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碳纤维

成分结构

碳纤维是由 有机纤维 经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨,是乱层石墨结构。

碳纤维是一种 力学 性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,碳纤维 树脂 复合材料抗拉 强度 一般都在3500Mpa以上,是钢的7~9倍,抗拉 弹性模量 为230~430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其 密度 之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比钢高。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。

综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、 金属基复合材料 、陶瓷基复合材料)的优异性能,不少人预料,人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。

碳纤维

化学性质

碳纤维 是含碳量高于90%的无机 高分子 纤维。其中含碳量高于99%的称 石墨纤维 。碳纤维的轴向强度和 模量 高,无蠕变,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小,耐腐蚀性好,纤维的密度低,X射线透过性好。但其耐冲击性较差,容易损伤,在强酸作用下发生氧化,与金属复合时会发生金属碳化、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。

碳纤维的制备

碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维 、沥青纤维、粘胶丝或 酚醛纤维 经碳化制得;按状态分为长丝、 短纤维 和短切纤维;按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕(MPa)、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000MPa、模量250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。强度大于4000MPa的又称为超高强型;模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展,还出现了高强高伸型碳纤维,其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。

目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化(预氧化)、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括,脱氢、环化、氧化及脱氧等。

碳纤维的强伸性能测试

由于原料、模量、强度和最后的热处理温度不同,产生了特性不同的碳纤维,前者硬而脆的常用于复合材料,软而柔顺的常用于纺织;后者多被用于工程用料。由于碳纤维的应用越来越多兼之其特性,碳纤维强力拉伸性能测试的紧迫性摆在了我们面前。强伸性能试验属于破坏性的,试验完毕试样没有可恢复性,又因为碳纤维分离成为单纤维以后非常脆弱,因此在每次试验过程中,需要细心、耐心,试验前不要对试样造成损伤。一般试验需要得到的技术指标是CV值、平均值等。

碳纤维的拉伸性能测试分单丝法和复丝法。碳纤维分离成为单纤维以后非常脆弱,剪切强度 很低,稍有不慎就会断裂,因此在每次试验过程中,需要细心、耐心,不要对试样造成损伤。单纤维强伸性能试验通常采用纸框法固定试样,当然也不排除其他方法。单纤维强伸性能试验要采用能测试碳纤维的高强高模纤维强力仪。

纸框法固定试样,剪取适当长度的该碳纤维试验样品,用钢针沿着纤维方向将其分离,使试验样品蓬松便于抽取。用取样盘来盛取试样,为保证测得结果的准确性,不能对碳纤维造成任何损伤。采用国外标准制作衬纸很麻烦,在试验过程中我用电脑制图找到一个简单易行的方法。取0.1mm左右厚的打印纸做基片;按图1尺寸用Word制图,划出一个尺寸合适的框,复制满A4纸打印(图1是25mm隔距拉伸尺寸。若50mm隔距拉伸时,裁切线的长度应增加一倍);直尺放与裁切线吻合后用刀片沿裁切线将实线部分裁除,然后两端贴上5mm宽的双面胶纸;抽取分离的单根碳纤维试验样品,沿中心虚线放上,并用双面胶纸固定。也可以用融化后的松香,将单根碳纤维“焊接”在纸框上,其“焊点”起到固定单根碳纤维的作用(试验证明:采用“焊接”方式没有双面胶纸固定方式好用,而且夹持试样时要离开“焊点”);再用8~10mm宽的纸条,沿着裁切线宽度方向覆盖双面胶纸和试验样品端头,沿剪切线剪切,分离成固定在单个纸框上的待测试样。注意:碳纤维的取样比较困难,尤其处理后的碳纤维,很细,也很难分辨是一根还是两根,根据实验中 曲线 对比进行判断如果记录下的 曲线斜率 明显大于其他试样的很有可能是两根纤维,必要时可以用 放大镜 配合取样。

应用领域

碳纤维可加工成织物 、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外,一般不单独使用,多作为 增强材料 加入到树脂、金属、 陶瓷 、混凝土等材料中,构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机 结构材料 、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、 汽车 板簧和驱动轴等。

碳纤维

1994年至2002年左右,随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究,使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域。现在国内已经有使用长纤碳纤维制作国家电网 电缆 的使用案例多处。同时,碳纤维发热产品,碳纤维采暖产品,碳纤维远红外理疗产品也越来越多的走入寻常百姓家庭。

碳纤维是军民两用新材料,属于技术密集型和政治敏感的关键材料。以前,以 美国 为首的巴黎统筹委员会(COCOM),对当时的 社会主义国家 实行禁运封锁政策,1994年3月,COCOM虽然已解散,但禁运封锁的阴影仍笼罩在上空,先进的碳纤维技术仍引不进来,特别是高性能PAN基原丝技术,即使我国进入WTO,形势也不会发生大的变化。因此,除了国人继续自力更生发展碳纤维工业外,别无其它选择。因此,国外尤其是碳纤维生产技术领先的日韩等国对 中国 的碳纤维材料及制品的出口一直保持相当谨慎的态度,只有为数很少的中国企业能够与其建立合作关系,拥有其产品的进口渠道。

产业现状

目前世界碳纤维产量达到4万吨/年以上,全世界主要是日本 东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司以及美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司,以及 德国 SGL西格里集团, 韩国 泰光产业,我国 台湾省 的台塑集团,等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术,并且有规模化大生产。

目前,在祖国大陆还没有一个年产100t的规模化碳纤维工厂,大多还处于中试放大阶段。值得一提的是我国台湾省的台塑集团,在80代年中期从美国Hitco公司引进百吨级碳纤维生产线,经消化、吸收和配套后得到迅速发展,台塑产量增加很快,但碳纤维质量的提高幅度并不大。

国产发展

我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代,80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢,但也取得了一定成绩。进入21世纪以来发展较快,安徽华皖碳纤维公司率先引进了500吨/年原丝、200吨/年PAN基碳纤维(只有东丽碳纤维T300水平),使我国碳纤维工业进入了产业化。随后,一些厂家相继加入碳纤维生产行列。据不完全统计,目前,我国已有12家生产规模大小不一(5~800吨/年)的PAN基碳纤维生产厂家,合计生产能力为1310吨/年,产品规格为1K、3K、6K、12K。但由于一些企业没有原丝可烧,实际国内碳纤维的总产量不足40吨/年,而且产品质量不太稳定,大多数达不到T300水平。

可喜的是,从2000年开始我国碳纤维向技术多元化发展,放弃了原来的硝酸法原丝制造技术,采用以二甲基亚砜 为溶剂的一步法 湿法纺丝 技术获得成功。目前利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。

碳纤维生产线

随着近年来我国对碳纤维的需求量日益增长,碳纤维已被列为国家 化纤 行业重点扶持的新产品,成为国内新材料行业研发的热点。据不完全统计,目前拟建和在建的碳纤维生产企业有11家,合计生产能力为原丝7100吨/年、碳纤维1560吨/年,其中在建企业为4家,合计生产能力为原丝1100吨/年、碳纤维470吨/年。

应用发展

尽管我国碳纤维生产发展缓慢,而消费量却一直在逐渐增加,市场需求旺盛。主要用途包括体育器材 、一般工业和航空航天等,其中体育休闲用品的使用量最大,占消费量的约80%~90%。我国碳纤维的需求量已超过3000吨/年,2010年将突破5000吨/年。主要应用领域为:成熟市场有航空航天及国防领域(飞机、火箭、导弹、卫星、雷达等)和体育休闲用品( 高尔夫球杆 、渔具、 网球拍 、 羽毛球拍 、箭杆、 自行车 、赛艇等);新兴市场有 增强塑料 、压力容器、建筑加固、 风力发电 、摩擦材料、钻井平台等;待开发市场有汽车、医疗器械、新能源等。

现况

我国碳纤维复合材料 的研制开始于20世纪70年代中期,经过近40年的发展,已取得了长足进展,在航天主导产品(弹、箭、星、船)上得到了广泛应用。近年来,我国体育休闲用品及压力容器等领域对碳纤维的需求迅速增长, 航空航天技术 的快速发展急需高性能碳纤维及其复合材料等,市场需求更加旺盛。

为了满足国内市场对碳纤维不断增长的需求,应尽快实现我国碳纤维工业的国产化和规模化。为此,必须加快技术创新,掌握核心技术;加速原丝技术开发,研制高纯度原丝;强化应用研究和市场开发,进一步扩大应用领域。碳纤维在我国大有发展前途,但应总结 涤纶 等化纤发展的经验教训,避免盲目发展,实现健康发展。

为了大型飞机的制造和航空航天事业的发展,我国还必须尽快地实现高强中模型碳纤维的产业化。但是,因为高性能碳纤维是发展航空航天等尖端技术必不可少的材料,长期受到以美国为首的巴黎统筹委员会的封锁。虽然“ 巴统 ”在1994年3月解散了,但禁运的阴影仍然存在。即使对我国解除了禁运,开始也只能是通用级碳纤维,而不会向我们出售高性能碳纤维技术和设备。因此,发展高性能碳纤维必须要靠我们自己。

我国 化学纤维 工业“十一·五”发展规划中提出了“从以增加数量为主转向大力发展高新技术纤维”,特别是把事关国家产业安全的高新技术纤维材料作为重中之重,而且碳纤维被列为首位,是国家迫切需要短期内突破的高新技术纤维品种,为我国碳纤维的发展创造了条件,我们要抓住这一机遇,自力更生、努力创新,发展具有自己知识产权的碳纤维,以满足不断增长的市场需求。国家“863 计划”以及有关部委都在关心我国碳纤维工业的发展及其产业化步伐,并给予强有力的支持,许多材料专家也扎扎实实的做了许多工作。“十一五”期间,我国又启动了相关“973计划”。相信“十一五”将是我国碳纤维工业产业化的黄金时代。

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