“碳纖維的性能及應(yīng)用”

引言

碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、優(yōu)異的電性能和較小的體積質(zhì)量等特性,既具有碳材料的固有特性,又具備紡織纖維的柔軟可加工性和優(yōu)異的力學(xué)性能,近年來,已廣泛用于國防、軍用和民用等領(lǐng)域,是我國現(xiàn)階段鼓勵(lì)優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)纖維.國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了碳纖維的工業(yè)化,而我國還處于研制階段.由于發(fā)達(dá)國家作為戰(zhàn)略物資進(jìn)行管制,在一定程度上制約了我國碳纖維的發(fā)展.因此,加速碳纖維的研制和生產(chǎn)是一項(xiàng)艱巨而迫切的任務(wù).

Part 01

碳纖維的性能及分類

01

性能

強(qiáng)度比鋼材大 68倍以上,彈性模量比鋼材大 1.8~2.6 倍.而碳纖維的密度為鋼材的1/4,即便是制作復(fù)合材料,密度也變化不大.碳纖維的熱膨脹系數(shù)小,熱導(dǎo)性好,導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降,耐高溫和低溫性能好,耐驟冷、急熱性能好.碳纖維的導(dǎo)電性優(yōu)良,25 ℃高模量碳纖維電阻率為7.75×10-2 Ω·m,高強(qiáng)度碳纖維為1.5×10-1 Ω·m .碳纖維的穩(wěn)定性好,如耐酸性強(qiáng),能耐濃鹽酸、硫酸的腐蝕和浸漬,還抗輻射,能吸收有毒氣體.碳纖維與其他材料相容性好.碳纖維質(zhì)量較輕,彎曲性好,可加工性好,適用于不同的構(gòu)件形狀.碳纖維設(shè)計(jì)自由度大,成型較方便,能滿足不同產(chǎn)品性能的要求.施工時(shí)不需要大型設(shè)備,工藝簡單,對原結(jié)構(gòu)沒有損傷.

02

分類

按原絲類型分為4類:聚丙烯腈碳纖維、瀝青碳纖維、粘膠碳纖維和酚醛碳纖維.聚丙烯腈碳纖維應(yīng)用最廣、發(fā)展最快,產(chǎn)量約占95%,主要用于碳復(fù)合材料骨架構(gòu)件;瀝青碳纖維具有高模量、高強(qiáng)度、導(dǎo)電、耐高溫等優(yōu)良特性,用于航天工業(yè)的工程材料,產(chǎn)量約占4%;粘膠碳纖維產(chǎn)量約占1%,用于隔熱和耐燒蝕材料;酚醛碳纖維處于研究階段,暫未形成工業(yè)化.按形態(tài)分為:長絲、短纖維和短切纖維.長絲用于宇航和工業(yè)構(gòu)件中;短纖維用于建筑行業(yè).按力學(xué)性能分為:高性能型和通用型.高性能型碳纖維強(qiáng)度為2000 MPa、模量為250 GPa 以上;通用型碳纖維強(qiáng)度為1000 MPa、模量為100 GPa左右.按行業(yè)應(yīng)用分為:宇航級(jí)小絲束碳纖維和工業(yè)級(jí)大絲束碳纖維.小絲束為1 K、3 K、6K(1 K為1000根長絲),現(xiàn)在較多的為12 K和24 K;大絲束為48 K以上,直到480 K.

Part 02

碳纖維的應(yīng)用

01

航空航天

碳纖維質(zhì)量小,可以節(jié)約大量燃料,據(jù)報(bào)道,航天飛機(jī)質(zhì)量每減少 1 kg就可使運(yùn)載火箭減輕500 kg.碳纖維具有一定的剛性和導(dǎo)熱性,使碳纖維復(fù)合材料在導(dǎo)彈、火箭等航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用.碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料是生產(chǎn)武器、飛行器的重要材料,用于飛行器上可以起到明顯的減重作用,提高抗疲勞、耐腐蝕性能.波音公司生產(chǎn)的飛機(jī)材料中,50%使用碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)塑料,可減輕飛機(jī)質(zhì)量,而剛度和強(qiáng)度不降低,節(jié)約了燃料.如果碳材料的比例繼續(xù)增加,會(huì)使飛行速度提高20%左右.預(yù)測到2020年,只有復(fù)合材料才有潛力使飛機(jī)獲得20%~50%的性能提升,碳纖維復(fù)合材料用量將達(dá)到65%.

02

體育

碳纖維復(fù)合材料具有樹脂基體和碳纖維的特性,力學(xué)性能優(yōu)良,所以,體育器材中碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能比傳統(tǒng)的木材及其復(fù)合材料高得多.碳纖維在體育領(lǐng)域應(yīng)用較多,如高爾夫球桿、球拍、帆船桅桿、棒球球桿等.高爾夫球桿使用碳纖維使其質(zhì)量減輕,球可以獲得較大的初速度;同時(shí),碳纖維具有高阻尼特性,所以擊球時(shí)間增加,球被擊起的距離增加.高級(jí)自行車的關(guān)鍵部位大多使用碳纖維,賦予車體較好的剛性和減震性能,且質(zhì)量較輕.2008年,國內(nèi)研究碳纖維在自行車上的應(yīng)用取得突破性進(jìn)展,由碳纖維制造的自行車,質(zhì)量僅9.5 kg,為普通自行車的2/5,但是抗撞擊能力卻為普通自行車的8倍.

03

工業(yè)

碳纖維用于家用電器、半導(dǎo)體和機(jī)器部件中,有提高強(qiáng)度、防護(hù)電磁波等作用.例如,碳纖維已經(jīng)成為汽車制造及內(nèi)外裝飾的常用材料,在剎車片、引擎、尾翼和傳動(dòng)軸中廣泛應(yīng)用,最大的特點(diǎn)是強(qiáng)度大、質(zhì)量輕,質(zhì)量僅為鋼材的20%~30%,硬度為10倍以上.隨著碳纖維在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展,節(jié)能效益也十分顯著.隨著環(huán)保要求的提高,目前在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料箱和汽車尾部沸騰器應(yīng)用較多.奔馳跑車車身幾乎全部采用碳纖維復(fù)合材料,質(zhì)量輕,但對碰撞能量的吸收能力卻很高,不僅降低車重,車速提高,而且提供安全保障.李建利等研究了制動(dòng)性好、密度低的碳纖維復(fù)合材料剎車片的發(fā)展歷程以及在火車、汽車和飛機(jī)上的應(yīng)用,從使用壽命、噪音和性能等方面考察,碳纖維復(fù)合材料剎車片均具有很大的優(yōu)勢.

04

建筑

碳纖維密度小、強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、柔韌性好、穩(wěn)定性好、應(yīng)變能力強(qiáng),是橋梁、建筑物加固和抗震的理想材料,在工業(yè)與民用建筑物、橋梁、隧道等建筑領(lǐng)域發(fā)展很快.碳纖維制成的構(gòu)架屋頂,可減小建筑的體積和質(zhì)量,使施工效率和抗震性提高.碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量高于鋼材,彈性模量與鋼材相當(dāng),但是拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼材,耐久性能好.作為土木工程材料,在美國、日本和歐洲等國家和地區(qū)得到了大量推廣.碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)混凝土?xí)r,不需要加鉚釘和螺栓固定,耐久性好,可提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗彎承載力,減少地震危害,施工工藝簡單,不改變混凝土結(jié)構(gòu),延長使用壽命.

05

能源

由于傳統(tǒng)火力發(fā)電對環(huán)境有污染,所以風(fēng)力發(fā)電越來越受到人們的重視.提高發(fā)電效率一直是風(fēng)力發(fā)電追求的目標(biāo).隨著科技的進(jìn)步,傳統(tǒng)玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片中逐漸顯示其性能的不足,耐久性好、質(zhì)量輕、高強(qiáng)的玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料成為發(fā)電機(jī)葉片的首選材料,可以提高葉片的捕風(fēng)能力.用于對材料強(qiáng)度和剛度要求高的翼緣部位,不但可以提高葉片的承載能力,促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展,而且碳纖維的導(dǎo)電性可避免雷擊損傷.據(jù)分析,采用碳纖維葉片可減重20%~40%.此外,碳纖維在電化學(xué)領(lǐng)域也有應(yīng)用.研究發(fā)現(xiàn),碳纖維可以滿足燃料電池的要求,與傳統(tǒng)碳材料相比,具有質(zhì)量輕、體積小和效率高等優(yōu)點(diǎn).用碳纖維制成質(zhì)子交換膜擴(kuò)散電極材料已經(jīng)得到很好的發(fā)展.

06

醫(yī)療衛(wèi)生

碳纖維及其復(fù)合材料可以制成人造假肢和人工骨骼等,性能穩(wěn)定,生物相容性好,可與人體細(xì)胞共存.楊小平等研制的碳纖維導(dǎo)電發(fā)熱材料具有輔助理療保健的作用,可加快新陳代謝,促進(jìn)血液循環(huán),加快傷口愈合速度.碳纖維還具有X 光透過性,CT 掃描時(shí)將木床改為碳纖維紡織品覆蓋可以減少對X 光的吸收,碳纖維X光線透過性為木材的10倍.隨著醫(yī)療水平的提高,在儀器設(shè)備上采用碳纖維復(fù)合材料具有較大的應(yīng)用前景.

Part 03

結(jié)語

碳纖維具有很多優(yōu)良的物理化學(xué)性能,在生產(chǎn)和生活中應(yīng)用廣泛.國外已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化,而在我國還處于研究開發(fā)階段.目前任務(wù)是突破關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新,完善生產(chǎn)工藝,穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量,積極發(fā)展碳纖維循環(huán)再利用產(chǎn)業(yè).堅(jiān)持科學(xué)管理,實(shí)現(xiàn)研究、生產(chǎn)和應(yīng)用相結(jié)合,可進(jìn)一步提高碳纖維的質(zhì)量和性能.大力開發(fā)碳纖維復(fù)合材料,拓寬應(yīng)用領(lǐng)域,滿足人們的需求.同時(shí),借鑒國外研究碳纖維的經(jīng)驗(yàn),建立相關(guān)機(jī)制,使我國碳纖維快速健康地發(fā)展.

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