高性能碳纖維的性能及應(yīng)用

高性能碳纖維的性能及應(yīng)用

高性能纖維具有強(qiáng)度高、模型高、耐鹽、耐氣候、耐化學(xué)試劑等特點(diǎn)。這是近年來(lái)纖維高科技材料領(lǐng)域發(fā)展迅速的一種特殊纖維。高性能纖維品種較多,目前已規(guī)?；a(chǎn)的有碳纖維、芳綸纖維等,既可作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷,又可作為功能材料發(fā)揮作用,是性能優(yōu)越的戰(zhàn)略性新型材料。目前,高性能纖維中碳纖維是大規(guī)模生產(chǎn)的一個(gè)品種,具有較高的比強(qiáng)度、比模量和較小的體積質(zhì)量。碳纖維既具有碳材料的固有特性,又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性,具有優(yōu)異的力學(xué)性能,近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、化工、能源、交通、建筑、電子、體育運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域。1碳纖維種類及用途碳纖維的制備目前是采用一些含碳的有機(jī)纖維(如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等)做原料,將有機(jī)纖維與塑料樹脂結(jié)合在一起,放在稀有氣體的環(huán)境中,在一定張力、溫度、壓強(qiáng)下,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的預(yù)氧化、碳化和石墨化處理等強(qiáng)熱過(guò)程制成。碳纖維按原絲類型可分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維和酚醛基碳纖維4類。PAN基碳纖維是目前制備碳纖維的第一大原料,其產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的95%左右。瀝青基碳纖維約占4%,粘膠基碳纖維約占1%,酚醛基碳纖維尚處于實(shí)驗(yàn)室研究,未形成產(chǎn)業(yè)化。碳纖維按形態(tài)可分為長(zhǎng)絲、短纖維和短切纖維。長(zhǎng)絲應(yīng)用在工業(yè)結(jié)構(gòu)件和宇航結(jié)構(gòu)件中,短纖維主要應(yīng)用在建筑行業(yè),如短碳纖維石墨低頻電磁屏蔽混凝土、工業(yè)用碳纖維氈等。碳纖維按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強(qiáng)度為1000MPa、模量為100GPa左右。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型(強(qiáng)度2000MPa、模量250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。強(qiáng)度大于4000MPa的又稱為超高強(qiáng)型;模量大于450GPa的稱為超高模型。碳纖維按用途可分為宇航級(jí)小絲束碳纖維和工業(yè)級(jí)大絲束碳纖維。小絲束以1K、3K、6K為主,逐漸發(fā)展為12K和24K;大絲束在48K以上,包括60K、120K、360K和480K等。2碳纖維特性和應(yīng)用碳纖維的抗拉強(qiáng)度一般都在3500MPa(1.2N/tex～1.9N/tex)以上,比鋼材(0.35N/tex)大4倍～5倍,比強(qiáng)度為鋼材的10倍左右,高模碳纖維抗拉強(qiáng)度比鋼材大68倍左右。碳纖維的彈性模量在230GPa以上,比鋼材(200GPa)大1.8倍～2.6倍。日本東麗的高強(qiáng)型T1000系列碳纖維,其模量為295GPa,強(qiáng)度達(dá)7.05GPa,而高強(qiáng)高模M55J型碳纖維,模量達(dá)540GPa,強(qiáng)度為4.02GPa。碳纖維的體積質(zhì)量為1.50g/cm3～2.16g/cm3,相當(dāng)于鋼材(7.8g/cm3)的l/4、鋁合金體(2.72g/cm3～2.82g/cm3)的1/2,鈦合金(4.5g/cm3)的1/3,即便是制作成復(fù)合材料,其體積質(zhì)量?jī)H為1.70g/cm3左右。碳纖維性能獨(dú)特,例如其熱膨脹系數(shù)較小,導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降,耐驟冷、急熱,即使從幾千度的高溫突然降到常溫也不會(huì)炸裂。同時(shí)碳纖維導(dǎo)電性好,25℃時(shí)高模量碳纖維電阻率為7.75×10-2Ω·m,高強(qiáng)度碳纖維為1.5×10-1Ω·m。碳纖維耐高溫和低溫性也較好,在3000℃非氧化環(huán)境下不融化、不軟化,在液氮溫度下依舊很柔軟,不脆化;在600℃高溫下其性能保持不變,在-180℃低溫下仍很柔韌。碳纖維的耐酸性較好,對(duì)酸呈惰性,能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等腐蝕,此外還耐油、抗輻射、抗放射,具有吸收有毒氣體和使中子減速等特性。碳纖維的可加工性能較好,由于碳纖維及其織物質(zhì)量輕又可折可彎,可適應(yīng)不同的構(gòu)件形狀,成型較方便,可根據(jù)受力需要黏貼若干層,而且施工時(shí)不需要大型設(shè)備,也不需要采用臨時(shí)固定,而且對(duì)原結(jié)構(gòu)又無(wú)損傷。不同品種,高模、高強(qiáng)碳纖維的性能如表1所示。3碳纖維織物的分類目前,已經(jīng)成熟的碳纖維應(yīng)用形式有四種,即碳纖維、碳纖維織物、碳纖維預(yù)浸料坯和切短纖維。碳纖維織物是碳纖維重要的應(yīng)用形式。碳纖維織物可分為碳纖維機(jī)織物、碳纖維針織物、碳纖維氈和碳纖維異型織造織物。碳纖維主要以“纏繞成形法”應(yīng)用為主。碳纖維織物主要以“樹脂轉(zhuǎn)注成形法(RTM也稱真空輔助成型工藝)”應(yīng)用為主。預(yù)浸料坯是將碳纖維按照一個(gè)方向一致排列或碳纖維織物經(jīng)樹脂浸泡,加熱和塑化,使其轉(zhuǎn)化成片狀的一種產(chǎn)品。切短纖維是指將PAN基碳纖維長(zhǎng)絲切成數(shù)毫米長(zhǎng)的短纖維,與塑料、金屬、橡膠等材料進(jìn)行復(fù)合,以增加材料的強(qiáng)度和耐磨性。目前,國(guó)內(nèi)碳纖維織物的應(yīng)用形式主要以碳纖維機(jī)織物為主。由于碳纖維軸向經(jīng)編增強(qiáng)體中碳纖維完全平行伸直排列,纖維取向度高,纖維特性可以得到充分利用。目前國(guó)際市場(chǎng)的碳纖維應(yīng)用形式逐漸向碳纖維軸向經(jīng)編織物轉(zhuǎn)變。隨著碳纖維生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)的不斷提高,碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。3.1復(fù)合材料將成為飛機(jī)的重要材料碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用在火箭、導(dǎo)彈和高速飛行器等航空航天領(lǐng)域。碳纖維由于其質(zhì)量小,所以動(dòng)力消耗少,可節(jié)約大量燃料。例如2007年問(wèn)世的A380超大型飛機(jī),復(fù)合材料比重占25%左右,百公里油耗不到3L/人;2008年的B787飛機(jī)用復(fù)合材料占50%左右;將在2013年面世的A350超寬客機(jī),復(fù)合材料比重將達(dá)52%左右,預(yù)計(jì)百公里油耗只有2.5L/人,幾乎可與小汽車媲美。我國(guó)C919飛機(jī)提出了復(fù)合材料不低于25%的目標(biāo),每架飛機(jī)用碳纖維約8t～10t。專家預(yù)測(cè):到2020年,只有復(fù)合材料才有潛力使飛機(jī)獲得20%～25%的性能提升,復(fù)合材料將成為飛機(jī)的基本材料,用量將達(dá)到65%。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料也是生產(chǎn)武器裝備的重要材料。在戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,可以起到明顯的減重作用,較大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能,可比金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量31.5%左右,減少零件61.5%左右,減少緊固件61.3%左右。目前,國(guó)外第四代軍用飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)已達(dá)到27%～28%。以F-22為目標(biāo)的背景機(jī)復(fù)合材料用量比例需求為35%左右,其中碳纖維復(fù)合材料將成為主體材料。國(guó)外一些輕型飛機(jī)和無(wú)人駕駛飛機(jī),已實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化。目前主要使用的是T300級(jí)和T700級(jí)小絲束碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。全球航空航天領(lǐng)域碳纖維用量統(tǒng)計(jì)如表2所示。3.2從材料中的應(yīng)用碳纖維最早的商業(yè)化應(yīng)用就是體育運(yùn)動(dòng)休閑產(chǎn)品市場(chǎng)。多年來(lái),碳纖維在高爾夫球桿中的使用一直居首位,年產(chǎn)量約為3400萬(wàn)件,美國(guó)和日本是高爾夫球棒的主要消費(fèi)地,占80%以上。碳纖維在曲棍球棍和自行車架中的應(yīng)用也逐年增多。而在球拍、釣魚竿、滑雪板、帆板桅桿、帳篷桿及棒球球棒等產(chǎn)品中同樣也看到碳纖維的身影。2003年和2004年世界碳纖維總消耗量分別為19210t和20680t,而用于體育休閑用品的碳纖維就超過(guò)5000t,占世界碳纖維總消耗量的25%左右。3.3法國(guó):聚碳復(fù)合、新對(duì)于汽車新特性在一般工業(yè)制造領(lǐng)域中,碳纖維材料現(xiàn)已成為汽車制造商青睞的材料。目前,碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸、剎車片、尾翼和引擎蓋已經(jīng)在汽車行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。福特和保時(shí)捷GT型賽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩,奔馳57S型轎車內(nèi)裝飾,通用雪佛萊轎車底盤,寶馬M6型轎車頂篷,梅賽德斯-奔馳的SLR邁凱輪超級(jí)跑車整個(gè)車身,法國(guó)標(biāo)致的308RCZ概念新車都已采用了碳纖維復(fù)合材料,使汽車更加輕量化。隨著環(huán)保要求的提高,碳纖維開始被廣泛應(yīng)用于汽車尾部沸騰器、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸和燃料箱材料。在工業(yè)領(lǐng)域,碳纖維還可應(yīng)用于機(jī)器部件、家用電器、微機(jī)及與半導(dǎo)體相關(guān)設(shè)備,起到提高材料強(qiáng)度、防靜電和電磁波防護(hù)的作用。3.4結(jié)構(gòu)物的特性碳纖維也應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑物、鐵路公路橋梁、隧道、煙囪、塔結(jié)構(gòu)等的加固補(bǔ)強(qiáng),具有密度小,強(qiáng)度高,耐久性好,抗腐蝕能力強(qiáng),可耐酸、堿等化學(xué)品腐蝕,柔韌性佳,應(yīng)變能力強(qiáng)的特點(diǎn)。用碳纖維管制作的桁梁構(gòu)架屋頂,比鋼材輕50%左右,使大型結(jié)構(gòu)物達(dá)到了實(shí)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(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí),不需要增加螺栓和鉚釘固定,對(duì)原混凝土結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較小,施工工藝簡(jiǎn)便。3.5碳纖維在基礎(chǔ)保護(hù)作用中的應(yīng)用隨著人類環(huán)保意識(shí)的提高,大型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)正迅速興起。為提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的捕風(fēng)能力,輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性好的玻璃纖維和碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成為目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的首選材料。尤其在翼緣等對(duì)材料強(qiáng)度和剛度要求較高的部位應(yīng)使用碳纖維不僅可提高葉片的承載能力,還可因碳纖維具有導(dǎo)電性而有效避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。預(yù)計(jì)未來(lái)五年,風(fēng)能發(fā)電的市場(chǎng)需求將以每年15%～20%的速度增長(zhǎng)。風(fēng)能發(fā)電成本相對(duì)低廉,已成為人類開發(fā)新能源的重要領(lǐng)域。美國(guó)能源信息管理部2006年報(bào)告稱,風(fēng)力發(fā)電成本為0.0558美元/kW·h,天然氣發(fā)電成本為0.0525美元/kW·h,煤電為0.53美元/kW·h,核電為0.593美元/kW·h。1980年風(fēng)電成本為0.8美元/kW·h;1991年降為0.1美元/kW·h,可見風(fēng)能發(fā)電具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)。4國(guó)內(nèi)外碳行業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)4.1碳纖維消費(fèi)市場(chǎng)碳纖維的研發(fā)始于19世紀(jì)60年代,但未形成產(chǎn)業(yè)化。20世紀(jì)50年代初,隨著空間技術(shù)的發(fā)展,發(fā)達(dá)國(guó)家開始重視碳纖維的研究,20世紀(jì)60年開始了碳纖維的研發(fā)工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù),20世紀(jì)70年代實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。在21世紀(jì),碳纖維進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的新階段,生產(chǎn)國(guó)也由原來(lái)僅限于少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家擴(kuò)展到十多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。但核心技術(shù)仍被發(fā)達(dá)國(guó)家掌握,如碳纖維領(lǐng)域中日本東麗、日本帝人、我國(guó)臺(tái)灣省臺(tái)塑集團(tuán),美國(guó)SGL、HEXCEL、ZOLTEK等,均有規(guī)模化生產(chǎn)。碳纖維復(fù)合材料是國(guó)防軍工和現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)與產(chǎn)品更新?lián)Q代所必須的關(guān)鍵材料。2001年全球碳纖維消耗量為17900t左右;2005年達(dá)21920t;2006年24190t,2008年27740t,預(yù)計(jì)2010年需求量將會(huì)增加到50000t,2011年達(dá)到58000t,2012年達(dá)到68000t。目前,航空航天業(yè)仍然是碳纖維消費(fèi)的最大市場(chǎng),占據(jù)了市場(chǎng)份額的21%,而且價(jià)格相對(duì)較高。在其他的應(yīng)用領(lǐng)域,產(chǎn)業(yè)應(yīng)用占15%左右、體育用品占l4%左右、風(fēng)能發(fā)電占11%左右、汽車工業(yè)占10%左右、電子工業(yè)占9%左右、石油和天然氣業(yè)占8%左右、建筑業(yè)占8%左右、海洋業(yè)占4%左右。4.2強(qiáng)、強(qiáng)碳纖維性能差進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),碳纖維產(chǎn)業(yè)在我國(guó)發(fā)展迅速。到2010年我國(guó)計(jì)劃建成的年產(chǎn)能千噸級(jí)以上的碳纖維廠家有十多家,碳纖維總產(chǎn)能原絲可達(dá)7100t,碳纖維2750t,產(chǎn)量400t,產(chǎn)品規(guī)格為1K、3K、6K、12K。但我國(guó)的碳纖維質(zhì)量不穩(wěn)定,毛絲率較多,產(chǎn)品規(guī)格較少,性能仍有待提高。為適應(yīng)民用需求,應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)品均勻穩(wěn)定化的改進(jìn)。另外我國(guó)碳纖維尚不能滿足高性能CF的急需,如高強(qiáng)型T700、T800,高強(qiáng)高模型如M55J等產(chǎn)品。盡管我國(guó)碳纖維生產(chǎn)發(fā)展相對(duì)緩慢,但消費(fèi)量卻一直在逐漸增加,市場(chǎng)需求旺盛。據(jù)統(tǒng)計(jì),1996年消耗量為580t,1997年為700t左右,2000年為1200t,2001年為1500t,2002年已超過(guò)2000t,2003年3000t,2004年4000t,2005年和2006年我國(guó)碳纖維的需求量為5000噸,2010年已突破5000t達(dá)到7800t。其主要用途包括體育器材、一般工業(yè)和航空航天等,其中體育休閑用品的使用量最大,占消費(fèi)量的80%～90%。