碳纤维产业研究---概述

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1、碳纤维材料机械工程材料1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、∼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

3、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2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

4、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-1000c.超高强度(UHT型)——强度大于4000MPad.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∼

5、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

6、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

7、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3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Carb

8、onization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