forecaster碳纤维及其复合材料的发展和应用(精)

2021年1月19日发(作者：binoculars)

·
开发与创新
·

Development and Applications of Carbon Fiber and Its Composites
GAO Bo ,XU Zi-Li
(Wuhan Textile University ,Wuhan Hubei 430073,China
Abstract:This paper introduces performance and features of carbon fiber,briefly
overviews the history,including both foreign and analyses the properties
and applications of carbon fiber composite material,emphasizes the related performance
that carbon fiber adds to the metal matrix composites and points out its research
words:carbon fiber composite metal matrix
0
引言

碳纤维是含碳量高于
90%
的无机高分子纤维,
是由有机母体纤维
(
聚丙烯睛、粘
胶丝或沥青等采用高温分解法在1000~3000
℃高温的惰性气体下碳化制成的。它是
一种力学性能优异的新材料,
比重不到钢的
1/4,
能像铜那样导电
,
比不锈钢还耐腐蚀< br>,
而其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 ,
也高于钢。碳纤维按其原料可分为三类
:
聚丙烯腈基
(PAN
碳 纤
维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维三类。其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广
,
需< br>求也最大
[1]
。

1
碳纤维的发展史

1.1
国外碳纤维的发展历史

20
世纪
50
年代美国开始研究粘胶基碳纤维
,1959
年生产出了粘胶基纤维
Thormel-25,
这是最早的碳纤维产品。同一年
,日本发明
了用聚丙烯腈基
(PAN
原丝



制造碳纤维的新方法。紧接着英国皇家航空研究院研究了高性能
PAN
基碳纤
维的技术流程
,
使
PAN
基碳纤维成为碳纤维工业 的主流。
20
世纪
70
年代中期
,
美国
联合碳化公 司在美国空军和海军的资金支持下
,
研发高性能沥青基碳纤维。碳纤维
的民用商业化也 正是始于
70
年代。日本东丽公司最早于
1971
年开始生产钓鱼杆和
高尔夫球棒。
1974
年
,
美国最早把碳纤维用于网球。接着羽毛球拍也都 实现了
CFRP (carbon-fiber reinforced
plastic < br>化。
20
世纪
80
年代
,
碳纤维开始广泛用于客机< br>
和航天飞机。人造卫星也实现了
CFRP
化。进入
21
世 纪
,
碳纤维的需求量随之
增大
,
以大约
13%
的速 度逐年递增。碳纤维的主要性能见表
1
。表
2
是不同领域碳
纤维的需 求及预测见表
2
。

1.2
国内碳纤维的发展

我国碳纤维起步于上世纪
60
年代末
,
在意识到碳

碳纤维及其复合材料的发展和应用

高波
,
徐自立

(
武汉纺织大学机电学院
,
湖北武汉
430073
收稿日期
:2010-05-31
作者简介
:
高波
(19 86-,
在读硕士研究生。研究方向
:
碳纤维增强
;
徐自立
(1964-,
硕
士生导师
,
教授
,
博士。
摘要
:
介绍了碳纤维的性能及其特性
,
概述了碳纤维的发展史
,
包括国外和国内。
分析了碳纤维复合材

料的特性和应用
,
着重说明了碳纤维增加金属基复合材料的相关性能
,
并指出了
其研究前景。



关键词
:
碳纤维
;
复合材料
;
金属基中图分类号
:F4
文献标识码
:A
doi:10.3969/.1002-6673.2010.04.014
机电产品开发与创新

Development &Innovation of M achinery &E lectrical P roducts
Vol.23,No.4July .,2010
第
23
卷第
4期
2010
年
7
月

文章编号
:1002-6673(201004-037-03
表
1
碳纤维的主要性能

性能聚丙烯腈基碳

纤维

石油沥青级碳

纤维

粘胶碳纤维

拉伸强度
(Mpa >3~2800
密度
(g/cm 3 1.76~1.94 1.7 2.0
拉拉弹性模量

(Gpa
>207
379
441-552


37
·
开发与创新
·

纤维对军工和民用的价值后开始重视。自
1975
年
11
月全国第一次碳纤维复合
材料会议之后
,
一 直将碳纤维及其复合材料纳入国家科技攻关项目。经过四十多年
的发展
,
我国碳纤维从 无到有
,
从研制到生产取得了一定的成绩
,
但总的来说
,
我 国碳纤
维的研制与生产水平还较低
,
近些年来
,
由于我国对碳纤维需 求量的日益增加
,
碳纤维
又成为国内新材料业研发的热点。但是
,
除 极个别企业外
,
大多数引进项目的技术和
设备水平属国际中下等
,
生 产的碳纤维产品也未达到高端水平
[2]
。国内生产聚丙烯
腈碳纤维的厂家主要有:
榆茨化纤厂、兰州石化公司化纤厂、兰州碳素纤维厂、衡
水碳纤维材料厂、无锡宏泰机械 厂、上海合纤所等。这些厂家的生产能力比较低
,
无法满足国内市场对碳纤维的需求。
2004
年我国碳纤维消耗量约为
4500t,2009
年
达到
90 00t,
而
95%
依赖进口
[3]
。值得庆幸的是
,200 9
年
6
月
14
日
,
我国首个百吨级
碳纤维 生产基地
——

—
中国石油吉林石化公司碳纤维厂在吉林省吉林市建成并投产 。其自主研发的
聚丙烯腈基碳纤维产品性能已达到国际先进水平
,
打破了国外技术封锁
,
标志着我国
高性能碳纤维产业化实现了新突破。
2
碳纤维增强复合 材料

复合材料的组成相为增强相与基体相。增强相一般有很高的力学性能
(
强度、
弹性模量
,
其主要作用是承受载荷或显示功能。增强相一般有三种
:< br>纤维、晶须、颗
粒
,
它们是不连续相。基体相也有三种
:
金属 、陶瓷、聚合物
,
它们是连续相。碳纤维
是高性能复合材料最常用、最重要的增强相< br>,
是目前可作
MMCs
增强物中价格最便
宜的一种。一般是以
500~12000
根直径为
5.6~14μm
的细纤维组成束丝作为增强体
使用。而像硼纤维、碳化硅则是单丝做为增加体使用。无论何种原丝纤维来制造碳
纤维
,
都要经过五个阶段
[4]:
①拉丝
:
可用湿法、干法或者熔融状态三种中任 意一种方
法进行
;
②牵伸
:
在室温以上
,
通常是在
100-300
℃范围内进行
,
首先发现结晶
定向纤维的拉伸效应
,
而且这效应控制着最终纤维的模量
;
③稳定
:
通过
400
℃加热氧


化的方法
;
④碳化
:
在
1000~2000
℃范围内进行
;
⑤石墨化
:
在2000~3000
℃范围内进
行。

经过以上五个阶段
,所产生的最终纤维其基本成分都为碳
,
高模量碳纤维成分几
乎为纯碳。
2 .1
碳纤维
/
聚合物复合材料

碳纤维
/
聚合物复 合材料
,
也就是通常说的碳纤维增强树脂基复合材料
(CFRP,
是
目前最先进的复合材料之一
,
它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良
等特 点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料
,
是其他纤维增强复合材料所无法比
拟的。这 些材料在上世纪
60
、
70
年代开始应用
,
现在技术已经非 常成熟了
,
如碳纤维
增强环氧树脂。碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域有着大 量的应用
,
如航
天飞机的舱门、仿生机械臂以及压力容器等。随着航空技术的不断发展
,
民用飞机
在结构中大量地使用碳纤维增强聚合物复合材料
,
如副翼 、发动机罩、阻力板、起
落架舱门等
[5]
。

2.2
碳纤维
/
陶瓷基复合材料

碳纤维
/
陶瓷基复合材料
,
与陶瓷材料相比有较好的韧性和力学性能
,
保持了基本< br>原有的优异性能。比高温合金密度低
,
是比较理想的高温结构材料。用碳纤维增强
陶瓷可以有效地改善韧性
,
改变陶瓷的脆性断裂形态
,
同时阻止裂纹在陶瓷 基体中的
扩展
,
目前国外比较成熟的碳纤维
/
陶瓷复合基复合材料是 碳纤维增强碳化硅材料
,
因
其良好的高温力学性能
,
在航空发动机、 航天飞行器领域等具有广泛的应用。

2.3
碳纤维
/
碳复合材料

碳纤维
/
碳 复合材料汽化温度
,
抗热振
,
摩擦性能好
,
已用于制作刹车 片、汽车和
赛车制动系统、高温模具、高温真空炉内衬材料。碳纤维
/
碳复合材料作为 烧蚀材
料早在
20
世纪
70
年代就被用于洲际导弹头的端头帽。碳纤 维
/
碳复合材料也是用
做高温输送装置、核反应堆零件、电触头、热密封垫和轴承的优 良材料。由于碳
/
碳复合材料与人体组织生理上相容
,
弹性模量和密度可以设 计得与人骨相近
,
并且强
度高
,
因此
,
可以做人工 骨头
,
如接断骨、作膝关节和髋关节等
[6]
。