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碳纖維名詞解釋

文章出處:網(wǎng)絡(luò)責(zé)任編輯:管理員人氣:發(fā)表時間:2015-08-29【

 顧名思義,它不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼具紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強(qiáng)纖維。與傳統(tǒng)的玻璃纖維(GF)相比,楊氏模量是其3 倍多;它與凱芙拉纖維(KF-49)相比,不僅楊氏模量是其2倍左右,而且在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹,耐蝕性出類拔萃。有學(xué)者在1981年將PAN基CF浸泡在強(qiáng)堿NaOH 溶液中,時間已過去20多年,它至今仍保持纖維形態(tài)。
  碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料,它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹脂復(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亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比鋼高。材料的比強(qiáng)度愈高,則構(gòu)件自重愈小,比模量愈高,則構(gòu)件的剛度愈大,從這個意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景,綜觀多種新興的復(fù)合材料(如高分子復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料)的優(yōu)異性能,不少人預(yù)料,人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時代進(jìn)入到一個復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的時代。

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  碳纖維是含碳量高于90%的無機(jī)高分子纖維 。其中含碳量高于99%的稱石墨纖維。碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高,無蠕變,耐疲勞性好,比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間,熱膨脹系數(shù)小,耐腐蝕性好,纖維的密度低,X射線透過性好。但其耐沖擊性較差,容易損傷,在強(qiáng)酸作用下發(fā)生氧化,與金屬復(fù)合時會發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。因此,碳纖維在使用前須進(jìn)行表面處理。
  碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經(jīng)碳化制得;按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維;按力學(xué)性能分為通用型和高性能型 。通用型碳纖維強(qiáng)度為1000兆帕(MPa)、模量為100GPa左右。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型(強(qiáng)度2000MPa、模量250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。強(qiáng)度大于4000MPa的又稱為超高強(qiáng)型;模量大于450GPa的稱為超高模型。隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展,還出現(xiàn)了高強(qiáng)高伸型碳纖維,其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。

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  碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。碳纖維除用作絕熱保溫材料外,一般不單獨(dú)使用,多作為增強(qiáng)材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中,構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料可用作飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機(jī)動船、工業(yè)機(jī)器人、汽車板簧和驅(qū)動軸等。
  碳纖維是軍民兩用新材料,屬于技術(shù)密集型和政治敏感的關(guān)鍵材料。以前,以美國為首的巴黎統(tǒng)籌委員會(COCOM), 對當(dāng)時的社會主義國家實(shí)行禁運(yùn)封鎖政策,1994年3月,COCOM雖然已解散,但禁運(yùn)封鎖的陰影仍籠罩在上空,先進(jìn)的碳纖維技術(shù)仍引不進(jìn)來,特別是高性能PAN基原絲技術(shù),即使我國進(jìn)入WTO,形勢也不會發(fā)生大的變化。因此,除了國人繼續(xù)自力更生發(fā)展碳纖維工業(yè)外,別無其它選擇。因此,國外尤其是碳纖維生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)先的日韓等國對中國的碳纖維材料及制品的出口一直保持相當(dāng)謹(jǐn)慎的態(tài)度,只有為數(shù)很少的中國企業(yè)能夠與其建立合作關(guān)系,擁有其產(chǎn)品的進(jìn)口渠道。

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  目前世界碳纖維產(chǎn)量達(dá)到4萬噸/年以上,全世界主要是日本東麗、東邦人造絲和三菱人造絲三家公司以及美國的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司,以及德國SGL西格里集團(tuán),韓國泰光產(chǎn)業(yè),我國臺灣省的臺塑集團(tuán),等少數(shù)單位掌握了碳纖維生產(chǎn)的核心技術(shù),并且有規(guī)?;笊a(chǎn)。目前在祖國大陸還沒有一個年產(chǎn)100t的規(guī)?;祭w維工廠,大多還處于中試放大階段。值得一提的是我國臺灣省的臺塑集團(tuán),在80代年中期從美國Hitco公司引進(jìn)百噸級碳纖維生產(chǎn)線,經(jīng)消化、吸收和配套后得到迅速發(fā)展,臺塑產(chǎn)量增加很快,但碳纖維質(zhì)量的提高幅度并不大。
  我國對碳纖維的研究開始于20世紀(jì)60年代,80年代開始研究高強(qiáng)型碳纖維。多年來進(jìn)展緩慢,但也取得了一定成績。進(jìn)入21世紀(jì)以來發(fā)展較快,安徽華皖碳纖維公司率先引進(jìn)了500噸/年原絲、200噸/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(jìn)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。據(jù)不完全統(tǒng)計,目前,我國已有12家生產(chǎn)規(guī)模大小不一(5~800噸/年)的PAN基碳纖維生產(chǎn)廠家,合計生產(chǎn)能力為1310噸/年,產(chǎn)品規(guī)格為1K、3K、6K、12K。但由于一些企業(yè)沒有原絲可燒,實(shí)際國內(nèi)碳纖維的總產(chǎn)量不足40噸/年,而且產(chǎn)品質(zhì)量不太穩(wěn)定,大多數(shù)達(dá)不到T300水平??上驳氖菑?000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),采用以二甲基亞砜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)品已經(jīng)達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。
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  隨著近年來我國對碳纖維的需求量日益增長,碳纖維已被列為國家化纖行業(yè)重點(diǎn)扶持的新產(chǎn)品,成為國內(nèi)新材料行業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計,目前擬建和在建的碳纖維生產(chǎn)企業(yè)有11家,合計生產(chǎn)能力為原絲7100噸/年、碳纖維1560噸/年,其中在建企業(yè)為4家,合計生產(chǎn)能力為原絲1100噸/年、碳纖維470噸/年。
  盡管我國碳纖維生產(chǎn)發(fā)展緩慢,而消費(fèi)量卻一直在逐漸增加,市場需求旺盛。主要用途包括體育器材、一般工業(yè)和航空航天等,其中體育休閑用品的使用量最大,占消費(fèi)量的約80%~90%。我國碳纖維的需求量已超過3000噸/年,2010年將突破5000噸/年。主要應(yīng)用領(lǐng)域為:成熟市場有航空航天及國防領(lǐng)域(飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、雷達(dá)等)和體育休閑用品(高爾夫球桿、漁具、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、箭桿、自行車、賽艇等);新興市場有增強(qiáng)塑料、壓力容器、建筑加固、風(fēng)力發(fā)電、摩擦材料、鉆井平臺等;待開發(fā)市場有汽車、醫(yī)療器械、新能源等。 本文來自123
  我國碳纖維復(fù)合材料的研制開始于20世紀(jì)70年代中期,經(jīng)過近40年的發(fā)展,已取得了長足進(jìn)展,在航天主導(dǎo)產(chǎn)品(彈、箭、星、船)上得到了廣泛應(yīng)用。近年來,我國體育休閑用品及壓力容器等領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求迅速增長,航空航天技術(shù)的快速發(fā)展急需高性能碳纖維及其復(fù)合材料等,市場需求更加旺盛。
  為了滿足國內(nèi)市場對碳纖維不斷增長的需求,應(yīng)盡快實(shí)現(xiàn)我國碳纖維工業(yè)的國產(chǎn)化和規(guī)?;榇?,必須加快技術(shù)創(chuàng)新,掌握核心技術(shù);加速原絲技術(shù)開發(fā),研制高純度原絲;強(qiáng)化應(yīng)用研究和市場開發(fā),進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。碳纖維在我國大有發(fā)展前途,但應(yīng)總結(jié)滌綸等化纖發(fā)展的經(jīng)驗教訓(xùn),避免盲目發(fā)展,實(shí)現(xiàn)健康發(fā)展。
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  為了大型飛機(jī)的制造和航空航天事業(yè)的發(fā)展,我國還必須盡快地實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)中模型碳纖維的產(chǎn)業(yè)化。但是,因為高性能碳纖維是發(fā)展航空航天等尖端技術(shù)必不可少的材料,長期受到以美國為首的巴黎統(tǒng)籌委員會的封鎖。雖然“巴統(tǒng)”在1994年3月解散了,但禁運(yùn)的陰影仍然存在。即使對我國解除了禁運(yùn),開始也只能是通用級碳纖維,而不會向我們出售高性能碳纖維技術(shù)和設(shè)備。因此,發(fā)展高性能碳纖維必須要靠我們自己。我國化學(xué)纖維工業(yè)“十一•五”發(fā)展規(guī)劃中提出了“從以增加數(shù)量為主轉(zhuǎn)向大力發(fā)展高新技術(shù)纖維”,特別是把事關(guān)國家產(chǎn)業(yè)安全的高新技術(shù)纖維材料作為重中之重,而且碳纖維被列為首位,是國家迫切需要短期內(nèi)突破的高新技術(shù)纖維品種,為我國碳纖維的發(fā)展創(chuàng)造了條件,我們要抓住這一機(jī)遇,自力更生、努力創(chuàng)新,發(fā)展具有自己知識產(chǎn)權(quán)的碳纖維,以滿足不斷增長的市場需求。國家“863 計劃”以及有關(guān)部委都在關(guān)心我國碳纖維工業(yè)的發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化步伐,并給予強(qiáng)有力的支持,許多材料專家也扎扎實(shí)實(shí)的做了許多工作。“十一五”期間,我國又啟動了相關(guān)“973計劃”。相信“十一五”將是我國碳纖維工業(yè)產(chǎn)業(yè)化的黃金時代。 
 

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