碳纖維的性能與應(yīng)用_儲(chǔ)長(zhǎng)流

1、收稿日期 :2001-05-08:( 男 , , 碳纖維的性能與應(yīng)用儲(chǔ)長(zhǎng)流 朱 寧(西安工程科技學(xué)院 西安 710048摘要 系統(tǒng)的介紹了碳纖維的性能及其廣泛的用途 , 重點(diǎn)說明了碳纖維的高強(qiáng) 度及其復(fù)合材料 (CFRP , 并涉及到碳纖維應(yīng)用的新領(lǐng)域 , 如針刺碳纖維氈用剎車制 動(dòng)片 , 碳纖維面狀發(fā)熱板的遠(yuǎn)紅外保健功能 。關(guān)鍵詞 :碳纖維 ; 碳纖維復(fù)合材料 (CFRP ; 基體 ; 活性碳纖維文章編號(hào) :1002-3348(2001 06-0039-03目前 , 碳纖維及其產(chǎn)品所具有的獨(dú)特性 能和功能而成為最重要的增強(qiáng)材料之一 , 碳 纖維復(fù)合材料 (CFRP 已廣泛應(yīng)用于航空航 天 ,

2、 國(guó)防軍事 , 汽車制造 , 運(yùn)動(dòng)器械 , 建筑材料 及其它領(lǐng)域 ; 同時(shí)碳纖維工業(yè)的不斷發(fā)展 , 以 及碳纖維大絲束化 (LI 進(jìn)程的日益加快 , 有 利于其生產(chǎn)成本的降低 , 以滿足一般工業(yè)產(chǎn) 品的更新?lián)Q代 , 以及碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一 步拓 寬。本 文 擬 從 以 下 幾 個(gè) 方 面 加 以 闡 述 :1 碳纖維的高強(qiáng)度 (27GPa能代表當(dāng)今世界水平的是日本東麗公司 生 產(chǎn) 的聚 丙烯 腈 基 (PAN 碳 纖維 , 該 公司 1970年 產(chǎn) 的 T300抗 拉 強(qiáng) 度 為 310GPa (29187cN/dtex , 而 目前 T300的 強(qiáng)度 已提 高到 3156GPa 已成為通用

3、級(jí)碳纖維 , T 1000的抗拉強(qiáng)度是 T300的 近 2倍 , 實(shí)驗(yàn)中的數(shù) 據(jù)已達(dá)到 8105GPa, 而傳統(tǒng)的金屬纖維的強(qiáng) 度為 21563197cN/dtex 。 截止目 前 , 采用 高壓氫氣條件碳弧放電所制得的石墨晶須 , 抗拉強(qiáng)度為 21GPa, 它是目前纖維強(qiáng)度最高 者 , 而石墨晶須理論強(qiáng)度達(dá)到 180GPa, 抗拉強(qiáng)度最 好的 T 1000僅 是理 論值 的 319%4176%。根據(jù)經(jīng)典的 Griffith 脆性理論和脆 性材料的最弱連接理論 , 碳纖維屬于脆性材 料 , 影響其強(qiáng)度的主要因素有原絲的高密化 和致密化程度 , 生產(chǎn)環(huán)境的清潔程度 , 生產(chǎn)工 藝 , 纖維細(xì)纖度

4、 化程度以 及細(xì)晶化 程度等。 因此 , 高強(qiáng)碳纖維應(yīng)該向細(xì)旦化 , 均質(zhì)化 (主 要是徑向結(jié)構(gòu) 以及表面 無瑕化 (無表面缺 陷 方向發(fā)展。2 碳纖維的其它主要性能211 密度小 , 質(zhì)量輕。碳纖維的密度主要取 決于其碳化溫度 , PAN 基碳纖維在 1000e 處 理后密度為 117g/cm 3, 經(jīng) 2300e 以上溫度處 理 , 密度一般為 210211g/cm 3, 而 E 型玻璃 纖維的密度 為 2155g /cm 3, 金 屬鋼纖維的密 度高達(dá) 7180g/cm 3。212 模 量高 (200700GPa , 剛性好 , 耐疲 勞 , 具有自潤(rùn)滑性 , 磨擦系數(shù)小 , 耐磨性能好

5、。 高模量碳纖維也叫石墨纖維 (GRF , 含碳量 一般在 92%96%之 間 , PAN 基 石墨纖維 M70J 的模量為理論值 (1020Gpa 的 6717%, 最近日本三 菱公 司產(chǎn) 的 K13C20的模 量達(dá)#39#北京紡織 第 22卷 第 6期900GPa, 為理論值的 8812%, 石墨纖維的模 量仍在 不斷 提 高。試 驗(yàn) 表明 , 在銅 中 混入 25%的碳纖維可使其磨擦率降低到原來的 l/100, 而加在塑料制品中 , 其磨擦率可望降低 到原來的 1/1000。213 熱導(dǎo)性 好 (10160Wm -1K -1 , 不蓄 熱 , 熱膨脹系數(shù)小 (-11110-6K -1,

6、尺寸 穩(wěn)定 , 尤其是在惰 性氣氛中 的耐熱性 極好。 碳纖維 的熱 導(dǎo)率隨 溫度 的上 升而 下降 , 在 1500e 時(shí)僅 為常溫時(shí) 的 15%30%。其熱 膨脹系數(shù)呈各向異性 , 平行于纖維軸向的熱 膨脹系數(shù)比垂直于纖維軸向低得多 , 這一缺 點(diǎn)使其與環(huán)氧樹脂復(fù)合而成的復(fù)合材料易于 產(chǎn)生裂紋。214 導(dǎo)電性能極好 (517L8m , 呈非磁性 , 具有屏蔽電磁波的功能 , 同時(shí)對(duì) X 射線的透 過性好。此外 , 碳纖維還具有吸能減振 , 對(duì)振 動(dòng)有優(yōu)異的衰減功能。215 耐油 , 耐酸 , 耐腐蝕性能好 , 與生物有很 好的相容性能。除了強(qiáng)氧化劑外 , 一般如濃 鹽酸 , 30%的硫酸

7、, 以及堿對(duì)其均不起作用。 碳纖維的耐腐蝕性能比玻璃纖維好。 216 軸向剪切模量較低 , 斷裂伸長(zhǎng)小 , 使耐 沖擊性差 , 并且后加工較為困難。3 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其應(yīng)用CFRP 的力學(xué)性能主要 取決于基體 (常 用環(huán)氧樹脂 的力學(xué)性能 , 碳纖維的表面性狀 以及纖維與基體鍵合界面的性質(zhì) , 而基體的 性能及纖維的表面性狀直接關(guān)系到界面的鍵 合和粘接性能 , 以下從兩個(gè)方面加以敘述 :311 基體 CFRP 常用環(huán)氧樹脂作為基體 , 它的粘接性好 , 機(jī)械性能優(yōu)異 , 但是 , 通用型 的環(huán)氧樹脂固化后 , 質(zhì)地脆硬 , 抗沖擊性能較 差 , 耐熱性不好。目前 , 較為成熟的增韌方法

8、是將固化前能和環(huán)氧樹脂相容的橡膠溶解在 樹脂里 , 固化時(shí) , 橡膠能順利析出 , 呈兩相結(jié) 構(gòu)。目前一般使用的都是 RLP 型橡膠 , 分子 量小 (100010000 , 并帶有能與環(huán)氧樹脂反 我們可以通過使環(huán)氧樹脂基體主鏈結(jié)構(gòu)含有 芳香環(huán)以及增加交聯(lián)密度等方法 , 來提高環(huán) 氧樹脂的使用溫度和熱穩(wěn)定性 , 同時(shí)改善其 與碳纖維的粘接性能。312 碳纖維的表面性狀 未經(jīng)表面處理的 碳纖維表面光滑 , 摩擦系數(shù)小 , 表面呈現(xiàn)出憎 液性 , 從 而導(dǎo)致與 基體的潤(rùn) 濕性差 , 粘結(jié)力 低 , 復(fù)合材料 的層間剪切強(qiáng)度 (ILSS , 界面 剪切強(qiáng) 度 (IFSS 均較低 , 達(dá)不到實(shí) 際要求

9、。 常用的表面處理方法有氧化和涂層處理、 電 聚合與電沉積處理、 等離子體處理等。利用 電化學(xué)氧化 (陽(yáng)極氧化 表面處理法 , 反應(yīng)緩 和 , 易于控制 , 處理效果好。經(jīng)過表面處理的 碳纖維利用有效的 掃描隧道電鏡 (STM 表 面分析技術(shù)發(fā)現(xiàn) , 其表面石墨層片邊緣較大 面積氧化 , 邊緣活性點(diǎn)數(shù)量大量增加 , 致使凹 凸不平的表面更有利于與基體的鍵合 , 復(fù)合 材料的剪切性能提高。同時(shí) , 其表面能增加 , 顯著改善了碳纖維與基體之間的潤(rùn)濕性 , 接 觸角減小 , 表面呈現(xiàn)出親液性。另外 , 經(jīng)表面 處理后 , 其表面出現(xiàn)了大量的羥基 , 羧基 , 醌 類及吡喃酮類官能團(tuán) , 提高了碳纖

10、維表面的 極性 , 增強(qiáng)起與基體之間的潤(rùn)濕性和粘接程 度。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 (CFRP 在航空航 天及國(guó)防軍事領(lǐng)域已相當(dāng)廣泛。如 CFRP 可 以用于制造人造衛(wèi)星支架 , 衛(wèi)星天線 , 航天飛 機(jī)的機(jī)翼 , 火箭的噴火口 , 戰(zhàn)略導(dǎo)彈的末級(jí)助 推器 , 機(jī)器人的外殼等。飛機(jī)要滿足質(zhì)輕 , 牢 固 , 抗強(qiáng)扭曲的要求 , 一架波音 767飛機(jī) , 其 機(jī)身傳動(dòng)裝置艙門 , 起落架艙門 , 引擎罩 , 主 翼 , 副翼頂端 , 后部平板等部件均由碳纖維及 CFRP 制成 , 總量超過 1噸。汽車制造方面 , 汽車的外殼 , 操縱桿 , 片狀彈簧等用 CFRP 制 成 , 可使汽車的總重量減輕 7

11、0%。運(yùn)動(dòng)休閑 方面 , 釣魚竿 , 網(wǎng)球拍 , 滑雪板 , 賽車 , 跳高撐 竿均由 CFRP 制成 , 性能大大增強(qiáng)。高層建 筑的框架結(jié)構(gòu)利用 CFRP 可以起到增強(qiáng) , 增 , #40#2001年 12月面 , 如自行車的梁 , 劍桿織機(jī)的劍帶 , 承受大 負(fù)荷 的 高 架 立 交 橋 的 梁 , 柱 等 均 可 利 用 CFRP 制成。4碳纖維織物的應(yīng)用411碳纖維針刺氈的應(yīng)用 最近 , 筆者受西 安某公司的委托研制開發(fā)一種能滿足高速急 剎車的高性能剎車制動(dòng)片 , 所用原料是日本 東麗公司生產(chǎn)的 PAN 基碳纖維無捻連續(xù)長(zhǎng) 絲 T 300, 其拉伸強(qiáng)度超過 3400M Pa, 拉伸模

12、量 230GPa, 伸長(zhǎng)率 115%, 密度 1175g/cm 3, 含碳量在 94%以上 , 纖維直徑介于 68L m 之間 , 支數(shù)為 6K 。其針刺氈制造工藝及要求 如下 :41111短碳纖維網(wǎng)胎的制造 將長(zhǎng)碳纖維 束短切成 6870mm 長(zhǎng)的短碳纖維束 , 然后 在成網(wǎng)機(jī)上鋪疊成網(wǎng) , 制成均勻的短碳纖維 網(wǎng)胎。41112整體針刺氈的制造 按照一層短碳 纖維網(wǎng)胎 , 一層長(zhǎng)纖維無緯布的方式替層交 疊 , 無緯布層間夾角 90b , 每鋪設(shè)一層短碳纖 維網(wǎng)胎針刺一 遍 , 針 刺密度 3mm , 針刺深 度為 1012m m, 達(dá)到整體針刺氈的各層針 刺密度 均勻 一致 , 長(zhǎng)纖 維與

13、短纖 維比 例為 75/25。整體針刺氈的體積密度保持在 0160 0163g/cm 3; 層間密 度為 1213單 元層 / cm 。制成的碳纖維針刺氈經(jīng)過試驗(yàn) , 具有高 強(qiáng)及良好的抗靜電性能 , 能滿足高速緩沖剎 車制動(dòng)要求。412碳纖維針織物的應(yīng)用 用新型導(dǎo)紗器 的針織新 工藝可以得到 碳纖維的增 強(qiáng)針織 物 , 這種針織物是由一根碳纖維長(zhǎng)絲連續(xù)織 成 , 它可以取代合股增強(qiáng)或機(jī)織物增強(qiáng)材料 的作用 , 而且針織工藝可以提供能任意成型 和成本相對(duì)低廉的產(chǎn)品。增強(qiáng)針織物不受基 體樹脂和預(yù)浸工藝的任何限制 , 均可獲得一 定穩(wěn)定性、 纖維分布永久性和一定抗拉性能 的復(fù)合材料 , 這種復(fù)合材

14、料由于增強(qiáng)材料的 組織結(jié)構(gòu)而表觀出各向異性 , 但其空間變形 料要小 , 針織織圈的立體形態(tài)更有效的防止 材料的起層現(xiàn)象。利用碳纖維針織物作增強(qiáng) 材料的缺點(diǎn)是其性能受到基體樹脂的粘合能 力、 針織物紗圈的方向以及牽伸形式和程度 等的影響。目前 , 碳纖維非織造布 , 機(jī)織物 , 三向織 物的研制開發(fā)工作正進(jìn)一步加強(qiáng) , 其產(chǎn)品的 用途也越夾越廣。413活性碳纖維布 (氈 的應(yīng)用 以粘膠纖 維基布為原料經(jīng)過化學(xué)處理烘干 , 熱處理 , 高 溫碳化和活化制成活性碳纖維布 (氈 , 具有 生產(chǎn)效率高、 質(zhì)量穩(wěn)定、 便于使用等特點(diǎn) , 其 表面積一般達(dá)到 12002000m 2/g, 吸附速度 是普通

15、顆?；钚蕴嫉?10100倍 , 脫附方便 且性能基本不變 , 便于后加工。但其強(qiáng)度很 低 , 成本較高 , 可以考慮針刺、 熱熔、 衍縫等復(fù) 合方式制成碳纖維復(fù)合制品。目前 , 活性碳 纖維布 (氈 已廣泛應(yīng)用于紡織、 環(huán)保、 交通、 化學(xué)、 電子、 醫(yī)療、 食品、 日常生活等領(lǐng)域。它 可以用于液相和氣相的吸附 , 如制造人工肝 臟和腎臟 , 水質(zhì)凈化 , 室內(nèi)空氣的凈化 , 血液 凈化器 , 防毒面具 , 汽車 過濾汽油 蒸氣裝置 等。同時(shí)還可以 用于制 作放射性 保護(hù)的服 裝 , 理 想的 催化 劑的 載體及 電子 電器 材料 等。5碳纖維在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用大家知道 , 人體是一個(gè)遠(yuǎn)紅外

16、輻射和吸 收體 , 其 有 效 的 遠(yuǎn) 紅 外 波 長(zhǎng) 范 圍 為 5 14L m 。北京化工大學(xué)的楊小 平博士等人研 制出一種新的碳纖維層壓面狀發(fā)熱材料 , 它 是將碳纖維導(dǎo)電復(fù)合紙與絕緣材料、 電極等 通過層壓成型的。在利用 5DX 型傅立葉變 換紅外光譜儀對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)紅外測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn) , 該面狀發(fā)熱板在 815L m 遠(yuǎn)紅外波段內(nèi) , 法 向發(fā)射率為 85%, 具有較高的遠(yuǎn)紅外法向發(fā) 射強(qiáng)度。因此 , 碳纖維導(dǎo)電發(fā)熱材料作為一 種有源遠(yuǎn)紅外加熱元件 , 具有輔助理療保健 作用 , 是醫(yī)療保健品可選用的新材料 , 它可以 # 41 #北京紡織 第 22卷 第 6期童、白雪公主等等極富童話情趣的

17、各種花型 圖案。在面料顏色的選擇方面 , 應(yīng)盡量選用 桃紅、淺綠、湖藍(lán)、銀灰等明麗、輕快的中 淺色澤 , 而應(yīng)盡量避免過于鮮艷的大紅大綠 色調(diào) , 因?yàn)檫@種色調(diào)在陽(yáng)光下產(chǎn)生強(qiáng)烈的反 射作用會(huì)對(duì)幼童的眼睛產(chǎn)生不良的影響 , 因 此 , 宜選用各種 清雅秀麗 的條格和 印花織 物。對(duì)學(xué)齡女童來說 , 隨著年齡的增長(zhǎng) , 在 她們的心目中已隱約有了自己崇拜和追逐的 偶像 , 喜歡模仿這些偶像的言行舉止和服飾 衣著習(xí)慣。因此 , 學(xué)齡女童茄克應(yīng)以簡(jiǎn)練明 快、大方得體為設(shè)計(jì)原則 , 在結(jié)構(gòu)上仍以衣 片分割排列組合 為主 , 在 造型上應(yīng) 由繁入 簡(jiǎn) , 在裝飾上宜用一些小型圖案作點(diǎn)綴。在 色調(diào)上 , 宜

18、選用 富有女孩 子情趣的 洋紅快 綠、淡咖 淺棕等快 樂雋秀、富于幻 想的色 彩 , 在面料的選擇上 , 常以大眾化的中低檔 織物為主。總之 , 學(xué)齡女童茄克的設(shè)計(jì)制作 應(yīng)根據(jù)其年齡和心理特征進(jìn)行 , 這樣既能滿 足她們對(duì)美的追求 , 又能使她們健康成長(zhǎng)。 在茄克衫的選購(gòu)方面 , 也有許多學(xué)問。 在款式上 , 外形輪廓都要求有適當(dāng)?shù)目鋸埖?肩寬 , 配 上下衣 后 , 要能形 成上寬 下窄的 /T 0字體 型 , 給 人以 瀟 灑、修 長(zhǎng) 的美 感。 具體而言 , 對(duì)于肥伴體型的人 , 茄克宜采用 豎線分割的各種條形裝飾線 , 穿上后給人以 挺拔秀麗的視覺效果 ; 對(duì)于瘦長(zhǎng)體形的人 , 茄克宜

19、采用橫線分割和裝飾線 , 以增加穿著 者體寬的感覺 ; 青年人特起別是女青年應(yīng)選 購(gòu)斜條分割和多裝飾的茄克 , 也可選購(gòu)橫直 線條分割或多種幾何圖形裝飾的茄克 , 給人 以活潑、有朝氣、充滿青春活力的感覺。還 應(yīng)注意領(lǐng)口和袖口或袖口與下擺的面料色彩 一致 , 肩、袋、袖、胸等各種裝飾件或線條 的形狀、色彩須相呼應(yīng) , 既可避免雜亂無章 的視覺效果 , 又可達(dá)到造型活潑利落和相協(xié) 調(diào)的美感。面料的選擇也很重要 , 應(yīng)根據(jù)款 式恰到好處地選用不同質(zhì)地的面料 , 做到款 式和面料相互協(xié)調(diào) , 此外 , 茄克的縫制質(zhì)量 和輔料配件的質(zhì)量與裝飾性能也十分重要。(上接第 41頁(yè) 促進(jìn)血液循環(huán) , 加快新陳代謝 , 減緩類風(fēng)濕關(guān) 節(jié)炎疼痛 , 加快傷口的愈合速度等。利用碳纖維及其復(fù)合材料可以制造人工 韌帶 , 人造假肢及人造骨骼等。