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化工新材料篇|碳纤维

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-05-05  浏览次数:591
核心提示:随着基础科学领域的发展,各种电影里看似科幻的东西都逐步走入我们的生活。无论是载着阿汤哥做各种炫酷飘逸的宝马车,还是刀枪不
 随着基础科学领域的发展,各种电影里看似科幻的东西都逐步走入我们的生活。无论是载着“阿汤哥”做各种炫酷飘逸的宝马车,还是刀枪不入的“蝙蝠衣”,碳纤维的出现,使这些幻想统统变为了现实。重量轻、刚度强、抗弯能力突出这些特点让碳纤维一经出现就在各领域获得了广泛应用。无论是生产生活,还是航天基建,碳纤维与我们的生活密不可分。有人预计2016年将会是碳纤维材料发展元年。为什么碳纤维材料具有如此大的影响力呢?

化工新材料篇|碳纤维

1、什么是碳纤维

碳纤维(carbonfiber 简称CF),是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。

2、碳纤维的性能

碳纤维具有许多优良性能,碳纤维的轴向强度和模量高,密度低、比性能高,无蠕变,非氧化环境下耐超高温,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小且具有各向异性,耐腐蚀性好,X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。

碳纤维与传统的玻璃纤维相比,杨氏模量是其3倍多;它与凯夫拉纤维相比,杨氏模量是其2倍左右,在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性突出。

化工新材料篇|碳纤维

3、碳纤维的组成结构

碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的微观结构类似人造石墨,是乱层石墨结构。碳纤维各层面间的间距约为3.39到3.42A,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。

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。

当孔隙率低于某个临界值时,孔隙率对碳纤维复合材料的层间剪切强度、弯曲强度和拉伸强度无明显的影响。有些研究指出,引起材料力学性能下降的临界孔隙率是1%-4%。孔隙体积含量在0-4%范围内时,孔隙体积含量每增加1%,层间剪切强度大约降低7%。通过对碳纤维环氧树脂和碳纤维双马来亚胺树脂层压板的研究看出,当孔隙率超过0.9%时,层间剪切强度开始下降。由试验得知,孔隙主要分布在纤维束之间和层间界面处。并且孔隙含量越高,孔隙的尺寸越大,并显著降低了层合板中层间界面的面积。当材料受力时,易沿层间破坏,这也是层间剪切强度对孔隙相对敏感的原因。另外孔隙处是应力集中区,承载能力弱,当受力时,孔隙扩大形成长裂纹,从而遭到破坏。

即使两种具有相同孔隙率的层压板(在同一养护周期运用不同的预浸方法和制造方式),它们也表现处完全不同的力学行为。力学性能随孔隙率的增加而下降的具体数值不同,表现为孔隙率对力学性能的影响离散性大且重复性差。由于包含大量可变因素,孔隙对复合材料层压板力学性能的影响是个很复杂的问题。这些因素包含:孔隙的形状、尺寸、位置;纤维、基体和界面的力学性能;静态或者动态的荷载。

相对于孔隙率和孔隙长宽比,孔隙尺寸、分布对力学性能的影响更大些。并发现大的孔隙(面积>0.03mm2)对力学性能有不利影响,这归因于孔隙对层间富胶区的裂纹扩展的产生影响。

4、碳纤维的类别

碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维.

按性能可分为通用型、高强型、中模高强型、高模型和超高模型碳纤维;按状态分为长丝、短纤维和短切纤维。

按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕、模量为100G帕左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000兆帕、模量250G帕)和高模型(模量300G帕以上)。强度大于4000兆帕的又称为超高强型;模量大于450G帕的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展,还出现了高强高伸型碳纤维,其延伸率大于2%。

用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维,市场上90%以上碳纤维以PAN基碳纤维为主。由于碳纤维神秘的面纱尚未完全揭开,人们还不能直接用碳或石墨来制取,只能采用一些含碳的有机纤维(如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等)为原料,将有机纤维与塑料树脂结合在一起炭化制得碳纤维。

PAN基碳纤维的生产工艺主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程:首先通过丙烯腈聚合和纺纱等一系列工艺加工成被称为“母体“的聚丙烯腈纤维或原丝,将这些原丝放入氧化炉中在200到300℃进行氧化,还要在碳化炉中,在温度为1000到2000℃下进行碳化等工序制成碳纤维。

碳纤维按产品规格的不同被划分为宇航级和工业级两类,亦称为小丝束和大丝束。通常把48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维,包括360K和480K等。宇航级碳纤维初期以3K为主,逐渐发展为12K和24K,主要应用于国防军工和高技术,以及体育休闲用品,像飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、球杆球拍等。工业级碳纤维应用于不同民用工业,包括:纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。

化工新材料篇|碳纤维

5、碳纤维的广泛用途

由于碳纤维复合材料密度低、刚性好合强度高,成为一种先进的航天材料。我国对碳/碳烧蚀材料相关的科技问题进行了深入地研究,其研究成果已在导弹发射管、固体火箭发动机壳体、卫星和飞船上等得到应用。

5.1 飞机和汽车制造

碳纤维作为汽车材料,最大的优点是质量轻、强度大,重量仅相当于钢材的20%~30%,硬度却是钢材的10倍以上。美国波音公司推出新一代高速宽体客机—“音速巡洋舰”,约60 %的结构部件都将采用强化碳纤维塑料复合材料制成。

我国自行研制的碳纤维复合材料刹车预制件,其性能已全面达到国外水平。采用这一预制件技术所制备的的国产碳/碳刹车盘已批量装备于国防重点型号的军用飞机,并在B757-200型民航飞机上使用,在其它机型上的使用也在实验考核中,并将向坦克、高速列车、高级轿车、赛车等推广使用。

化工新材料篇|碳纤维

5.2 体育休闲用品

体育应用中的三项重要应用为高尔夫球棒、钓鱼杆和网球拍框架。目前,据估计每年的高尔夫球棒的产量为3400万副。全世界碳纤维钓鱼杆的产量约为每年2000万副。网球拍框架的市场容量约为每年600万副,其它的体育项目应用还包括冰球棍、滑雪杖、射箭和自行车,同时,碳纤维还应用在划船、赛艇、冲浪和其它的海洋运动项目中。

化工新材料篇|碳纤维

5.3 风力发电机叶片

如今,世界上风力发电机组的发电机额定功率越来越大,与其相适应的风机叶片尺寸也越来越大。为了减少叶片的变形,在主乘力件如轴承和叶片的某些部位采用碳纤维来补充其刚度。

化工新材料篇|碳纤维

5.4 碳纤维加固建筑结构

我国从1997年开始从国外引进碳纤维复合材料加固混凝土结构技术,并开始进行相关研究。由于其巨大的技术优势,近几年,上海悍马建筑科技有限公司联合清华、同济、复旦等国内高校相关学者、教授开展了此项研究工作,并取得了一批接近国际先进水平的研究成果。由于我国具有世界上最为巨大的土木建筑市场,碳纤维加固材料基本都使用上海悍马的。如:东方明珠、苹果(上海)研发中心、上海环球国际中心、白云机场、上海世博园等。

化工新材料篇|碳纤维

5.5 其他应用

在铁路建筑中,大型的顶部系统和隔音墙在未来会有很好的应用,这些也将是碳纤维很有前景的应用方面。压力容器主要用在汽车的压缩天然气(CNG)罐上,而且还用在救火队员的固定式呼吸器(SCBA)上。

碳纤维的其它应用包括机器部件、家用电器、微机及与半导体相关的设备的复合材料的生产,可以用来起到加强、防静电和电磁波防护的作用。另外,在X射线仪器市场上,碳纤维的应用可以减少人体在X 射线下的暴露。

6、碳纤维的发展前景

6.1 国外

世界碳纤维产量达到每年4万吨以上,全世界主要是日本美国德国以及韩国等少数国家掌握了碳纤维生产的核心技术,并且有规模化大生产。

当前,全球碳纤维核心技术被牢牢掌控在少数发达国家手中。一方面,以美日为首的发达国家始终保持着对中国碳纤维行业严格的技术封锁;另一方面,国外碳纤维行业领先企业开始进入中国市场,中国本土碳纤维企业的压力大增。虽然中国加大了对碳纤维行业的引导和扶持力度,但在较大的技术差距下,国产碳纤维的突围之路仍然坎坷。

6.2 中国

中国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代,80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢,但也取得了一定成绩。进入21世纪以来发展较快,安徽率先引进了500吨每年原丝、200吨每年PAN基碳纤维,使中国碳纤维工业进入了产业化。随后一些地方相继加入碳纤维生产行列。

从2000年开始中国碳纤维向技术多元化发展,放弃了原来的硝酸法原丝制造技术,采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。利用自主技术研制的少数国产T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。随着中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。2005年全球碳纤维市场仅为9亿美元,而2013年达到100亿美元,预计到2022年有望达到400亿美元,碳纤维复合材料的应用也将进入全新的时代。中国碳纤维产业化采取自主开发和引进相结合的道路,到“十一五“末期基本实现了相当于日本T300的国产碳纤维规模生产线,并且有一些企业已形成了T700以上水平的百吨生产线。

2011年中国碳纤维市场规模达到6811吨,然而,受供应不足的影响,国内碳纤维市场发展相对较为缓慢,预计未来几年,随着供应量的提升,中国碳纤维行业的需求量也将保持着较快速度的增长。

碳纤维产品在高端领域的应用。有数据显示,中国碳纤维产品在应用上集中于低端领域,在碳纤维质量要求较高的航空航天领域的应用比例仅为3%,远远没达到国际上碳纤维行业在航空航天领域应用占比的平均水平;而在质量要求相对较低的运动休闲用品领域,碳纤维的应用比例却高达80%左右,四倍于国际上碳纤维在运动休闲用品领域应用的平均水平。但国产碳纤维落后的技术却制约着中国碳纤维行业健康稳健发展。

中国高性能碳纤维都依赖进口,日本的碳纤维产量更是占全球市场份额的60%。2016年2月15日,中国突破日本管制封锁研制出高性能碳纤维。

 
 
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