碳纖維復合材料的發(fā)展及應用---丁建隊

1、碳纖維復合材料的發(fā)展及應用邳州高新區(qū)招商局丁建隊1.1 碳纖維材料的歷史背景碳纖維材料的發(fā)現(xiàn)和使用始于1860年斯旺制作碳絲燈泡成為發(fā)明和使用碳纖維的第一人。之后愛迪生使用竹絲制作碳絲作為燈絲，達到了照明45小時的效果。20世紀90年代中期，美國、日本、英國相繼開始展開對碳纖維材料的研究。1972年，日本用碳纖維材料制造魚竿，美國使用碳纖維材料制造高爾夫球桿，碳纖維材料開始應用于日常生活。1992年,日本東麗公司研制成功高模中強碳纖維。其后，碳纖維材料趨向于高強度高彈性模量的方向發(fā)展。如今，碳纖維材料已經(jīng)廣泛應用于建筑、航空航天以及汽車制造行業(yè)。1.2 碳纖維材料的特性簡介碳纖維材料是由碳元素

2、構(gòu)成的一種纖維材料，其在微觀上呈類似人造石墨的亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維材料具有良好的物理化學性質(zhì)。碳纖維密度小、質(zhì)量輕，密度為1.52g/cm3,它的比重不到鋼的四分之一，但抗拉強度是鋼的七到九倍，其良好的比強度使得其被廣泛應用于航空航天等對重量限制要求苛刻的領(lǐng)域。其化學性質(zhì)同樣良好，具有耐腐蝕，耐疲勞，耐高溫和低溫，同時其具有良好的導電性，介于金屬和非金屬之間。除此之外，碳纖維還具有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和使中子減速等特性。12碳纖維材料的種類及其發(fā)展按碳纖維原絲不同主要可以分為:1.PAN基碳纖維；2.黏膠基碳纖維；3.瀝青基碳纖維；4.酚醛基碳纖維。PAN基碳纖維聚丙烯睛（PAN

3、）基碳纖維由聚丙烯睛經(jīng)紡絲、預氧、碳化幾個階段形成。PAN基碳纖維具有高強度、高剛度、重量輕、耐高溫、耐腐蝕、優(yōu)異的電性能等特點，并具有很強的抗壓抗彎性能，一直在增強復合材料中保持著主導地位。目前，PAN基碳纖維仍是碳纖維市場中的主流。PAN基碳纖維應用的主要領(lǐng)域有：航空航天工業(yè)，地面交通工具，如汽車、賽車、快速列車等，造船工業(yè)、碼頭和海上設(shè)施，體育用品與休閑用品，電子產(chǎn)品，基礎(chǔ)設(shè)施以及造紙、紡織、醫(yī)療器械、化工、冶金、石油、機械工業(yè)等領(lǐng)域，要求零部件在高強度、高剛度、重量輕、耐高溫、耐腐蝕等環(huán)境下工作。黏膠基碳纖維黏膠基碳纖維是由主要成分為纖維素的粘膠纖維經(jīng)過脫水、熱解然后碳化而得來的。黏膠

4、基碳纖維的三維石墨結(jié)構(gòu)不發(fā)達，導熱系數(shù)?。皇珜娱g距大，石墨微晶取向度低，因此是理想的耐燒蝕和隔熱及熱防護材料。同時，黏膠基碳纖維是由天然纖維素木材或棉絨轉(zhuǎn)化而來，與生物的相容性極好，又可作為良好的環(huán)保和醫(yī)用衛(wèi)生材料。但是，由于生產(chǎn)黏膠基碳纖維的工藝流程較長，工藝條件苛刻，不適宜大批量生產(chǎn)，成本較高；另外，黏膠基碳纖維的整體性能指標比PAN®碳纖維的要差，綜合性能價格比在競爭中處于劣勢,因此從20世紀60年代以來其生產(chǎn)規(guī)模逐漸萎縮，目前產(chǎn)量已不足世界碳纖維產(chǎn)量的l%o瀝青基碳纖維瀝青基碳纖維是以石油瀝青或煤瀝青為原料，經(jīng)瀝青的精制、紡絲、預氧化、碳化或石墨化而制成。瀝青基碳纖維的生產(chǎn)

5、原料成本低于聚丙烯睛基碳纖維，但由于瀝青基碳纖維的生產(chǎn)工藝復雜，反而使其生產(chǎn)成本大大增加。止匕外，瀝青基碳纖維抗壓強度比較低，其后加工性能也不如聚丙烯睛基碳纖維，因此其生產(chǎn)規(guī)模和應用領(lǐng)域都受到了一定限制。不過，由于瀝青基碳纖維具有優(yōu)良的傳熱、導電性能和極低的熱膨脹系數(shù)，因此仍在必須要求這些性能的軍工及航天領(lǐng)域發(fā)揮著獨特作用。酚醛基碳纖維酚醛基碳纖維阻燃性、絕緣性極好；可在松弛條件下碳化，加工工藝簡單，碳化時間短且溫度低，碳化率高，且手感柔軟，但強度和模量較低。酚醛基碳纖維主要用于復寫紙原料，耐腐蝕電線，以及用來制造耐熱、防化防毒、無塵等特種服裝。23碳纖維增強型復合材料碳纖維的主要用途是與樹脂

6、、金屬、陶瓷等基體復合，做成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，具比強度、比模量綜合指標，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在強度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復合材料都頗具優(yōu)勢。CFRP是目前最先進的復合材料之一，它以輕質(zhì)高強、耐高溫、抗腐蝕、熱力學性能優(yōu)良等特點廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料。3CFRP的力學性能主要取決于基體的力學性質(zhì)、碳纖維的表面性狀以及纖維與鍵合界面的性質(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。碳纖維樹脂基復合材料及其應用碳纖維增強樹脂基復合材料具有一系列的優(yōu)異性能，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）具

7、有高的比強度和比模量。CFRP的密度僅為鋼材的1/5,鈦合金的1/3,比鋁合金和玻璃鋼（GFRP還輕，使其比強度（強度/密度）是高強度鋼、超硬鋁、鈦合金的4倍左右，玻璃鋼的2倍左右；比模量（模量/密度）是它們的3倍以上。（2）耐疲勞。在靜態(tài)下，CFRP循環(huán)105次、承受90%的極限強度應力時才被破壞，而鋼材只能承受極限強度的50%左右O(3)熱膨脹系數(shù)小。(4)耐磨擦，抗磨損。(5)耐蝕性。碳纖維的耐蝕性非常優(yōu)異，在酸、堿、鹽和溶劑中長期浸泡不會溶脹變質(zhì)。CFRP的耐蝕性主要取決于基體樹脂。(6)耐水性好。(7)導電性好。(8)射線透過性。4樹脂基碳纖維復合材料由于其優(yōu)異的性能，被廣泛用于航空

8、航天，汽車制造等工業(yè)部門。美國空軍的F系列戰(zhàn)斗機中大量采用了碳纖維材料以減輕機身重量。在汽車方面，寶馬公司采用了碳纖維材料來制造汽車車身。在能源領(lǐng)域，風力發(fā)電的風機葉片既需要足夠的強度，又要有較小的密度，因而樹脂型碳纖維復合材料是良好的選擇。碳纖維金屬基復合材料及其應用金屬基復合材料一般都在高溫下成形，因此要求作為增強材料的耐熱性要高。在纖維增強金屬中不能選用耐熱性低的玻璃纖維和有機纖維，而主要使用硼纖維、碳纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維?；w金屬用得較多的是鋁、鎂、鈦及莫些合金。碳纖維是金屬基復合材料中應用最廣泛的增強材料碳纖維增強鋁具有耐高溫、耐熱疲勞、耐紫外線和耐潮濕等性能，適合于在航空、

9、航天領(lǐng)域中做飛機的結(jié)構(gòu)材料。樹脂基復合材料通常只能在350C以下的不同溫度范圍內(nèi)使用。近些年來正在迅速開發(fā)研究適用于350C1200C使用的各種金屬基復合材料。碳纖維增強金屬基復合材料是以碳纖維為增強纖維，金屬為基體的復合材料.碳纖維增強金屬基復合材料與金屬材料相比，具有高的比強度和比模量；與陶瓷相比，具有高的韌性和耐沖擊性能.金屬基體多采用鋁、鎂、銀、鈦及它們的合金等.其中，碳纖維增強鋁、鎂復合材料的制備技術(shù)比較成熟.制造碳纖維增強金屬基復合材料的主要技術(shù)難點是碳纖維的表面涂層，以防止在復合過程中損傷碳纖維，從而使復合材料的整體性能下降.目前，在制備碳纖維增強金屬基復合材料時碳纖維的表面改性

10、主要采用氣相沉積、液鈉法等，但因其過程復雜、成本高，限制了碳纖維增強金屬基復合材料的推廣應用。5碳纖維陶瓷基復合材料及其應用碳纖維增強陶瓷基復合材料(CMC-Cf)在克服陶瓷材料脆性的同時，發(fā)揮了其比強度高、高溫性能優(yōu)異等優(yōu)點，同時還具有優(yōu)良的力學性能、抗磨損性能和熱傳導性能，成為高溫結(jié)構(gòu)材料的研究熱點。目前，CMC-Cf的基體相主要有炭、碳化硅、微晶玻璃以及多元多層復合材料等。碳纖維作為增強相，實現(xiàn)了復合材料的輕量化，并賦予其優(yōu)異的力學性能。但碳纖維自身的抗氧化能力差，在溫度高于400c時，一旦與氧化介質(zhì)接觸，纖維將被氧化，性能迅速下降，進而影響復合材料整體性能，縮短使用壽命。因此，氧化問題

11、成為限制CMC-Cf。性能提升與應用領(lǐng)域拓展的瓶頸。64碳纖維材料的發(fā)展現(xiàn)狀及前景國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國對碳纖維的研究開始于20世紀60年代，80年代開始研究高強型碳纖維。多年來進展緩慢，但也取得了一定成績，進入21世紀以來發(fā)展較快，安徽華皖碳纖維公司率先引進了500t/年原絲、200tz年P(guān)AN基碳纖維（只有東麗碳纖維T300水平），使我國碳纖維工業(yè)進入了產(chǎn)業(yè)化。隨后，一些廠家相繼加入碳纖維生產(chǎn)行列。從2000年開始我國碳纖維向技術(shù)多元化發(fā)展，放棄了原來的硝酸法原絲制造技術(shù)，采用以二甲基亞碉為溶劑的一步法濕法紡絲技術(shù)獲得成功。目前利用自主技術(shù)研制的少數(shù)國產(chǎn)T300、T700碳纖維產(chǎn)品

12、已經(jīng)達到國際同類產(chǎn)品水平。2009年，國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)多年來發(fā)展落后緩慢的局面得以改變，生產(chǎn)企業(yè)和投資基地都在不斷增多，本行業(yè)的發(fā)展從此進入了一個全新的時期。但是與發(fā)達國家相比，我國目前的碳纖維生產(chǎn)能力（特別是高端產(chǎn)品）與國際水平還存在相當?shù)牟罹啵寒a(chǎn)能只占世界高性能碳纖維總產(chǎn)量的0.4%左右,大量碳纖維產(chǎn)品仍靠進口，真正國產(chǎn)化還需要一個漫長的過程。中復神鷹自主研發(fā)的年產(chǎn)1000噸碳纖維生產(chǎn)線于2008年10月順利投料生產(chǎn)，2009年產(chǎn)量達到550噸，產(chǎn)銷量位居國內(nèi)第一位，有效緩解了國內(nèi)碳纖維的供應緊張局面；威海拓展纖維有限公司也于08年引進了一條年產(chǎn)1000噸碳纖維生產(chǎn)線并順利投產(chǎn)。但與發(fā)達國家

13、相比，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)剛剛起步，在產(chǎn)量和高端產(chǎn)品品種上仍還遠遠不能滿足國防和國民經(jīng)濟建設(shè)的需要。7國際發(fā)展現(xiàn)狀近幾年隨著先進復合材料的發(fā)展，碳纖維需求激增，引爆了近年來世界性的碳纖維危機，這場危機從2005年開始日趨明顯，至2007年達到極點。自碳纖維危機爆發(fā)以來，各大碳纖維生產(chǎn)廠商急劇擴張，擴大產(chǎn)能，緩解了碳纖維緊缺的供應情況。2008年下半年爆發(fā)了世界金融危機，實體經(jīng)濟受影響頗深，碳纖維的需求也有所回落。尤其是2009年經(jīng)濟衰退陷入最低谷時，很多碳纖維制造商也推遲或放慢了自己的發(fā)展計劃。但是進入2010年以來，隨著經(jīng)濟危機的好轉(zhuǎn)，全球碳纖維市場由現(xiàn)快速回暖的跡象。巨大需求刺激碳纖維市場回暖，

14、因此對碳纖維的需求總體仍處上升趨勢。目前世界碳纖維產(chǎn)量達到4萬t/年以上，隨著碳纖維應用領(lǐng)域的不斷擴大，碳纖維的市場需求日趨增加，碳纖維及其復合材料產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)良好發(fā)展態(tài)勢。據(jù)相關(guān)部門預測，世界碳纖維需求將以每年大約13%勺速度飛速增長,碳纖維的全球需求量2018年將達到10萬t。全世界主要的碳纖維生產(chǎn)廠商是日本東麗、東邦人造絲和三菱人造絲三家公司，美國的HEXCELZOLTEKALDILA三家公司，以及德國SGL西格里集團、韓國泰光產(chǎn)業(yè)等少數(shù)單位。網(wǎng)未來發(fā)展前景隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，在航空航天，車輛交通等領(lǐng)域，物件的強度和可靠性需要更多的提高，而重量也是一個重要的因素，因此碳纖維材料將越來越成為高強度材料領(lǐng)域內(nèi)的主導。然而，碳纖維材料的普及使用依然存在一些問題。首要問題是技術(shù)壟斷問題，目前全世界范圍內(nèi)掌握碳纖維材料的制造和研發(fā)僅僅有美