碳纤维的应用与发展

碳纤维的应用于发展穆仕敏高材1205班20120221165摘要：碳纤维作为国家战略性新兴产业中新材料领域的重要组成部分，复合材料在航空航天、风能发电、汽车轻量化、海洋工程、环境保护工程、船艇、建筑、电力等领域发展迅速，相关专利数量逐年快速增加，标准体系不断完善。碳纤维轻于铝而强于钢。它的比重为铁的四分之一,比强力为铁的十倍。而且,碳纤维与钻石一样,主要是由碳组成的物质。为此,除了超级的拉伸强力和拉伸模量以外,碳纤维化学性能非常稳定,耐腐蚀性高。碳纤维的其他特征包括:高水平X射线穿透性,高度耐化学制剂、耐高温和低温。碳纤维的优越性质使它在许多行业得到了广泛的应用，而碳纤维的生产技术目前只有美国和日本有完善的技术，世界上三家主要的企业是：东丽集团，东方人纤集团，三菱人纤集团，他们对市场以及高科技领域完全的垄断，许多国家高端领域的产品技术要求也只有日本和美国能够达到。我国虽然去年公布对碳纤维技术的掌握，但是还未大量用于生产，研究碳纤维的生产技术以及应用与发展是作为高端领域材料研究的必须课题。关键字：碳纤维工艺发展新材料一．碳纤维在2000的供——需形势在2000年全世界大约22000吨,而大约70%在日本所属的公司之中。此外,低成本,所谓的”大丝束型,)粗碳纤维有几千吨,大丝束纤维已经开始进人要求不高的运动和工业应用领域,以及过去采用玻璃纤维的领域中。这是日本在2000年在纺织信息周刊科技专栏中的报道在2005年时，碳纤维产量达到27000吨/年。即使现在也是，半数以上生产力仍来至日本公司，其次是美国，在生产技术上对我国有大量的封闭和限制，我国的碳纤维主要是从德国购入。碳纤维的运用：运动领域30%,航天领域20%,工业领域50%。碳纤维生产大量源于日本、美国，消费运动领域：三个主要用途是高尔夫球棒,钓鱼杆和网球拍框架。现在,估计全世界每年大约生产3600万只碳纤维高尔夫球棒。分国家地区的话,这些球棒主要在美国、中国、日本和中国台北生产,其中80%以上的产品在美国和日本消费。向您提供一个信息,全世界生产的碳纤维高尔夫球棒的50%,是用东丽的碳纤维制造的。世界碳纤维钓鱼杆的产量,估计是1000万套左右,并显示出这一领域内对碳纤维有稳定的需求。网球拍框的市场规模,估计是每年约600万套。其他运动用途包括射术、自行车和赛车,碳纤维还用于船只、游艇、冲浪及其他水上运动。航天领域：以B一777为例,东丽是唯一获准的碳纤制造商,能为波音公司的基础结构材料供货。除了基础结构材料,每架B一777大约需要6吨碳纤维用于副翼、螺旋浆、升降梯、引擎和其他部件。碳纤维也大量用于,,空中客车,I飞机。在人造卫星中,它们用作构件、太阳能板、天线和其它部件。工业领域：碳纤维的工业应用范围非常广泛,且在这一领域中碳纤维正在取代金属、混凝土材料等。作为材料,它满足对环境、安全和节能的要求,所以预计在这一领域中碳纤维的需求量将会继续增长。在建筑工程和结构领域中,在抗震修复和增强措施中采用碳纤维是一重大突破。其它碳纤维的应用包括大面积屋顶系统;汽车相关领域,传动轴和其它类型的运输设备,以及别的应用如风力透平叶片;机器部件;家用电器和电子产品;个人计算机及半导体相关设施,它们都需用到碳纤维复合材料的增强、抗静电性和电磁波屏蔽效果。二：碳纤维的生产工艺分类：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、气相生长碳纤维聚丙烯腈基碳纤维的生产主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程。原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、上油、烘干收丝等工序，生产工艺如下图：以聚丙烯腈碳纤维为例，是以聚丙烯腈为母体，经过高温氧化，留下的碳骨架就是碳纤维。碳纤维在热处理过程中发生的反应见下图：。碳化过程主要包括放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。碳纤维有三种纺丝法：干法纺丝，湿法纺丝，熔体纺丝为防止碳化，碳纤维的纺丝一般采用湿法纺丝工艺，湿法纺丝的水洗，拉伸和上浆等后处理过程和干法纺丝相同。三：碳纤维的排列结构以及功能性质碳纤维具有良好的韧性，抗冲击性、高模量、高耐热以及防腐蚀性与它的内部排列结构有关；高强度：碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征碳纤维内部十分规整，分子量高且严格的结晶度使它的刚性是kevlar纤维的2倍，是钢铁的五倍，而密度只是钢铁的四分之一。高热稳定性：虽然PAN纤维并不形成很好的晶体结构’,但按其热学行为,可认为其结构具有良好的有序性。由于玻璃化转变温度表示在纤维中只有很小部分非晶态(或玻璃态)物质,并且有可以忽略不计的自由收缩。各向柔性：碳纤维除了具有一般碳素材料的特性外，其外形有显著的各向异性柔软，可加工成各种织物，又由于比重小，沿纤维轴方向表现出很高的强度，碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的惰性：碳纤维的化学性质与碳相识，它除能被强氧化剂氧化外，对一般碱性是惰性的。在空气中温度高于400℃时则出现明显的氧化，生成CO与CO2。耐腐蚀性：碳纤维对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性，不溶不胀，耐蚀性出类拔萃，完全不存在生锈的问题。有学者在1981年将PAN基碳纤维浸泡在强碱氢氧化钠溶液中，时间已过去30多年，它仍保持纤维形态。耐冲击性：耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，碳纤维的电动势为正值，而铝合金的电动势为负值。电腐蚀性：当碳纤维复合材料与与铝合金组合应用时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。碳纤维还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和减速中子等特性四：结论迄今,对碳纤维的需求一直稳定增长。碳纤维在质轻、强力、耐用等方面,有超出其他材料的卓越性能。碳纤维不仅正在取代钢铁和混凝土,并通过生产碳纤维与铝的合金,及碳纤维与橡胶的结合,使其应用形式正趋多样化。想象一下将来会出现什么新应用是很有趣的。我们肯定,碳纤维是具有巨大潜在增长能力的、有前途的材料。在美国和日本等盯着我国这个处于经济急需大量开发应用市场，以及我国西部的建设的有机会大量倾销的时候，我们更应该奋发向上，自力更生，用自己的技术养活自己的国人，碳纤维的未来发展是一片光明。五：参考文献：1、中国高分子工业技术进展洪定一(中国石化集团公司,北京100029)2、碳纤维缝编工艺差异性分析与评估技术颜鸿斌安明康王建季雪松刘胜利(航天材料及工艺研究所，北京100076)3、礁纤继舫应用及未来展望日本东丽公司ShinjiKoyamat4、碳纤维连续抽油杆的应用现状及研究方向彭勇1顾雪林2常德友2(11西安石油大学21胜利石油管理局工程机械总厂)5、碳纤维工艺技术研究及发展现状谢云峰王亚涛李顺常开滦煤化工研发中心唐山063611；2开滦能源化工股份有限公司唐山0636116、2013年中国复合材料行业发展回顾与展望中材科技股份有限公司薛忠民北京玻璃钢研究设计院有限公司张文玲中国建筑材料联合会吕琴7、碳纤维一现代工艺技术水平P.G.ROSE著李仍元译8、三维编织碳纤维增强尼龙复合材料合成工艺的研究张宗强万怡灶王玉林(天津大学材料学院,天津300072)