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碳纤维介绍

2022-11-18 来源:高分子物理学公众号 浏览数:1

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碳纤维简介

碳纤维简介

    碳纤维是含碳量高于90%以上的一种无机纤维。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。碳纤维具有十分优异的力学性能,是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维,特别是在2000℃以上的高温惰性环境中碳材料是唯一强度不下降的物质,是其它主要结构材料所无法比拟的。

碳纤维的结构

    碳纤维的结构在分子尺度上类似于石墨,但并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构。与石墨不同,碳纤维的分子之间没有层状结构,而是比较混乱的分布,这也是碳纤维能不像石墨一样软的原因。

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02

碳纤维的制备工艺

 

    根据碳纤维合成方式的不同,碳纤维有聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和黏胶基碳纤维等。

聚丙烯腈基碳纤维

    聚丙烯腈(PAN)基碳纤维由聚丙烯腈经纺丝、预氧、碳化几个阶段形成。PAN基碳纤维具有高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点,并具有很强的抗压抗弯性能,一直在增强复合材料中保持着主导地位。目前,PAN基碳纤维仍是碳纤维市场中的主流。

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聚丙烯腈环化

黏胶基碳纤维

    粘胶基碳纤维是由主要成分为纤维素的粘胶纤维经过脱水、热解然后碳化而得来的。粘胶基碳纤维的三维石墨结构不发达,导热系数小;石墨层间距大,石墨微晶取向度低,因此是理想的耐烧蚀和隔热及热防护材料。同时,粘胶基碳纤维是由天然纤维素木材或棉绒转化而来,与生物的相容性极好,又可作为良好的环保和医用卫生材料。 

    但是,由于生产粘胶基碳纤维的工艺流程较长,工艺条件苛刻,不适宜大批量生产,成本较高;另外,粘胶基碳纤维的整体性能指标比PAN基碳纤维的要差,综合性能价格比在竞争中处于劣势,因此从20世纪60年代以来其生产规模逐渐萎缩,目前产量已不足世界碳纤维产量的 1%。

沥青基碳纤维

    沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料,经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成。沥青基碳纤维的生产原料成本低于聚丙烯腈基碳纤维,但由于沥青基碳纤维的生产工艺复杂,反而使其生产成本大大增加。此外,沥青基碳纤维抗压强度比较低,其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纤维,因此其生产规模和应用领域都受到了一定限制。不过,由于沥青基碳纤维具有优良的传热、导电性能和极低的热膨胀系数,因此仍在必须要求这些性能的军工及航天领域发挥着独特作用。

 

03

碳纤维的性能

 

    碳纤维具有一系列优良的性质,最典型的的性质为高强度、高模量,其强度比钢大4~5倍,弹性回复接近100%。

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    除了高强高模以外,碳纤维还有密度小、质量轻的特点。碳纤维的密度为1.5~2g/cm3,相当于钢密度的 1/4、铝合金密度的1/2。

    除上述性质外,碳纤维还有一些性质可以用于特殊用途,如热膨胀系数小,耐骤冷、急热;摩擦系数小,并具有润滑性;导电性好,25℃时高模量碳纤维的比电阻为 775μΩ/cm,高强度碳纤维则为1150μΩ/cm;耐高温和低温性好,在 3000℃非氧化气氛下不熔化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;化学稳定性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。

 

04

碳纤维的应用

航空航天

    在航空航天领域,对材料的重量有严格的要求。轻质高强的碳纤维复合材料(CFRP)成为解决这一难题的关键。它所具有的高比强度和比模量、性能可设计和易于整体成形等诸多优点,可以满足航天结构高结构效率的要求,易于得到尺寸稳定的结构。自从CFRP 被广泛应用于军事、民用各个领域,尤其是航空航天领域后,其所展现出的优异特性使它已经成为一种不可或缺,同时又不可多得的多功能的特种工程材料。现在,CFRP 已经与铝合金、钛合金、合金钢一起成为航空、航天领域的四大结构材料。

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波音787中用到的复合材料约占飞机结构重量的50%

 

国防军工

    新武器装备研制过程中的小型化、轻质化、高强度、长寿命、机动性、稳定性等都离不开碳纤维的应用,可以说碳纤维在国防军工中有举足轻重的影响。

风电叶片

    近年来,我国清洁能源的发展迅速,对风电设备有巨大的需求。传统的叶片制造材料主要为玻璃纤维复合材料,而当叶片长度超过一定值后,叶片重量比较大,性能上也有较多不足,已经无法满足风电叶片大型化,轻量化的要求。而碳纤维复合材料比玻璃纤维复合材料具有更低的密度,更高的强度,其突破了玻璃纤维复合材料的性能极限,而且可以保证风电叶片在增加长度的同时,重量大大降低了。

交通运输

    在交通领域,碳纤维扩大应用的最大希望在于汽车业。国外的各大主要汽车厂家,均竞相开发碳纤维复合材料(CFRP)化的节能、环保和 CFRP安全性汽车。新一代的汽车要求大大降低能耗,最重要的措施之一就是减轻汽车质量,用一般钢材是不可能实现的,最有效的办法就是应用复合材料。设计表明,一辆典型小车的碳纤维用量可超过 113kg,以此推算,仅满足北美需求,碳纤维复合材料的需求量就达世界碳纤维总生产能力的100倍。因此碳纤维复合材料用作汽车材料,将具有广阔的发展前景。

土木建筑

    随着碳纤维成本的降低与复合材料制造技术的发展,土木建筑领域成为碳纤维复合材料应用的新市场。利用碳纤维复合材料棒材替代圆钢,利用碳纤维片材加固或修复桥梁及建筑物,及利用碳纤维增强混凝土等将会有很大的发展。目前在土木建筑领域的应用主要是:复合材料棒材、纤维增强胶接层板、碳纤维增强混凝土、碳纤维复合材料板、碳纤维单向布等。

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05

总结

 

    碳纤维复合材料是一种高性能、多功能的先进复合材料。目前,国内外学者对于碳纤维复合材料的研究热点主要集中于复合材料的制备与工艺优化以及复合材料及结构的损伤破坏和承载能力分析等领域。我国在碳纤维复合材料的研究方面起步不晚,但由于在复合材料的制备、性能分析和设计等方面还比较落后,与发达国家相比,碳纤维复合材料在国内相关领域特别是航空航天领域的应用还存在较大差距。要扩大碳纤维及其复合材料的应用范围,应该一方面开发高性能的碳纤维,打破国外对我国的封锁,满足我国军事、航空航天等行业的要求;另一方面研究开发有特色的具有自主知识产权的低成本碳纤维生产技术以及成型费用低的复合材料制造新工艺。相信随着我国在碳纤维生产以及复合材料制备工艺领域的进一步发展,碳纤维及其复合材料在建筑、交通、化工等民用领域的应用前景将十分乐观,而其在航空航天及军事领域的应用也会更加广泛。

 

 

 

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