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      什么是碳纖維

      發布時間:2013/12/7 0:11:46  點擊:2734  來源:本站 作者:管理員

      什么是碳纖維

      產品說明:

      碳纖維


      碳纖維
      編輯

      碳纖維(carbon fiber),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,是新一代增強纖維。與傳統的玻璃纖維(GF)相比,楊氏模量是其3 倍多;它與凱夫拉纖維(KF-49)相比,不僅楊氏模量是其2倍左右,而且在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹,耐蝕性出類拔萃。有學者在1981年將PAN基CF浸泡在強堿NaOH 溶液中,時間已過去30多年,它至今仍保持纖維形態。

      目錄

      1發展

      2材料簡介

      3化學性質

      4制備

      5分類

      6應用領域

      7產業現狀

      8汽車外殼

      9碳纖維加固

      10技術標準

      1發展

      2005年,全球碳纖維市場僅為9億美元,而2013年可望達到或超過100億美元,預計到2022年有望達到400億美元,碳纖維復合材料的應用也將進入全新的時代。
      據《2013-2017年中國碳纖維行業深度調研與投資戰略規劃分析報告》[1]數據顯示我國是碳纖維需求大國,2011年我國碳纖維市場規模達到6811.22噸,然而,受供應不足的影響,國內碳纖維市場發展相對較為緩慢,預計未來幾年,隨著供應量的提升以及宏觀經濟的整體向好,我國碳纖維行業的需求量也將保持著較快速度的增長。
      不過,國產碳纖維落后的技術卻成為制約著我國碳纖維行業健康穩健發展的“攔路虎”。
      當前,全球碳纖維核心技術被牢牢掌控在少數發達國家手中。一方面,以美日為首的發達國家始終保持著對中國碳纖維行業嚴格的技術封鎖;另一方面,國外碳纖維行業領先企業開始進入中國市場,中國本土碳纖維企業的壓力大增。雖然我國政府加大了對我國碳纖維行業本土企業的引導和扶持力度,但在較大的技術差距下,國產碳纖維企業的突圍之路仍然坎坷。
      技術的落后直接導致我國碳纖維產品質量與進口產品之間的明顯差距,也極大地限制了國產碳纖維產品在高端領域的應用。前瞻網數據顯示,目前我國碳纖維產品在應用上集中于低端領域,在碳纖維質量要求較高的航空航天領域的應用比例僅為3%,遠遠沒達到國際上碳纖維行業在航空航天領域應用占比的平均水平;而在質量要求相對較低的運動休閑用品領域,碳纖維的應用比例卻高達80%左右,四倍于國際上碳纖維在運動休閑用品領域應用的平均水平。

      2材料簡介

      碳纖維是由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。

      碳纖維

      碳纖維的微觀結構類似人造石墨,是亂層石墨結構。
      碳纖維是一種力學性能優異的新材料,它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500MPa以上,是鋼的7~9倍,抗拉彈性模量為230~430GPa亦高于鋼。因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000MPa/(g/cm3)以上,而A3鋼的比強度僅為59MPa/(g/cm3)左右,其比模量也比鋼高。材料的比強度愈高,則構件自重愈小,比模量愈高,則構件的剛度愈大,從這個意義上已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景。

      3化學性質

      碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維。其中含碳量高于99%的稱石墨纖維。碳纖維的軸向強度和模量高,密度低、比性能高,無蠕變,非氧化環境下耐超高溫,耐疲勞性好,比熱及導電性介于非金屬和金屬之間,熱膨脹系數小且具有各向異性,耐腐蝕性好,X射線透過性好。但其耐沖擊性較差,容易損傷,在強酸作用下發生氧化,與金屬(比如鋁)復合時會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象。因此,碳纖維在使用前須進行表面處理。
      碳纖維編織布

      4制備

      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碳化制得:按狀態分為長絲、短纖維和短切纖維:按力學性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強度為1000兆帕(MPa)、模量為100GPa左右。高性能型碳纖維又分為高強型(強度2000MPa、模量250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。強度大于4000MPa的又稱為超高強型:模量大于450GPa的稱為超高模型。隨著航天和航空工業的發展,還出現了高強高伸型碳纖維,其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。
      應用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。碳纖維的制造包括纖維紡絲、熱穩定化(預氧化)、碳化、石墨化等4個過程。其間伴隨的化學變化包括,脫氫、環化、預氧化、氧化及脫氧等。
      第一、原絲制備,聚丙烯腈和粘膠原絲主要采用濕法紡絲制得,瀝青和酚醛原絲則采用熔體紡絲制得。制備高性能聚丙烯腈基碳纖維需采用高純度、高強度和質量均勻的聚丙烯腈原絲,制備原絲用的共聚單體為衣康酸等。制備各向異性的高性能瀝青基碳纖維需先將瀝青預處理成中間相、預中間相(苯可溶各向異性瀝青)和潛在中間相(喹啉可溶各向異性瀝青)等。作為燒蝕材料用的粘膠基碳纖維,其原絲要求不含堿金屬離子。
      第二、預氧化(聚丙烯腈纖維200~300℃)、不融化(瀝青200~400℃)或熱處理(粘膠纖維240℃),以得到耐熱和不熔的纖維,酚醛基碳纖維無此工序。
      第三、碳化,其溫度為:聚丙烯腈纖維1000~1500℃,瀝青1500~1700℃,粘膠纖維400~2000℃。
      第四、石墨化,聚丙烯腈纖維為2500~3000℃,瀝青2500~2800℃,粘膠纖維3000~3200℃。
      第五、表面處理,進行氣相或液相氧化等,賦予纖維化學活性,以增大對樹脂的親和性。
      第六、上漿處理,防止纖維損傷,提高與樹脂母體的親和性。所得纖維具有各種不同的斷面結構。
      要想得到質量好碳纖維,需要注意一下技術要點:
      (1)實現原絲高純化、高強化、致密化以及表面光潔無暇是制備高性能碳纖維的首要任務。碳纖維系統工程需從原絲的聚合單體開始,實現一條龍生產。原絲質量既決定了碳纖維的性質,又制約其生產成本。優質PAN原絲是制造高性能碳纖維的首要必備條件。
      (2)雜質缺陷最少化,這是提高碳纖維拉伸強度的根本措施,也是科技工作者研究的熱門課題。在某種意義上說,提高強度的過程實質上就是減少、減小缺陷的過程。
      (3)在預氧化過程中,保證均質化的前提下,盡可能縮短預氧化時間。這是降低生產成本的方向性課題。
      (4)研究高溫技術和高溫設備以及相關的重要構件。高溫炭化溫度一般在1300~1800℃,石墨化一般在2500~3000℃。在如此高的溫度下操作,既要連續運行、又要提高設備的使用壽命,所以研究新一代高溫技術和高溫設備就顯得格外重要。如在惰性氣體保護、無氧狀態下進行的微波、等離子和感應加熱等技術。

      5分類

      碳纖維照片
      一、按碳纖維原絲不同主要可以分為:
      1.PAN基碳纖維(市場上90%以上為該種碳纖維):
      2.黏膠基碳纖維:
      3.瀝青基碳纖維
      二、按碳纖維規格不同主要可以分為:
      1.1K碳布
      1K碳纖制作的管

      1K碳纖制作的管

      2.3K碳布,6K碳布:
      4.12K碳布:
      5.24K、50k及以上大絲束碳布
      目前市面上價格最貴,強度最高,重量最輕的是1K碳布。國內碳纖維車架單車、三角架、魚竿基本使用3K碳布,少數廠家會使用1K碳布。1K碳纖維管材,從碳絲的等級,樹脂的成分,碳布的密度,成型的壓力溫度等等工藝、工序都是非常嚴格的,成本高,質量上乘的1K碳布價格幾乎是3K碳布的3倍。
      三.abc按碳纖維炭化不同主要可以分為:
      1.石墨化碳纖維布,可以耐2000—3000度高溫:
      2.碳纖維布,可以耐1000度左右高溫,
      3.預氧化碳纖維布,可以耐200—300度高溫
      四.按織造方式的不同主要可以分為:
      1.機織碳纖維布,主要有:平紋布,斜紋布,緞紋布,單向布等:
      2.針織碳纖維布,主要有:經編布,緯編布,圓機布(套管),橫機布(羅紋布)等:
      3.編織碳纖維布,主要有:套管,盤根,編織帶,二維布,三維布,立體編織布等:
      4.碳纖維預浸布,主要有:干法預浸布:濕法預浸布:單向預浸布:預浸帶:無托布:有托布等:
      5.碳纖維無紡布,非織造布,即碳纖維氈,碳氈,包括短切氈,連續氈,表面氈,針刺氈,縫合氈等。
      碳纖維單絲拉伸曲線

      碳纖維單絲拉伸曲線

      6應用領域

      碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。傳統使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外,一般不單獨使用,多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中,構成復合材料。碳纖維增強的復合材料可用作飛機結構材料、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、機動船、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等。1994年至2002年左右,隨著從短纖碳纖維到長纖碳纖維的學術研究,使用碳纖維制作發熱材料的技術和產品也逐漸進入軍用和民用領域。國內已經有使用長纖碳纖維制作國家電網電纜的使用案例多處。同時,碳纖維發熱產品,碳纖維采暖產品,碳纖維遠紅外理療產品也越來越多的走入尋常百姓家庭。
      碳纖維是軍民兩用新材料,屬于技術密集型和政治敏感的關鍵材料。以前,以美國為首的巴黎統籌委員會(COCOM), 對當時的社會主義國家實行禁運封鎖政策,1994年3月,COCOM雖然已解散,但禁運封鎖的陰影仍籠罩在上空,先進的碳纖維技術仍引不進來,特別是高性能PAN基原絲技術,即使中國進入WTO,形勢也不會發生大的變化。因此,除了國人繼續自力更生發展碳纖維工業外,別無其它選擇。因此,國外尤其是碳纖維生產技術領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謹慎的態度,只有為數很少的中國企業能夠與其建立合作關系,擁有其產品的進口渠道。
      碳纖維廣泛用于民用,軍用,建筑,化工,工業,航天以及超級跑車領域。
      其中在土木建筑領域:碳纖維也應用在工業與民用建筑物、鐵路公路橋梁、隧道、煙囪、塔結構等的加固補強, 具有密度小, 強度高, 耐久性好, 抗腐蝕能力強, 可耐酸、堿等化學品腐蝕, 柔韌性佳, 應變能力強的特點。用碳纖維管制作的桁梁構架屋頂, 比鋼材輕50%左右, 使大型結構物達到了實用化的水平, 而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外, 碳纖維做補強混凝土結構時, 不需要增加螺栓和鉚釘固定, 對原混凝土結構擾動較小, 施工工藝簡便。
      同樣,在航空領域,波音787的機身也采用碳纖維,這使飛機飛得更快,油耗更低,同時能增加客艙濕度,讓乘客更舒適。

      7產業現狀

      世界碳纖維產量達到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,韓國泰光產業,中國臺灣省的臺塑集團,等少數單位掌握了碳纖維生產的核心技術,并且有規?;笊a。
      中國對碳纖維的研究開始于20世紀60年代,80年代開始研究高強型碳纖維。多年來進展緩慢,但也取得了一定成績。進入21世紀以來發展較快,安徽華皖碳纖維公司率先引進了500噸/年原絲、200噸/年PAN基碳纖維(只有東麗碳纖維T300水平),使中國碳纖維工業進入了產業化。隨后,一些廠家相繼加入碳纖維生產行列。
      從2000年開始中國碳纖維向技術多元化發展,放棄了原來的硝酸法原絲制造技術,采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術獲得成功。利用自主技術研制的少數國產T300、T700碳纖維產品已經達到國際同類產品水平。
      碳纖維生產線

      碳纖維生產線

      隨著中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重點扶持的新產品,成為國內新材料行業研發的熱點。
      我國碳纖維產業化采取自主開發和引進相結合的道路已初見成效,到“十一五”末期基本實現了相當于日本T300的國產碳纖維規模生產線,并且有一些企業已形成了T700以上水平的百噸生產線、中國碳纖維產業已經從重重封鎖及圍追堵截中找到突破點!

      8汽車外殼

      中科院寧波材料所把一輛碳纖維小汽車開進了高交會,賺足了眼球———亮點主要在外殼上:在普通材質的汽車引擎蓋上,榔頭用力敲擊,漆蓋上很有可能會有凹陷,而這輛車的車殼卻非常堅固,用力敲擊車蓋后會迅猛反彈,表面絲毫未損。
      “這是碳纖維復合材料做的車子,比起普通用鋼材制造的汽車,它的最大特點是輕和快?!敝锌圃簩幉ú牧纤内w曉光向記者介紹說,這輛車拋棄了傳統的鋼結構,大量采用碳纖維材料制成,比普通鋼材的汽車重量能減少60%。在同樣用油情況下,這輛車每小時可以多開50公里。
      體重減輕了,安全性如何?雖然碳纖維的看起來像塑料,但實際上這種材料抗沖擊性比鋼鐵強,特別是用碳纖維做成的方向盤,機械強度和抗沖性相比大大提高。在復合材料的“武裝”下,這輛小車反倒成了家用車中的“裝甲車”。據趙曉光透露,這種碳纖維材料已經在高速列車的裙擺上應用。

      9碳纖維加固

      碳纖維加固包括碳纖維布加固和碳纖維板加固兩種。碳纖維材料用于混凝土結構加固修補的研究始于80年代美、日等發達國家。我國的這項技術起步很晚,但隨著我國經濟建設和交通事業的飛速發展,現有建筑中有相當一部分由于當時設計荷載標準低造成歷史遺留問題,一些建筑由于使用功能的改變,難以滿足當前規范使用的需求,亟需進行維修、加固。常用的加固方法有很多,如:加大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法、碳纖維加固法等。碳纖維加固修補結構技術是繼加大混凝土截面、粘鋼之后的又一種新型的結構加固技術。

      10技術標準

      國內最早通過的規范是2003年《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》,其編號為CECS146:2003, 已經被最新的國家標準規范2006《混凝土結構加固設計規范》代替,其編號為GB 50367-2006. 碳纖維加固最近的國標是《結構加固修復用碳纖維片材》GB/T 21490-2008,08年10月1日起執行。 《工程結構加固材料安全性鑒定技術規范》


       

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