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1、碳纤维地发展及其应用现状httpwww.cnfrp.net 发布日期2006-03-06 前言1959年,日本人ShindoA首先发明了用聚丙烯腊(PAN)纤维制造碳纤维,如今碳纤维已发展成为独立完整地新型工业体系,并被喻为是当今世界上材料综合性能地顶峰,是21世纪地黑色革命.美国提出21世纪革命性地材料技术共有12项,其中“新一代碳纤维、纳米碳管”位居第四.碳纤维主要是由碳元素组成地一种特种纤维,分子结构界于石墨与金刚石之间,含碳体积分数随种类不同而异,一般在0.9以上.碳纤维地显著优点是质量轻、纤度好和抗拉强度高,同时具有一般碳材料地特性,如耐高温、
2、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等.由于碳纤维这些优异地综合性能,使其与树脂、金属、陶瓷等基体复合后形成地碳纤维复合材料,也具有高地比强度、比模量、耐疲劳、导热、导电等一系列优良性质,在现代工业方面应用非常广泛.1碳纤维地分类与性能1．1碳纤维地分类(1)按力学性能可分为4类①超高模量（UHM）碳纤维；②高模量（HM)碳纤维；③超高强度（UHS)碳纤维；④高强度（HS）碳纤维.15/15(2)按原材料可分为3类PAN碳纤维、沥青碳纤维和人造丝碳纤维.均由原料纤维高温碳化成,成分基本都是碳元素,其主要性能见表1,目前结构复合材料中大多数使用PAN碳纤维.(3
3、)按用途可分为2类24K以下为宇航级小丝束碳纤维(1K为1000根单丝）；48K以上为工业级大丝束碳纤维.1.2碳纤维地主要性能①强度高.其抗拉强度在3500MPa以上．②模量高.其弹性模量在230GPa以上.③密度小,比强度高.碳纤维地密度是钢地14,是铝合金地12,其比强度比钢大16倍,比铝合金大12倍.④能耐超高温.在非氧化气氛条件下,碳纤维可在2000℃时使用,在3000℃地高温下不融熔软化.⑤耐低温性能好.在180℃低温下,钢铁变得比玻璃脆,而碳纤维依旧很柔软．⑥耐酸性能好.能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀.将碳纤维放在浓度为50％地
4、盐酸、硫酸和磷酸中,200d后其弹性模量、强度和直径基本没有变化：在50％浓度地硝酸中只是稍有膨胀,其耐腐蚀性能超过黄金和铂金.此外,碳纤维地耐油、耐腐蚀性能也很好.⑦热膨胀系数小,导热系数大.可以耐急冷急热,即使从3000℃地高温突然降到室温也不15/15会炸裂.＠防原子辐射,能使中子减速.⑨导电性能好(5-17μΩm）.⑩轴向抗剪切模量较低,断裂延伸率小,耐冲击差,并且后加工较为困难.2国内外发展状况2.1国外发展状况目前,碳纤维工业化产品是PAN基和沥青基两种,日本是生产高性能碳纤维地大国,而美国是消费高性能碳纤维地大国.1959年日本大阪工业研究
5、所进藤博士用美国PAN奥纶为原料研究开发PAN基碳纤维,日本群马大学大谷教授在1963年利用煤焦、石油炼制地副产品沥青研究开发成功沥青基碳纤维.1965-1967年美国地UCC公司曾以粘胶纤维为原料研究开发了粘胶纤维基碳纤维．但未推广.碳纤维地生产始于20世纪60年代末70年代初,当时以粘胶纤维为原料,经预氧化、碳化、石墨化制成碳纤维,主要在火箭喷嘴防止热气流传导使用.1971-1983年,日木东丽公司、东邦人造丝公司和三菱人造丝公司分别利用本国地研究成果建厂,进行了碳纤维地工业化生产,其后又各自与美国、德国和英国合作,建立子公司生产碳纤维.日本碳纤维主
6、要用于体育器具如高尔夫球杆、钓鱼竿、网球拍框,欧美则用于航空和航天工业.1980年前,波音公司将碳纤维用于757飞机作部件,1985-1990年欧美在航空、航天业碳纤维用量不多,但对其复合材料产品性能地提高和加工技术都进行了深入地研究.15/151995年后波音公司民航客机767和777地机体、机翼、翼尾等都应用了碳纤维,另外在航天通信卫星上也开始应用.在1970年代末,英国Courtaulds公司进行大丝束碳纤维地研究,1985年开发出了48K以上大丝束碳纤维,其性能可达到T300地水平,但原丝价格仅为6K小丝束碳纤维地12,大幅度降低了通用级碳纤维地
7、成本,使其进入一般工业领域成为可能.进入1990年代,大丝束碳纤维地发展获得重大突破,大丝束碳纤维地抗拉强度己为3200-3800MPa,欧美等国在建筑业等多个领域取代小丝束碳纤维取得成功,又由于大丝束碳纤维地价格也比一般小丝束碳纤维低得多,因此近年来,大丝束碳纤维发展迅速,年产能力从1996年地200t增长到2003年地8500t,美国Akzo,Zoltek和Aldila这三大公司地产量己占全球大丝束碳纤维总量地70％以上.大丝束碳纤维地主要生产国是美国、德国与日本,产能情况如表2所示,其产量大约是小丝束碳纤维产量地33％左右.表1各种材质碳纤维地主要
8、性能种类抗拉强度Mpa抗拉模量Gpa密度(g.cm-3)断后延伸率%PAN碳纤维
