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百科丨碳纤维——划时代的材料


来源:中国粉体网   江岸

[导读]  碳纤维是一种具有优良性能的材料,在众多领域都有着广泛的应用,关于碳材料,还有很多我们需要探索的应用领域。

中国粉体网讯  碳纤维(Carbon Fiber)是一种以碳为主要成分的纤维材料。碳纤维中的碳分子数量高于90%,直径范围在 5~8μm 内,仅为人的头发丝的 1/3 左右,是一种高强度、高模量、质量轻的高性能新材料,由于碳纤维高强、高模、轻质的特点,以碳纤维为增强材料的树脂基复合材料在航空航天、风电新能源、体育休闲、轨道交通等领域有广泛的应用。


碳纤维研究历史


1959年日本大阪工业研究所进藤博士用美国 PAN 奥纶为原料研究开发PAN基碳纤维。

1963年日本群马大学大谷教授利用煤焦、石油炼制的副产品沥青研究开发成功沥青基碳纤维。

1965~1967年美国的UCC公司曾以粘胶纤维为原料研究开发了粘胶纤维基碳纤维。

1971~1983年日本东丽公司、东邦人造丝公司和三菱人造丝公司分别利用本国的研究成果建厂,进行了碳纤维的工业化生产,其后又各自与美国、德国和英国合作,建立子公司生产碳纤维。

1970年代末英国Courtaulds公司进行大丝束碳纤维的研究。 

1980年前,波音公司将碳纤维用于757飞机作部件。

1985年英国Courtaulds公司开发出48 K以上大丝束碳纤维。

1990 年代大丝束碳纤维获得重大突破,抗拉强度已为3200~3800 MPa。

1995年后波音公司客机 767和777的机体、机翼、翼尾等都应用碳纤维。

此后各国相继对碳纤维的研发和产业化投入大量人力物力,我国近年来在碳纤维材料的研究和产业化方面取得重大突破。


碳纤维的主要性能


强度高。其抗拉强度在3500MPa以上。

模量高。其弹性模量在230GPa以上。

密度小,比强度高。碳纤维的密度是钢的1/4,是铝合金的1/2,其比强度比钢大16倍,比铝合金大 12 倍。

能耐超高温。在非氧化气氛条件下,碳纤维可在2000℃时使用,在3 000℃的高温下不融熔软化。

耐低温性能好。在-180℃下,钢铁变得比玻璃脆,而碳纤维依旧很容软。

耐酸性能好。能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀。将碳纤维放在浓度为 50 %的盐酸、硫酸和磷酸中,200d后其弹性模量、强度和直径基本没有变化。在 50 % 浓度的硝酸中只是稍有膨胀,其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。

热膨胀系数小,导热系数大。可以耐急冷急热,即使从3000℃的高温突然降到室温也不会炸裂。

防原子辐射,能使中子减速。

导电性能好(5~17μΩm)。

轴向抗剪切模量较低,断裂延伸率小,耐冲击差,并且后加工较为困难。

耐油、耐腐蚀性能也很好。


实践证明,用碳纤维复合材料代替钢或铝,减重效率可达20%到 40%。碳纤维首先在追求速度和控制质量的产业部门得到广泛应用。 



碳纤维与金属材料性能对比


此外,碳纤维所具有的耐腐蚀,抗疲劳,耐高温、膨胀系数小、尺寸稳定性高、导电等优点,使得碳纤维以及使用碳纤维做增强材料的树脂基复合材料的应用领域,迅速的从航空航天扩大到其他的工业部门,包括:新能源、汽车交通、生物医疗、信息技术、轨道交通、海洋科技等。 


碳纤维的分类


碳纤维种类繁多,性能各异,价格差异巨大,其下游应用领域广泛,不同行业对材料的性能需求不同,价格敏感度不同。对碳纤维根据不同维度进行分类,能够方便下游行业准确匹配自身需求。目前常用的碳纤维分类维度包括:纤维数量、制造原料、力学性能、纤维状态。




根据纤维数量分为小丝束和大丝束碳纤维:小丝束碳纤维指碳纤维单丝数量≤24K(1K=1000根单丝),具体有可以细分为 1K、3K、6K、12K、24K 等不同品种,主要用在航空航天领域;大丝束指单丝数量≥48K;应用领域更加多元化,也是研制低成本碳纤维的重要发展方向。


根据制造原料划分:聚丙烯晴(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维。应用最广泛的是聚丙烯晴(PAN)基碳纤维,占全球高性能碳纤维的 80%以上。不同原料制造的碳纤维,其性能略有差异。



各种材质碳纤维的主要性能


根据力学性能划分:根据碳纤维材料力学性能进行分类是在碳纤维分类方法中最重要的一种分类方法。碳纤维可根据不同的强度和模量的力学性分为4类。由于日本东丽公司是碳纤维产业界的龙头,产业界习惯根据东丽的产品标号作为碳纤维力学分类的参考。分别是:超高模量(UHM)碳纤维;高模量(HM)碳纤维;超高强度(UHS)碳纤维;高强度(HS)碳纤维。


根据纤维状态划分:根据纤维状态可以将碳纤维划分为长丝纤维碳纤维、短丝纤维碳纤维、短切纤维碳纤维。 


碳纤维的制作工艺

碳纤维材料的制作,不同原料、不同目标产品所需要的工艺略有不同,大多需要高温使前驱体碳化,之后再进行进一步的处理。以某款PAN基碳纤维的生产工艺为例。整个生产工艺需要经历溶解、喷丝、固浴、预氧化、碳化、石墨化、浸胶及后续处理。



聚丙烯腈(PAN)制备碳纤维的工艺流程


碳纤维的应用领域


随科技发展碳纤维的应用也越来越广泛,除应用于航空航天等高技术领域外,还用在文体、纺织机械、医疗器械、生物工程、建筑材料、化工机械、运输车辆等方面。在开发不用润滑油的轴承、齿轮、轴瓦、转轴、提升轮等运动频繁、负荷大的零件方面也有很好的前景。


参考资料:

王曙中. 高科技纤维概论

贺福. 碳纤维及其复合材料

王茂章. 碳纤维的制造、性质及其应用

张凤翻. 航空结构复合材料对碳纤维的需求

赵稼祥. 日本东丽公司及其碳纤维事业

赵稼祥. 国外碳纤维及其复合材料开发应用动向.

罗益锋. 世界高科技纤维发展新动向

赵稼祥. 碳纤维在美国国防军工上的应用

林刚. 全球碳纤维及其复合材料市场现状和展望

华金证券研报


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