碳纤维的研究与发展

碳纤维的研究与发展

0新材料。碳化碳复合材料碳纤维是含有超过90%碳的有机高纤维。通过高温分解法，有机主体纤维（丙烯、聚吡咯、粘胶丝或沥青路等）在1000.30c下风化。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碳喷孔的历史1.1聚丙烯腈基碳纤维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-fiberreinforcedplastic)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国内碳纤维生产现状及分析我国碳纤维起步于上世纪60年代末,在意识到碳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。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。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植被增强体mmcs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:(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℃加热氧化的方法;(4)碳化:在1000~2000℃范围内进行;(5)石墨化:在2000~3000℃范围内进行。经过以上五个阶段,所产生的最终纤维其基本成分都为碳,高模量碳纤维成分几乎为纯碳。2.1复合材料基材料碳纤维/聚合物复合材料,也就是通常说的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP),是目前最先进的复合材料之一,它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料,是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。这些材料在上世纪60、70年代开始应用,现在技术已经非常成熟了,如碳纤维增强环氧树脂。碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域有着大量的应用,如航天飞机的舱门、仿生机械臂以及压力容器等。随着航空技术的不断发展,民用飞机在结构中大量地使用碳纤维增强聚合物复合材料,如副翼、发动机罩、阻力板、起落架舱门等。2.2高温合金密度碳纤维/陶瓷基复合材料,与陶瓷材料相比有较好的韧性和力学性能,保持了基本原有的优异性能。比高温合金密度低,是比较理想的高温结构材料。用碳纤维增强陶瓷可以有效地改善韧性,改变陶瓷的脆性断裂形态,同时阻止裂纹在陶瓷基体中的扩展,目前国外比较成熟的碳纤维/陶瓷复合基复合材料是碳纤维增强碳化硅材料,因其良好的高温力学性能,在航空发动机、航天飞行器领域等具有广泛的应用。2.3炉内放热材料碳纤维/碳复合材料汽化温度,抗热振,摩擦性能好,已用于制作刹车片、汽车和赛车制动系统、高温模具、高温真空炉内衬材料。碳纤维/碳复合材料作为烧蚀材料早在20世纪70年代就被用于洲际导弹头的端头帽。碳纤维/碳复合材料也是用做高温输送装置、核反应堆零件、电触头、热密封垫和轴承的优良材料。由于碳/碳复合材料与人体组织生理上相容,弹性模量和密度可以设计得与人骨相近,并且强度高,因此,可以做人工骨头,如接断骨、作膝关节和髋关节等。2.4纤维增强铝基复合材料碳纤维增强金属基复合材料是以碳为增强体,金属为基体的复合材料。碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比,具有高的比强度和比模量;与陶瓷材料相比具有高的韧性和耐冲击性能。金属一般采用铝、镁、镍、钛及其合金。其中碳纤维增强铝基复合材料技术比较成熟,是应用最广的一种复合材料。下面以它为例来说明碳纤维/金属基复合材料的特性。碳纤维铝基复合材料是一种较理想的轻质高强复合材料。具有很高的高温强度和弹性模量、良好的耐磨性、导电导热性和高温稳定性。其密度小于铝合金,弹性模量却比铝合金高2~4倍,在制造铝基复合材料通常并不是用纯铝而是用各种铝合金,这主要是因为,与纯铝相比,铝合金具有更好的综合性能。碳纤维/铝基复合材料广泛地应用于飞机、导弹构件、汽车发动机零件、滑动部件等。比如含有碳纤维的铝基复合材料由于轴向刚度好、密度低及超低轴向热膨胀,被用于的哈勃太空望远镜上,比原来铝基树脂复合材料的设计重量减少了。表3为碳纤维增强铝基复合材料的力学性能。3碳复合材料的研究可以说,碳纤维的发展已经带动了整个世界的发展。碳纤维作为一种重要的材料已在科技进步的征程中留下深深的脚印,它还将继续散发它的光芒。碳纤维复合材料还有许多地方需