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碳纤维材料机械工程材料定义定义•碳纤维，CarbonFiber•是指有机纤维原丝(粘胶,聚丙烯晴,沥青等)在1200～1500℃范围内加热碳化后得到的碳含量超过90%以上的纤维（直径5～15㎛）的碳材料。•随着原料和处理温度，出现分子排列和结晶的变化，一般碳的六角形环连续形成层状结构，具有金属光泽，呈黑色或灰色。碳纤维结构理想的石墨点阵结构属六方晶系，真实的碳纤维结构属于乱层石墨结构。石墨的六方晶体结构石墨层片碳纤维石墨微晶乱层结构石墨原纤条带结构一级结构单元二级结构单元三级结构单元特性/性能——轻且强•轻质——密度1.5∼2.1g/cm3•高比强度——比绝大多数金属高7倍以上•高比模量——金属的5倍以上•拉伸强度在2.2Gpa以上•热膨胀系数小•导热性好，接近于钢铁——可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。•耐高温，3000℃不融不软•耐强酸、强碱及强有机溶剂的浸蚀•耐磨性好——已做为飞机和汽车的刹车片材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。碳纤维缺点（1）复杂的应力计算•碳纤维的特点是拉伸强度强，但剪断强度弱，加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、横刚性)，根据计算把碳纤维片重叠成型。（2）难于更改尺寸•由于作好模具后成型，难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。（3）价格较高•原因有两个：1.生产原材料的厂家不多，产量有限。2.工艺复杂，开模的费用较高，机械价格也较贵。常见分类方法常见分类方法•根据碳化(塑性)温度的分类（1）耐燃纤维/预氧化纤维：用300∼350℃内外的温度处理的碳化初期阶段的纤维（是中间产品，常用来织布，织带再进行炭化生产炭布，炭带）（2）碳纤维：1000∼2000℃附近的温度中加热处理的纤维（3）石墨碳纤维GRCF：2000℃以上的温度中经过加热处理石墨化的碳纤维常见分类方法•碳纤维力学表现分类•（1）通用碳纤维(GPCF)：强度1000兆帕(Mpa)、模量100GPa左右，T-300•（2）高性能碳纤维(HPCF)：高强型/高模型•a.高模型碳纤维(HM型)——弹性好，模量300GPa以上•b.高强型碳纤维(HT型)——强度2000MPa、模量250Ga，T-1000•c.超高强度(UHT型)——强度大于4000MPa•d.超高强度(UHM型)——模量大于450GPa分类拉伸弹性率(Tons/㎟)拉伸强度(㎏f/㎟)用途低弹性(LM)20以下-要求耐热性的领域标准弹性(HT)20∼28250以上体育/休闲用,宇宙航空,产业用途中弹性(IM)28∼35350以上体育/休闲用,航天飞机高弹性(HM)35∼60250以上宇宙航空,电极材料,机器人等超高弹性(UHM)60以上250以上宇宙航空,机器人国外研究现状与发展趋势近年来重大突破T-1000强度；7.06GPa模量：300GPaCV值≦3%常见分类方法根据原料(原丝种类)的分类——具有工业化意义的原丝品种（1）粘胶纤维RayonbasedCF①最早实现工业化②技术难度大，设备复杂，碳化收率低（约30％）③已逐步被淘汰，仅作生产耐烧蚀材料（2）沥青纤维PitchbasedCF①原料丰富②碳化收率高（约80％）③生产前景看好（生产高模量碳纤维）（3）聚丙烯腈PANbasedCF——主流，占总产量90%①工艺方法简单②碳化收率较高（约50％）③能够制备出高性能碳纤维④目前最成熟的方法（产量最高，品种最多，发展速度最快）大丝束&小丝束•大丝束碳纤维（工业级CF）：（1）48K以上的碳纤维，（包括60K、120K、360K和480K等）（2）应用于纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等不同民用工业。（3）大丝束的生产对前驱体要求较低，产品成本低，非常适合一般民用工业领域•小丝束碳纤维（宇航级CF）：（1）初期以1K、3K、6K为主，逐渐发展为12K和24K。（2）主要应用于国防军工业和高技术以及体育休闲用品。（3）小丝束的生产追求高性能化，代表世界碳纤维发展的先进水平。•1K=1000根单丝、3K=3000根单丝，以此类推碳纤维制作工序沥青基碳纤维制作工序(表面处理,Sizing)石油沥青●煤碳沥青加工异方性沥青Spinning异方性不熔化纤维Carbonization异方性碳丝Graphitzation异方性石墨纤维加工同方性沥青Spinning同方性不熔化纤维Carbonization同方性碳丝Graphitzation同方性石墨纤维•改质/精炼/原料调配•熔融纺丝•碳化塑性•高温处理ProductProduct(表面处理,Sizing)PITCH•加工,最后处理•加工,最后处理•氧化性氛围中(150∼400℃)•非活性性氛围中(800∼1200℃)•非活性性氛围中(1500∼3000℃)沥青纺丝纺丝碳化碳丝石墨化石墨纤维•世界沥青基碳纤维生产企业还处在技术开发和储备的阶段，只有少数几家公司有一定的沥青基碳纤维生产能力，但是生产能力都较小，没有形成一定的产业规模。聚丙烯晴PAN基碳纤维制作工序•表面处理,上奖PropyleneAmmoniaAmmoxidationAcrylonitrilePolymerization&SpinningPANPrecursorOxidation(200∼300℃)Carbonization(1200∼1400℃)Graphitzation(2100∼2500℃)PrecursorCarbonFiber•Commodities:•Process:•IntermediateMaterial:•Process:•PANCFPrecursor:•OxidizedPAN:•Process:•CarbonFiber:ProductProductProduct•空气中•非活性氛围中•非活性氛围中•表面上奖PAN聚丙烯晴原丝碳纤维原料丙烯氨氨氧化反应丙烯晴聚合及纺丝聚丙烯晴原丝氧化预氧丝碳化碳丝石墨化石墨纤维碳纤维制造工序拉丝牵伸稳定碳化石墨化有机纤维碳化法工艺湿法、干法或者熔融100-300℃400℃的加热氧化1000-2000℃2000-3000℃ANCo-moPolyme-rizationDopeSpinningMachineColdStretchingWashingOilingHotStretchingOilingDryingSteamStretchingOilingOxidationCarbonizationSurfaceTreatmentWashingDryingSizingDryingCarbonFiberPrecursorCarbonFiberPrecursor丙烯晴共聚用单体聚合聚合物纺丝冷伸长洗涤上油热伸长上油干燥蒸汽伸长原丝上油氧化碳化表面处理干燥洗涤上奖干燥碳纤维碳纤维制品1.短纤维/短切碳纤维单根D=5～10微米，每股有1000～10000根单丝2.长纤维，长度100～1000米单根D=5～10微米，每股有1000～10000根3.炭带——由炭纤维丝编织而成4.碳纤维毡5.碳纤维布（1）CF纬纱经纱编织布（2）预氧化丝编织物碳化布（3）原丝编织物预氧化、碳化布6.碳纤维扭绳或编织绳7.碳纤维立体编织物碳纤维制品流程图WovenFabricPrepregChoppedFibersCarbonFibers梭织布碳纤维预浸布短切纤维纤维卷绕压力容器手工铺曾挤压成型汽车/自行车/船艇/船舶高压锅航空机卷布球杆混合笔记本电脑产品种类制造方法用途碳纤维复合材料•碳纤维可与树脂，塑料，陶瓷、玻璃、金属等多种材料形成复合材料。•特点：强度高，重量轻，刚性好，抗疲劳性能好•主要作为减重结构材料和烧蚀放热材料，应用于航天航空，也广泛用于机械，如汽车工业、体育用品及生物材料。碳纤维应用碳纤维应用航空航天飞机直升机人造卫星AdvancedCompositeMaterialManufactureTeam碳纤维应用刹车片燃料电池车尾扰流板铁顶部行李箱盖后扰流板防撞杆发动机罩月台传动轴车尾减重约100公斤碳纤维应用鞋高尔夫球杆网球拍游挺快艇碳纤维应用桥墩园顶电梯船舱顶棚管状体加固修复材料钢筋代用材料型材混凝土增强材料斜拉、悬索桥钢索代用材料碳纤维应用机械臂滚轴雷达风力发电容器碳纤维应用碳纤维现状及厂家PANCF市场需求量（吨/年）需求量（T/Y）年份需求领域宇航航空体育用品渔具工业休闲用品土木建筑压力容器其他工业总计2001年603119991641534004021272002年6933611191842306008026182003年79363125320634580012031662004年913921404238518100016038032005年105423157326777712002004545占比9%35%17%26%100%市场高度集中目前：以聚丙烯腈为原料的碳纤维技术主要集中在主要集中在日本、美国、英国等少数发达国家和我国的台湾省。PAN基碳纤维产量约占全球碳纤维总产量的90%，其中小丝束占73.4%；大丝束占26.6%。小丝束：日本东丽、东邦、三菱大丝束：福塔菲尔fortafil、卓尔泰克Zoltek、阿尔迪拉Aldila、SGL以粘胶丝及沥青为原料的技术，主要由美国联合碳化物公司(UCC)掌握。趋势：•PAN基碳纤维产量提高，生产规模大型化，产品价格下降；•生产工艺、设备、技术不断改进，性能不断提升，强度已达T1000；•应用领域从少数高科技领域、军事部门扩展到整个工业民用的各个部门。新市场：汽车工业、清洁能源车辆、土木建筑工程、近海油田勘探和生产、风力发电机大型叶片小丝束以日本为代表，大丝束以美国为代表•PAN基碳纤维产品主要有以日本为代表的小丝束碳纤维（1K～24K）和以美国为代表的大丝束碳纤维（48K～480K）两大类。•大丝束碳纤维对前驱体要求较低，产品成本低，较适合于一般民用产品T-700及以下系列产品开发。•小丝束碳纤维追求高性能，代表着国际碳纤维发展的先进水平，主要应用于航天航空领域。主要厂家•世界小丝束碳纤维生产基本上被日本厂家控制（1）主要是东丽(Toray)集团、东邦(Toho)集团和三菱(Mitsubishi)集团三大小丝束碳纤维生产企业。（2）2005年，三家生产能力分别为9100t/a，6300t/a和4700t/a，分别占世界总产能的35.1%，24.2%和18.1%，占世界小丝束75%。•美国是继日本之后掌握CF生产技术的少数几个发达国家之一（1）PAN基大丝束CF由美国Fortail和美国Zoltek公司商品化。（2）大丝束(LT)三大厂家是美国阿克苏(AKZ0)、卓尔泰克(ZOLTEK)和阿尔笛拉(ALDILA)公司。（3）三家占世界LT总量的73.7%。（4）日本东丽公司、三菱公司也开始大量生产24K及以上级别大丝束碳纤维。各公司碳纤维产能区分公司名200520062007200820092010RegularTow(1K∼24K)一般丝束三菱Rayon4,7005,7007,9008,1508,15010,850东丽8,80010,60013,60017,60017,60017,600东邦Tenax5,6007,8007,80010,50010,50010,500TaiwanPlastics台丽1,7502,2753,3004,2008,3508,350Hexcel2,0002,0002,5003,0003,0003,000Cytec1,9002,1502,4002,4002,4002,400sub-total24,75030,52537,50045,85050,00055,100LargeTow(48K∼)大丝束Zoltek3,5008,5008,5008,5008,5008,500TTA2,6001,3001,3001,3001,3001,300CFT1,0001,0001,0001,0001,0001,000SGL1,9001,9002,9002,9004,000