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纺织术语-碳纤维

编辑:湖州昆山宏嘉焊锡制造有限公司  字号:
摘要:纺织术语-碳纤维
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23000~43000Mpa亦高于钢。

含碳量高于90%的无机高分子纤维(见彩图),其中含碳量高于99%的称为石墨纤维。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,耐药品性好,纤维的密度低,X射线透过性好。缺点是耐冲击性较差,容易损伤;在热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。为此复合前须经表面处理,包括镀镍等。碳纤维

碳纤维-沿革

碳纤维最早由美国联合碳化物公司和美国空军材料实验室于1959年投产,原丝采用粘胶纤维。1962年,日本碳公司进行了通用级聚丙烯腈基碳纤维的生产。1971年,日本东丽公司的高性能聚丙烯腈基碳纤维投产。沥青基碳纤维是日本吴羽化学工业公司于1973年投产的。联合碳化物公司生产了高模量沥青基碳纤维,1985年,美国、日本及西欧的聚丙烯腈基碳纤维年生产能力共约有7.25kt,沥青基碳纤维为1.28kt。

碳纤维-分类

碳纤维按原丝种类可分为聚丙烯腈基、沥青基、粘胶基及酚醛基等,按力学性能则可分为通用型(GP)与高性能型(HP)两类。通用型碳纤维强度 1000MPa、模量100GPa左右,高性能型碳纤维又可分为高强型(强度2000MPa、模量250GPa)和高模型(模量在 300GPa以上)。强度大于4000MPa者称为超高强型;模量大于450GPa者称为超高模型。随着航天和航空工业的发展,还出现了高强高伸型(强度大于 49000MPa、延伸度大于2%)新品种。80年代,用量最大是强度3~35000MPa、模量150~300GPa的聚丙烯腈基碳纤维,约占碳纤维总量的80%、高性能碳纤维的99%,被称为碳纤维的标准品。

碳纤维-生产方法

①原丝制备,聚丙烯腈和粘胶原丝主要采用湿法纺丝制得,沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制得。制备高性能聚丙烯腈基碳纤维需采用高纯度、高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝,制备原丝用的共聚单体为衣康酸等。制备各向异性的高性能沥青基碳纤维需先将沥青预处理成中间相、预中间相(苯可溶各向异性沥青)和潜在中间相(喹啉可溶各向异性沥青)等。作为烧蚀材料用的粘胶基碳纤维,其原丝要求不含碱金属离子。②预氧化(聚丙烯腈纤维200~300℃)、不熔化(沥青200~400℃)或热处理(粘胶纤维240℃),以得到耐热和不熔的纤维,酚醛基碳纤维无此工序。③碳化,其温度为:聚丙烯腈纤维1000~1500℃,沥青1500~1700℃,粘胶纤维400~2000℃。④石墨化,聚丙烯腈纤维为2500~3000℃,沥青2500~2800℃,粘胶纤维3000~3200℃。⑤表面处理,进行气相或液相氧化等,赋予纤维化学活性,以增大对树脂的亲和性。⑥上浆处理,防止纤维损伤,提高与树脂母体的亲和性。所得纤维具有各种不同的断面结构(见图)。

碳纤维

碳纤维-用途

碳纤维有长丝、短纤维、短切纤维等,可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料,如金属涂层

碳纤维纤维。长丝和纤维织物一般加工成预浸料。此外,还可不经碳化和石墨化生产聚丙烯腈预氧化丝和活性炭纤维。碳纤维除用作绝热保温材料外,一般不单独使用,常加入树脂(见彩图)、金属、陶瓷和混凝土等,构成相应的复合材料,用于制作飞机结构材料、火箭外壳、宇宙机械、高尔夫球棒、球拍、机动船、电波屏蔽除电材料、电视机天线、离心分离机的高速转子、工业机器人、汽车板簧及驱动轴、人工韧带等身体代用材料等。

碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。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(COCO

M),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。

碳纤维-发展

碳纤维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。

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。

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。

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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