高性能碳纤维的性能及其应用_张新元

科技进展

高性能碳纤维的性能及其应用

张新元　何碧霞　李建利　张　元

(陕西省纺织科学研究所)

摘要:　探讨高性能碳纤维的性能及其应用领域。介绍了碳纤维的分类、制备、性能特征、应用以及国内

外产业发展状况,分析了国际碳纤维产业的情况和我国碳纤维产业的现状及发展趋势。碳纤维应用涉及航空航天、体育运动、一般制造业、土木建筑、能源开发等领域。随着科技的发展和碳纤维应用技术的不断完善,碳纤维产业的发展空间必将越来越广。

关键词:　碳纤维;强度;比电阻;结晶度;聚丙烯腈;碳纤维机织物

中图分类号:

T S 102.52+7.2 文献标志码:A 文章编号:1001-7415(2011)04-0065-04P r o p e r t y a n dA p p l i c a t i o no f H i g h -p e r f o r m a n c e C a r b o n F i b e r

Z h a n g X i n y u a n H e B i x i a L i J i a n l i Z h a n g Y u a n

(S h a a n x i T e x t i l e S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y I n s t i t u t e )

A b s t r a c t H i g h -p e r f o r m a n c e c a r b o nf i b e r p r o p e r t ya n d a p p l i c a t i o nw e r e d i s c u s s e d .C l a s s i f i c a t i o na n dm a n u f a c t u r e o f c a r b o nf i b e r w e r ei n t r o d u c e d ,c a r b o n f i b e r p r o p e r t y ,a p p l i c a t i o n ,d e v e l o p m e n t a t h o m ea n da b r o a dw e r e i n t r o d u c e d a s w e l l a s .T h e a p p l i c a t i o nf i e l di n c l u d e s a e r o s p a c ef i e l d ,s p o r t sf i e l d ,g e n e r a l m a n u f a c t u r i n gf i e l d ,c i v i l c o n s t r u c t i o nf i e l d a n d e n e r g y d e v e l o p m e n t f i e l de t a l .I n t e r n a t i o n a l c a r b o nf i b e r i n d u s t r y s i t u a t i o n ,c u r r e n t s i t u a t i o n a n d d e v e l o p m e n t t r e n d o f d o m e s t i cc a r b o nf i b e r i n d u s t r y w e r e a n a l y s e d .c a r b o nf i b e r i n d u s t r y d e v e l o p m e n t w o u l db e m o r ea n dm o r ew i d e l y a s t h e d e v e l o p m e n t o f t e c h n o l o g y a n d t h e p e r f e c t i o no f c a r b o nf i b e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y .

K e yWo r d s C a r b o nF i b e r ,S t r e n g t h ,S p e c i f i c R e s i s t a n c e ,C r y s t a l l i n i t y ,P o l y a c r y l o n i t r i l e ,C a r b o n F i b e r W o v e nF a b r i c

高性能纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐气候、耐化学试剂等特性,是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。高性能纤维品种较多,目前已规模化生产的有碳纤维、芳纶纤

维等,既可作为结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用,是性能优越的战略性新型材料。

目前,高性能纤维中碳纤维是大规模生产的一个品种,具有较高的比强度、比模量和较小的体积质量。碳纤维既具有碳材料的固有特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,具有优异的力学性能,近年来被广泛应用于航空、航天、汽车、化工、能源、交通、建筑、电子、体育运动器材等领域。

1　碳纤维的制备及分类

碳纤维的制备目前是采用一些含碳的有机纤维(如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等)做原料,将有机

作者简介:张新元(1962-),男,高级工程师,西安,710038

收稿日期:2010-12-23

纤维与塑料树脂结合在一起,放在稀有气体的环境中,在一定张力、温度、压强下,经过一定时间的

预氧化、碳化和石墨化处理等强热过程制成。碳纤维按原丝类型可分为聚丙烯腈(P A N )基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维和酚醛基碳纤维4类。P A N 基碳纤维是目前制备碳纤维的第一大原料,其产量约占世界总产量的95%左右。沥青基碳纤维约占4%,粘胶基碳纤维约占1%,酚醛基碳纤维尚处于实验室研究,未形成产业化。

碳纤维按形态可分为长丝、短纤维和短切纤维。长丝应用在工业结构件和宇航结构件中,短纤维主要应用在建筑行业,如短碳纤维石墨低频电磁屏蔽混凝土、工业用碳纤维毡等。碳纤维按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000M P a 、模量为100G P a 左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000M P a 、模量250G P a )和高模型(模量300G P a 以上)。强度大于4000M P a 的又称为超高强型;模量大于450G P a 的称为超高模型。