碳纖維的研究與發(fā)展

碳纖維的研究與發(fā)展

0新材料。碳化碳復(fù)合材料碳纖維是含有超過90%碳的有機(jī)高纖維。通過高溫分解法，有機(jī)主體纖維（丙烯、聚吡咯、粘膠絲或?yàn)r青路等）在1000.30c下風(fēng)化。它是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料,比重不到鋼的1/4,能像銅那樣導(dǎo)電,比不銹鋼還耐腐蝕,而其復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上,是鋼的7~9倍,抗拉彈性模量為23000~43000Mpa,也高于鋼。碳纖維按其原料可分為三類:聚丙烯腈基(PAN)碳纖維、石油瀝青基碳纖維和人造絲碳纖維三類。其中聚丙烯腈基碳纖維用途最廣,需求也最大。1碳噴孔的歷史1.1聚丙烯腈基碳纖維20世紀(jì)50年代美國(guó)開始研究粘膠基碳纖維,1959年生產(chǎn)出了粘膠基纖維Thormel-25,這是最早的碳纖維產(chǎn)品。同一年,日本發(fā)明了用聚丙烯腈基(PAN)原絲制造碳纖維的新方法。緊接著英國(guó)皇家航空研究院研究了高性能PAN基碳纖維的技術(shù)流程,使PAN基碳纖維成為碳纖維工業(yè)的主流。20世紀(jì)70年代中期,美國(guó)聯(lián)合碳化公司在美國(guó)空軍和海軍的資金支持下,研發(fā)高性能瀝青基碳纖維。碳纖維的民用商業(yè)化也正是始于70年代。日本東麗公司最早于1971年開始生產(chǎn)釣魚桿和高爾夫球棒。1974年,美國(guó)最早把碳纖維用于網(wǎng)球。接著羽毛球拍也都實(shí)現(xiàn)了CFRP(carbon-fiberreinforcedplastic)化。20世紀(jì)80年代,碳纖維開始廣泛用于客機(jī)和航天飛機(jī)。人造衛(wèi)星也實(shí)現(xiàn)了CFRP化。進(jìn)入21世紀(jì),碳纖維的需求量隨之增大,以大約13%的速度逐年遞增。碳纖維的主要性能見表1。表2是不同領(lǐng)域碳纖維的需求及預(yù)測(cè)見表2。1.2國(guó)內(nèi)碳纖維生產(chǎn)現(xiàn)狀及分析我國(guó)碳纖維起步于上世紀(jì)60年代末,在意識(shí)到碳纖維對(duì)軍工和民用的價(jià)值后開始重視。自1975年11月全國(guó)第一次碳纖維復(fù)合材料會(huì)議之后,一直將碳纖維及其復(fù)合材料納入國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目。經(jīng)過四十多年的發(fā)展,我國(guó)碳纖維從無到有,從研制到生產(chǎn)取得了一定的成績(jī),但總的來說,我國(guó)碳纖維的研制與生產(chǎn)水平還較低,近些年來,由于我國(guó)對(duì)碳纖維需求量的日益增加,碳纖維又成為國(guó)內(nèi)新材料業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)。但是,除極個(gè)別企業(yè)外,大多數(shù)引進(jìn)項(xiàng)目的技術(shù)和設(shè)備水平屬國(guó)際中下等,生產(chǎn)的碳纖維產(chǎn)品也未達(dá)到高端水平。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)聚丙烯腈碳纖維的廠家主要有:榆茨化纖廠、蘭州石化公司化纖廠、蘭州碳素纖維廠、衡水碳纖維材料廠、無錫宏泰機(jī)械廠、上海合纖所等。這些廠家的生產(chǎn)能力比較低,無法滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)碳纖維的需求。2004年我國(guó)碳纖維消耗量約為4500t,2009年達(dá)到9000t,而95%依賴進(jìn)口。值得慶幸的是,2009年6月14日,我國(guó)首個(gè)百噸級(jí)碳纖維生產(chǎn)基地———中國(guó)石油吉林石化公司碳纖維廠在吉林省吉林市建成并投產(chǎn)。其自主研發(fā)的聚丙烯腈基碳纖維產(chǎn)品性能已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,打破了國(guó)外技術(shù)封鎖,標(biāo)志著我國(guó)高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)了新突破。2植被增強(qiáng)體mmcs復(fù)合材料的組成相為增強(qiáng)相與基體相。增強(qiáng)相一般有很高的力學(xué)性能(強(qiáng)度、彈性模量),其主要作用是承受載荷或顯示功能。增強(qiáng)相一般有三種:纖維、晶須、顆粒,它們是不連續(xù)相?；w相也有三種:金屬、陶瓷、聚合物,它們是連續(xù)相。碳纖維是高性能復(fù)合材料最常用、最重要的增強(qiáng)相,是目前可作MMCs增強(qiáng)物中價(jià)格最便宜的一種。一般是以500~12000根直徑為5.6~14μm的細(xì)纖維組成束絲作為增強(qiáng)體使用。而像硼纖維、碳化硅則是單絲做為增加體使用。無論何種原絲纖維來制造碳纖維,都要經(jīng)過五個(gè)階段:(1)拉絲:可用濕法、干法或者熔融狀態(tài)三種中任意一種方法進(jìn)行;(2)牽伸:在室溫以上,通常是在100-300℃范圍內(nèi)進(jìn)行,W.Watt首先發(fā)現(xiàn)結(jié)晶定向纖維的拉伸效應(yīng),而且這效應(yīng)控制著最終纖維的模量;(3)穩(wěn)定:通過400℃加熱氧化的方法;(4)碳化:在1000~2000℃范圍內(nèi)進(jìn)行;(5)石墨化:在2000~3000℃范圍內(nèi)進(jìn)行。經(jīng)過以上五個(gè)階段,所產(chǎn)生的最終纖維其基本成分都為碳,高模量碳纖維成分幾乎為純碳。2.1復(fù)合材料基材料碳纖維/聚合物復(fù)合材料,也就是通常說的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP),是目前最先進(jìn)的復(fù)合材料之一,它以輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料,是其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所無法比擬的。這些材料在上世紀(jì)60、70年代開始應(yīng)用,現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)非常成熟了,如碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用,如航天飛機(jī)的艙門、仿生機(jī)械臂以及壓力容器等。隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展,民用飛機(jī)在結(jié)構(gòu)中大量地使用碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料,如副翼、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、阻力板、起落架艙門等。2.2高溫合金密度碳纖維/陶瓷基復(fù)合材料,與陶瓷材料相比有較好的韌性和力學(xué)性能,保持了基本原有的優(yōu)異性能。比高溫合金密度低,是比較理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。用碳纖維增強(qiáng)陶瓷可以有效地改善韌性,改變陶瓷的脆性斷裂形態(tài),同時(shí)阻止裂紋在陶瓷基體中的擴(kuò)展,目前國(guó)外比較成熟的碳纖維/陶瓷復(fù)合基復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)碳化硅材料,因其良好的高溫力學(xué)性能,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天飛行器領(lǐng)域等具有廣泛的應(yīng)用。2.3爐內(nèi)放熱材料碳纖維/碳復(fù)合材料汽化溫度,抗熱振,摩擦性能好,已用于制作剎車片、汽車和賽車制動(dòng)系統(tǒng)、高溫模具、高溫真空爐內(nèi)襯材料。碳纖維/碳復(fù)合材料作為燒蝕材料早在20世紀(jì)70年代就被用于洲際導(dǎo)彈頭的端頭帽。碳纖維/碳復(fù)合材料也是用做高溫輸送裝置、核反應(yīng)堆零件、電觸頭、熱密封墊和軸承的優(yōu)良材料。由于碳/碳復(fù)合材料與人體組織生理上相容,彈性模量和密度可以設(shè)計(jì)得與人骨相近,并且強(qiáng)度高,因此,可以做人工骨頭,如接斷骨、作膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)等。2.4纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是以碳為增強(qiáng)體,金屬為基體的復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料與金屬材料相比,具有高的比強(qiáng)度和比模量;與陶瓷材料相比具有高的韌性和耐沖擊性能。金屬一般采用鋁、鎂、鎳、鈦及其合金。其中碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料技術(shù)比較成熟,是應(yīng)用最廣的一種復(fù)合材料。下面以它為例來說明碳纖維/金屬基復(fù)合材料的特性。碳纖維鋁基復(fù)合材料是一種較理想的輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料。具有很高的高溫強(qiáng)度和彈性模量、良好的耐磨性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性和高溫穩(wěn)定性。其密度小于鋁合金,彈性模量卻比鋁合金高2~4倍,在制造鋁基復(fù)合材料通常并不是用純鋁而是用各種鋁合金,這主要是因?yàn)?與純鋁相比,鋁合金具有更好的綜合性能。碳纖維/鋁基復(fù)合材料廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈構(gòu)件、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、滑動(dòng)部件等。比如含有碳纖維的鋁基復(fù)合材料由于軸向剛度好、密度低及超低軸向熱膨脹,被用于的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上,比原來鋁基樹脂復(fù)合材料的設(shè)計(jì)重量減少了。表3為碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能。3碳復(fù)合材料的研究可以說,碳纖維的發(fā)展已經(jīng)帶動(dòng)了整個(gè)世界的發(fā)展。碳纖維作為一種重要的材料已在科技進(jìn)步的征程中留下深深的腳印,它還將繼續(xù)散發(fā)它的光芒。碳纖維復(fù)合材料還有許多地方需