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碳纤维的发展与应用简介

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碳纤维的发展与应用简介

发布日期:2016-07-11 00:00 来源:http://www。yuhenggd。com 点击:

    顾名思义,碳纤维(Carbon Fiber)是一种纤维状的碳素材料,含碳量在90%以上,直径一般为5~7微米,约为成年人头发直径的十分之一。碳纤维的起源可追溯到19世纪后期,美国人爱迪生(Edson)用碳丝制作灯泡的灯丝,从而发明了电灯,给人类社会带来了光明。但是在20世纪初期,美国通用电器公司的库里基(Coolidge)发明了用钨丝取代碳丝作为灯丝,并一直沿用至今。这使得碳丝一度退出了历史舞台。直到20世纪50年代,在美苏冷战和争霸的时代背景下,为了解决战略武器的耐高温和耐烧蚀材料,碳纤维再次进入人们的关注视角。并自此以后,在材料科学领域掀起了碳纤维研究与开发热潮,各种有机纤维被用来尝试制备碳纤维。经过几十年的发展,形成了聚丙烯腈(PAN)、沥青和粘胶三大原料体系。其中,PAN基碳纤维因其生产工艺简单、生产成本较低和力学性能优良的特点,已成为发展最快、产量最高、品种最多以及应用最广的一种碳纤维。

    PAN纤维的商品名为腈纶,广泛用于服饰领域,由于其性能很像羊毛,故又称为人造羊毛。首先发明用PAN纤维制造碳纤维的是日本大阪工业研究所的进藤昭男(Shindo)博士。他发现PAN纤维需经氧化处理才可得到碳纤维。随后,英国皇家空军研究所的瓦特(Watt)和约翰逊(Johnson)等人发现在氧化过程中施加张力牵伸才能制得高性能碳纤维。1969年,日本东丽公司(Toray)研制出共聚PAN原丝,结合美国联合碳化物公司(Union Carbide)的炭化技术,生产出高强度、高模量碳纤维。如今,东丽公司的PAN基碳纤维无论质量还是产量都居世界前列,代表当今世界最高水平。

    碳纤维作为一种高性能纤维,具有十分优异的力学性能,拉伸强度约为2~7GPa,拉伸模量约为200~700GPa。再加上它的重量很轻,密度约为1.5~2.0g/cm3,仅为钢的四分之一,这使得碳纤维在所有高性能纤维中具有最高的比强度和比模量。除此之外,碳纤维还具有许多其它优良性能,如耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、耐疲劳、热膨胀系数低、良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。在没有氧气存在的情况下,碳纤维能够耐受3000oC以上的高温,这是其他任何纤维材料无法与之相比的。而且,碳纤维对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性,完全不存在生锈的问题。

    如此优异的性能使碳纤维成为了材料科学与工程领域的耀眼明星。但碳纤维很少单独使用,一般只通过与树脂、金属或者陶瓷等基体材料进行复合后再使用。碳纤维已成为先进复合材料最重要的增强材料。由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面积整体成型等特点,目前已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。

    碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必不可少的战略基础材料。将碳纤维复合材料应用在战略导弹的弹体和发动机壳体上,可大大减轻重量,提高导弹的射程和突击能力,如美国80年代研制的“侏儒”洲际导弹(图3)三级壳体全都采用碳纤维/环氧树脂复合材料。碳纤维复合材料在新一代战斗机上也开始得到大量使用,如美国第四代战斗机F22(图4)采用了约为24%的碳纤维复合材料,从而使该战斗机具有超高音速巡航、超视距作战、高机动性和隐身等特性。碳纤维在舰艇上也有重要的应用价值,可减轻舰艇的结构重量,增加舰艇有效载荷,从而提高运送作战物资的能力,而且,碳纤维不存在腐蚀生锈的问题,可以延长使用寿命和节省维护费用。

    碳纤维还是让大型民用飞机、汽车、高速列车等现代交通工具实现“轻量化”的完美材料。新一代大型民用客机空客A380(图5)和波音787(图6)使用了约为50%的碳纤维复合材料。这使飞机机体的结构重量减轻了20%,比同类飞机可节省20%的燃油,从而大幅降低了运行成本、减少二氧化碳排放。

    碳纤维在风能、核能和太阳能等新能源领域也具有广阔的应用前景。当风力发电机功率超过3MW,叶片长度超过40米时,传统玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限,采用碳纤维复合材料制造叶片是必要的选择。只有碳纤维才能既减轻叶片的重量,又能满足强度和刚度的要求。

    碳纤维在运动休闲领域中也一直独领风骚,像高尔夫球杆、钓鱼竿、网球拍羽毛球拍、自行车、滑雪杖、滑雪板、帆板桅杆、航海船体等高档运动休闲用品都是碳纤维的主要用户之一。近几年来,碳纤维开始走进普通民众的生活,像音响、浴霸、取暖器等家用电器以及手机、笔记本电脑等电子产品也可以看到碳纤维的身影。

    碳纤维的应用产品不胜枚举。随着性能的进一步提升和价格的大幅降低,碳纤维的应用领域必将得到更宽广的拓展。可以预见将来碳纤维不但会在高、精、尖领域大显身手,而且还会成为普通民众日常生活中最亲密、最信赖的朋友。


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