材料之王——世纪之交的碳纤维

1、材料之王世纪之交的碳纤维主要内容p碳纤维简介p极其重要的军用战略材料p碳纤维在支柱产业中的广泛p 应用pPAN碳纤维发展研究情况碳纤维简介 碳纤维是由90%以上的碳元素组成的纤维。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，具有很高的抗拉强度，它的强度约为钢的四倍，密度为钢的四分之一。同时具有耐高温、尺寸稳定、导电性好等其他优良性能。碳纤维碳纤维(carbon fiber)的分类的分类（1 1）v 按原料分 粘胶基碳纤维 （Rayon基CF） 聚丙烯腈基碳纤维 （PAN基CF） 沥青基碳纤维 （Pitch基CF） 碳纤维的分类碳纤维的分类（2 2）v 按

2、力学性能分 通用级通用级(GP):T-300 3.5GPa 高性能级高性能级(HP) 高强(HS):T-1000 7.0GPa 高模(HM) 高强高模(HSHM) 国外研究现状与发展趋势T-1000强度；强度；7.06GPa模量：模量：300 GPa对我国实行严密禁运、技术封锁！对我国实行严密禁运、技术封锁！近年来重大突破近年来重大突破我国碳纤维状况同步开始关键技术没有突破性进展 没有优质原丝 T-300 不能稳定生产 T-700 达不到 远不能满足国防及国民经济需要迫切需要解决的两大问题：减小离散系数，提高强度严重涉及国家安危！严重涉及国家安危！“碳纤维一定要立足国内！”科技部863碳纤维专

3、项攻关 pT-300级碳纤维及原丝中试稳定化研究pT-300级碳纤维及原丝百吨级建设pT-700碳纤维及原丝关键技术的研究973高性能碳纤维用聚丙烯腈原丝的结构优化及控制极其重要的军用战略材料碳纤维的主要性能碳纤维的主要性能p高比强度、高比模量高比强度、高比模量p耐高温，使用温度耐高温，使用温度20002000。在。在3000 3000 非氧化气氛中非氧化气氛中不融不软不融不软p耐强酸、强碱及强有机溶剂的浸蚀耐强酸、强碱及强有机溶剂的浸蚀p热膨胀系数小，约等于零热膨胀系数小，约等于零p热导率高，约为热导率高，约为1010140W/(m140W/(m 。K)K)p摩擦系数小摩擦系数小, ,有自润

4、滑作用。有自润滑作用。p导电性好导电性好碳纤维战术导弹起飞碳纤维战术导弹起飞碳纤维低空隐型飞机碳纤维低空隐型飞机2022-6-26dhu杀手锏武器发射英姿先进歼击机CF雷达天线罩碳纤维制卫星天线空间工作站碳纤维在支柱产业中的广泛应用支柱产业中的广泛应用p新型建材p汽车工业p能源p飞机建筑材料中的广泛应用p加固修复材料p钢筋代用材料p型材p混凝土增强材料p斜拉、悬索桥钢索代用材料碳纤维增强混凝土高碳纤维增强混凝土高楼楼沿海城市建筑高架桥碳纤维补强高架桥碳纤维补强碳纤维补强片材施工流程图碳纤维补强片材施工流程图CF片材加固的技术特点p补强效果同钢材，自身荷重轻 。p可按结构形状自由剪裁。p不生锈，

5、对海岛型气候尤其适合。p容易设计，施工简便。p与混凝土粘合紧密，粘结强度高。p有超强的防水效果。p比钢材加固综合成本下降20%左右。CF补强片材的经济效益p 仅按台湾的使用量来推算我国至少需要 CF 10000吨/年 35亿元/年 CF片材 50亿元/年 修补建筑物 100亿元/年p美国决定将国内高速公路待修的桥梁（40%左右）全部用CF片材修补加固， 耗资1600亿美元。p日本也打算将建成三十年的桥梁全部用CF片材加固一遍。ELAN碳纤维全外壳轿车碳纤维全外壳轿车碳纤维汽车弹簧片碳纤维汽车弹簧片美国PNGV十年计划为解决能源危机的需要BTM当量的规定:(每立升汽油行程数)2002年 26KM

6、/1L汽油2004年 34KM/1L汽油2011年 42.5KM/1L汽油为解决环保问题需要国内空气中CO 57.5%NO化合物 29.8%挥发性有机物 27.2%CO2 23.8% 全部来自高速公路的 车辆 参加攻关单位:国家实验室5家、汽车制造商3家、供应公司50多家，大学15家。目标：减重的同时，还要保持性能、舒适、安全、价格和重新回用性等综合指标。CF在典型汽车中的潜在用途结构设计1997年质量（Kg）潜在减重（Kg）最终总质量（Kg）40%CF质量（Kg）普通钢板、管、棒、条641.4404.5236.994.8高强、中强纲134.368.266.126.4合 计775.7472.7

7、303.0121.2 目前世界碳纤维总产量约2.3万吨/年，现北美地区汽车产量约1800万辆，按每辆车CF用量4.54 Kg /年计，CF总需求量约为8.1万吨/年，按上表CF需求量计，CF总需求量约为210万吨/年。汽车工业是未来碳纤维的最大市场。碳纤维风力发电机碳纤维风力发电机安装在汽车上的安装在汽车上的碳纤维碳纤维CNG储气瓶储气瓶汽车CFCNG瓶CF在能源领域的应用（1）p海底油田平台（海底升降机、石油管道）海底油田CF需要量（单位吨/年）2003年2005年2010年150017503500CF在能源领域的应用（2）p汽车用压缩天然气瓶（CNG）n环保:天然气替代柴油可以消除汽车排气

8、中的NOX、SOX等致癌物质，少排放CO2 26%。n减重:比钢瓶轻4倍以上能源问题概况p世界风能潜力超过50000Gkwh，而目前实际利用率不到1/2500。但是并网风电机容量的增长速度为20%-30%，成为当今世界发展最快的能源。并且代表了21世纪能源发展的方向可再生能源。p预测2020年风电机的装机容量可达120Gkwh，可占世界总耗电量的10%。可以减少100亿吨大气中CO2的排放。p我国能源主要依靠燃料，但是我国石油短缺日益严重，1/3的石油依靠进口。预计2010年将短缺1亿吨石油。但是风能利用却极小。CF在能源领域的应用（3）p大型风力发电机叶片 优点如下： 1，比重小，有最佳的疲

9、劳强度和机械性能，能承受恶劣的气候条件，安全运转十年以上。 2，成本低，仅为总机成本的1/3。 3，耐腐蚀、紫外线照射和雷击性能好。 4，容易维护，费用低。 美国南达可他州等两个州投资20亿美元，建立了1120MW 风电功率，2002年年收入可达3000亿美元。我国北京康庄已经投资20亿人民币兴建了200座风力发电机。CF天然气钢瓶经济效益天然气钢瓶经济效益按各省均建一个按各省均建一个50000只只/年年规模的规模的CNG储气瓶厂计储气瓶厂计pCF用量用量 20000吨吨/年年 70亿元亿元/年年p储气瓶储气瓶 140亿元亿元/年年 CF 风力发电机经济效益风力发电机经济效益按西北按西北5省每

10、年各产省每年各产10台计台计pCF用量用量 6800吨吨/年年 23.8亿元亿元/年年p风力发电机风力发电机 100亿元亿元/年年碳纤维在飞机上的应用碳纤维在飞机上的应用CF客机CF客机CF制轻质机驾驶舱及机舱制轻质机驾驶舱及机舱CF在民用客机上的应用p二次结构件 辅翼 方向舵 升降舵p一次结构件 主翼 尾翼 机体2003年2005年2010年2109801650民用客机CF需要量（单位吨/年）碳纤维制高级网球拍碳纤维制高级网球拍碳纤维制高尔夫球杆碳纤维制高尔夫球杆碳纤维比赛帆船碳纤维比赛帆船全碳纤维自行车全碳纤维自行车碳纤维制赛艇及吉他碳纤维制赛艇及吉他碳纤维高尔夫球杆及保龄球碳纤维高尔夫球

11、杆及保龄球碳纤维制唱片及滑雪杆碳纤维制唱片及滑雪杆PAN碳纤维发展研究概况国内军、民用PANCF市场需求量预测单位（T/Y） 需求量 （T/Y ）年 份需 求 领 域宇航航空体育用品渔具工业休闲用品土木建筑压力容器其他工业总计2001年603119991641534004021272002年6933611191842306008026182003年79363125320634580012031662004年913921404238518100016038032005年105423157326777712002004545差距产生的技术原因流程长，要求严，涉及面广，难度大任务紧，基础研究得不到重

12、视技术封锁，信息来源少忽视原丝，缺乏创新原丝是“瓶颈”p“先天不足，后天难补” 好木材出好炭，好原丝出好碳丝p事实证明 高性能碳纤维的突破口原丝碳纤维强度的影响因素缺陷裂纹结晶部分应变应变无定形部分无定形部分聚丙烯腈单元晶格聚丙烯腈单元晶格a. a. 石墨晶体结构石墨晶体结构 b. b. 乱层石墨结构乱层石墨结构碳纤维晶体结构石墨晶体理论强度石墨晶体理论强度 184GPa碳纤维中的缺陷碳纤维实际强度碳纤维实际强度 7GPa 原料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆浆成品加工成品加工碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维成纤聚合物链结构

13、成纤聚合物链结构分子量及其分布分子量及其分布共聚单体结构共聚单体结构共单体含量共单体含量立构规整性立构规整性畸变结构单元畸变结构单元预氧丝结构与性能预氧丝结构与性能可纺性可纺性预氧化预氧化链结构的均匀性链结构的均匀性原丝结构原丝结构(凝聚态凝聚态)原料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆浆成品加工成品加工碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维原料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆浆成品加工成品加工碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维丙烯腈均聚物不适于制备炭纤维原丝丙烯腈均

14、聚物不适于制备炭纤维原丝 高度结晶高度结晶 溶解性不好、可纺性较差溶解性不好、可纺性较差. 预氧化时起峰温度高、放热集中预氧化时起峰温度高、放热集中(自由基机理自由基机理).解决办法解决办法:引入结构缺陷引入结构缺陷 破坏结晶破坏结晶/改善溶解性改善溶解性 . 共聚合共聚合( % 共单体共单体)引入共聚单体的作用引入共聚单体的作用 增加聚合物的溶解性和可纺性增加聚合物的溶解性和可纺性 改变环化机理改变环化机理( (自由基自由基离子机理离子机理) ) 降低环化温度、放热峰变宽降低环化温度、放热峰变宽 可能引入更多的无机杂质和有机杂质可能引入更多的无机杂质和有机杂质 降低原丝的结构规整性和结晶度降

15、低原丝的结构规整性和结晶度 增加大分子链结构的不均匀性增加大分子链结构的不均匀性分子量及其分布分子量及其分布流变学流变学/ /可纺性可纺性原丝结构与性能原丝结构与性能分子量升高：可纺性降低分子量升高：可纺性降低. . 原丝强度增大原丝强度增大. .分子量分布加宽：分子量分布加宽：可纺性增加？可纺性增加？ 原丝强度降低？原丝强度降低？ 什么样的分子量及其分布是合适？什么样的分子量及其分布是合适？ 如何控制成纤维聚合物的分子量及其分布？如何控制成纤维聚合物的分子量及其分布？链结构可纺性外在缺陷链结构预氧化、碳化内在缺陷(2) 什么样的共聚单体最好？什么样的共聚单体最好？ 其用量多少最合适？其用量多

16、少最合适？共聚单体结构共聚单体结构酸性单体酸性单体: IA/AA中性单体中性单体: MMA/BA碱性单体碱性单体: AM改善预氧化过程改善预氧化过程. .1)1)改善可纺性改善可纺性. .2)2)提高氧扩散能力提高氧扩散能力 改善预氧化过程改善预氧化过程. .改善可纺性改善可纺性. .原料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆浆成品加工成品加工碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维原料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆浆成品加工成品加工碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维原

17、料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆浆成品加工成品加工碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维原料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆浆成品加工成品加工碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维原料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆浆成品加工成品加工碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维原料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆浆成品加工成品加工碳纤维

18、碳纤维石墨纤维石墨纤维原料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆浆成品加工成品加工碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维原料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆浆成品加工成品加工碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维原料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆浆成品加工成品加工碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维原料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆

19、浆成品加工成品加工碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维原料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆浆成品加工成品加工碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维原料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆浆成品加工成品加工碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维原料单体原料单体聚合聚合纺丝纺丝预氧化预氧化炭炭 化化石墨化石墨化原丝原丝预氧丝预氧丝表面处理表面处理上上 浆浆成品加工成品加工碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维 丙烯腈系成纤聚丙烯腈系成纤聚合物的设计与控合物的设计与控制合成制合成化学组成与序化学

20、组成与序列结构可控的列结构可控的丙烯腈系成纤丙烯腈系成纤聚合物的合成聚合物的合成分子量及其分布分子量及其分布可调控的丙烯腈可调控的丙烯腈系成纤聚合物的系成纤聚合物的合成合成立构规整性的丙立构规整性的丙烯腈系成纤共聚烯腈系成纤共聚物的合成探索物的合成探索新共聚单体、新新共聚单体、新引发体系、新反引发体系、新反应介质的探索应介质的探索链结构与纺丝原链结构与纺丝原液的流变性、可液的流变性、可纺性之间的关系纺性之间的关系关键科学问题之关键科学问题之 1 高性能原丝结构高性能原丝结构形态的形成机制形态的形成机制与控制与控制大分子缠结及大分子缠结及解缠的新理论解缠的新理论探讨及分子动探讨及分子动力学模型力

21、学模型原液在复杂流场中原液在复杂流场中流变行为及拉伸对流变行为及拉伸对超分子结构影响超分子结构影响凝固过程双扩散凝固过程双扩散动力学动力学初生纤维拉伸变初生纤维拉伸变形机理形机理纤维结晶与取向纤维结晶与取向的微细结构的微细结构关键科学问题之关键科学问题之 2 原丝与碳纤维结原丝与碳纤维结构性能的相关性构性能的相关性外场下聚丙烯腈外场下聚丙烯腈纤维凝聚态结构纤维凝聚态结构转变的机制转变的机制聚丙烯腈大分子聚丙烯腈大分子链结构与热氧稳链结构与热氧稳定化的关系定化的关系原丝结构转化过原丝结构转化过程中缺陷的程中缺陷的“遗遗传传”及演变及演变热氧稳定化中热氧稳定化中原丝形态结构原丝形态结构的转化机制的转化机制原丝中微量金原丝中微量金属等杂质及分属等杂质及分布的研究布的研究聚丙烯腈纤维射聚丙烯腈纤维射频等离子法预氧频等离子法预氧化碳化机制化碳化机制关键科学问题关键科学问题 之之3 关键科学问题关键科学问题4聚丙烯聚丙烯腈碳纤维及其原丝中缺