聚丙烯腈 ( PAN) 基碳纤维 ( CF) 具有优异的综合性能 ,在市场竞争中处于优势 。本文 着重介绍聚丙烯腈 ( PAN) 基碳纤维的新工艺 、新发展和新应用 。 关键词 :聚丙烯腈 ;碳纤维 ;发展 ;应用 中图分类号 : TQ32518 文献标识码 :A 文章编号 :167125276(2004) 0420041203
PAN Based Carbon Fibre and its Application L IU Guo2chang ,XU Shu2qiong
(Linyi Normal College , SD Linyi 276005 , China) Abstract :PAN based carbon fiber has occupied dominant position in competitive market for it s excellent prop2 erties. New process , development and application in carbon fiber are emphasized in t his paper. Key words :PAN ; carbon fiber ; development ; application