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关于碳纤维

发布时间:2017-07-12

碳纤维(carbon fiber),顾名思义,它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼具纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比,杨氏模量是其3 倍多;它与凯芙拉纤维(KF-49)相比,不仅杨氏模量是其2倍左右,而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中,时间已过去30多年,它至今仍保持纤维形态。
编辑本段发展2005年,全球碳纤维市场仅为9亿美元,而2013年可望达到或超过100亿美元,预计到2022年有望达到400亿美元,碳纤维复合材料的应用也将进入全新的时代。
据《2013-2017年中国碳纤维行业深度调研与投资战略规划分析报告》数据显示我国是碳纤维需求大国,2011年我国碳纤维市场规模达到6811.22吨,然而,受供应不足的影响,近年来国内碳纤维市场发展相对较为缓慢,预计未来几年,随着供应量的提升以及宏观经济的整体向好,我国碳纤维行业的需求量也将保持着较快速度的增长。
不过,国产碳纤维落后的技术却成为制约着我国碳纤维行业健康稳健发展的“拦路虎”。
当前,全球碳纤维核心技术被牢牢掌控在少数发达国家手中。一方面,以美日为首的发达国家始终保持着对中国碳纤维行业严格的技术封锁;另一方面,近年来国外碳纤维行业领先企业开始进入中国市场,中国本土碳纤维企业的压力大增。虽然我国政府加大了对我国碳纤维行业本土企业的引导和扶持力度,但在较大的技术差距下,国产碳纤维企业的突围之路仍然坎坷。
技术的落后直接导致我国碳纤维产品质量与进口产品之间的明显差距,也极大地限制了国产碳纤维产品在高端领域的应用。前瞻网数据显示,目前我国碳纤维产品在应用上集中于低端领域,在碳纤维质量要求较高的航空航天领域的应用比例仅为3%,远远没达到国际上碳纤维行业在航空航天领域应用占比的平均水平;而在质量要求相对较低的运动休闲用品领域,碳纤维的应用比例却高达80%左右,四倍于国际上碳纤维在运动休闲用品领域应用的平均水平。
编辑本段材料简介碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。 碳纤维(8张)碳纤维的微观结构类似人造石墨,是乱层石墨结构。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂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230~430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比钢高。材料的比强度愈高,则构件自重愈小,比模量愈高,则构件的刚度愈大,从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。
碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高,密度低、比性能高,无蠕变,非氧化环境下耐超高温,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小且具有各向异性,耐腐蚀性好,X射线透过性好。但其耐冲击性较差,容易损伤,在强酸作用下发生氧化,与金属(比如铝)复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此,碳纤维在使用前须进行表面处理。 
碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得:按状态分为长丝、短纤维和短切纤维:按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕(MPa)、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000MPa、模量250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。强度大于4000MPa的又称为超高强型:模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展,还出现了高强高伸型碳纤维,其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。 
应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化(预氧化)、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括,脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。
第一、原丝制备,聚丙烯腈和粘胶原丝主要采用湿法纺丝制得,沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制得。制备高性能聚丙烯腈基碳纤维需采用高纯度、高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝,制备原丝用的共聚单体为衣康酸等。制备各向异性的高性能沥青基碳纤维需先将沥青预处理成中间相、预中间相(苯可溶各向异性沥青)和潜在中间相(喹啉可溶各向异性沥青)等。作为烧蚀材料用的粘胶基碳纤维,其原丝要求不含碱金属离子。
第二、预氧化(聚丙烯腈纤维200~300℃)、不融化(沥青200~400℃)或热处理(粘胶纤维240℃),以得到耐热和不熔的纤维,酚醛基碳纤维无此工序。
第三、碳化,其温度为:聚丙烯腈纤维1000~1500℃,沥青1500~1700℃,粘胶纤维400~2000℃。
第四、石墨化,聚丙烯腈纤维为2500~3000℃,沥青2500~2800℃,粘胶纤维3000~3200℃。
第五、表面处理,进行气相或液相氧化等,赋予纤维化学活性,以增大对树脂的亲和性。
第六、上浆处理,防止纤维损伤,提高与树脂母体的亲和性。所得纤维具有各种不同的断面结构。
要想得到质量好碳纤维,需要注意一下技术要点:
??(1)实现原丝高纯化、高强化、致密化以及表面光洁无暇是制备高性能碳纤维的首要任务。碳纤维系统工程需从原丝的聚合单体开始,实现一条龙生产。原丝质量既决定了碳纤维的性质,又制约其生产成本。优质PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要必备条件。
??(2)杂质缺陷最少化,这是提高碳纤维拉伸强度的根本措施,也是科技工作者研究的热门课题。在某种意义上说,提高强度的过程实质上就是减少、减小缺陷的过程。
??(3)在预氧化过程中,保证均质化的前提下,尽可能缩短预氧化时间。这是降低生产成本的方向性课题。
??(4)研究高温技术和高温设备以及相关的重要构件。高温炭化温度一般在1300~1800℃,石墨化一般在2500~3000℃。在如此高的温度下操作,既要连续运行、又要提高设备的使用寿命,所以研究新一代高温技术和高温设备就显得格外重要。如在惰性气体保护、无氧状态下进行的微波、等离子和感应加热等技术。
一、按碳纤维原丝不同主要可以分为:
1.PAN基碳纤维(市场上90%以上为该种碳纤维):
2.黏胶基碳纤维:
3.沥青基碳纤维
二、按碳纤维规格不同主要可以分为:
1.1K碳布
2.3K碳布,6K碳布: 
4.12K碳布:
5.24K、50k及以上大丝束碳布
目前市面上价格最贵,强度最高,重量最轻的是1K碳布。国内碳纤维车架单车、三角架、鱼竿基本使用3K碳布,少数厂家会使用1K碳布。1K碳纤维管材,从碳丝的等级,树脂的成分,碳布的密度,成型的压力温度等等工艺、工序都是非常严格的,成本高,质量上乘的1K碳布价格几乎是3K碳布的3倍。
三.abc按碳纤维炭化不同主要可以分为:
1.石墨化碳纤维布,可以耐2000—3000度高温:
2.碳纤维布,可以耐1000度左右高温,
3.预氧化碳纤维布,可以耐200—300度高温
四.按织造方式的不同主要可以分为:
1.机织碳纤维布,主要有:平纹布,斜纹布,缎纹布,单向布等:
2.针织碳纤维布,主要有:经编布,纬编布,圆机布(套管),横机布(罗纹布)等:
3.编织碳纤维布,主要有:套管,盘根,编织带,二维布,三维布,立体编织布等:
4.碳纤维预浸布,主要有:干法预浸布:湿法预浸布:单向预浸布:预浸带:无托布:有托布等:
5.碳纤维无纺布,非织造布,即碳纤维毡,碳毡,包括短切毡,连续毡,表面毡,针刺毡,缝合毡等。
 
编辑本段应用领域碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外,一般不单独使用,多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中,构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。1994年至2002年左右,随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究,使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域。国内已经有使用长纤碳纤维制作国家电网电缆的使用案例多处。同时,碳纤维发热产品,碳纤维采暖产品,碳纤维远红外理疗产品也越来越多的走入寻常百姓家庭。
碳纤维是军民两用新材料,属于技术密集型和政治敏感的关键材料。以前,以美国为首的巴黎统筹委员会(COCOM), 对当时的社会主义国家实行禁运封锁政策,1994年3月,COCOM虽然已解散,但禁运封锁的阴影仍笼罩在上空,先进的碳纤维技术仍引不进来,特别是高性能PAN基原丝技术,即使中国进入WTO,形势也不会发生大的变化。因此,除了国人继续自力更生发展碳纤维工业外,别无其它选择。因此,国外尤其是碳纤维生产技术领先的日韩等国对中国的碳纤维材料及制品的出口一直保持相当谨慎的态度,只有为数很少的中国企业能够与其建立合作关系,拥有其产品的进口渠道。
碳纤维广泛用于民用,军用,建筑,化工,工业,航天以及超级跑车领域。
编辑本段产业现状世界碳纤维产量达到4万吨/年以上,全世界主要是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司以及美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司,以及德国SGL西格里集团,韩国泰光产业,中国台湾省的台塑集团,等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术,并且有规模化大生产。
中国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代,80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢,但也取得了一定成绩。进入21世纪以来发展较快,安徽华皖碳纤维公司率先引进了500吨/年原丝、200吨/年PAN基碳纤维(只有东丽碳纤维T300水平),使中国碳纤维工业进入了产业化。随后,一些厂家相继加入碳纤维生产行列。
从2000年开始中国碳纤维向技术多元化发展,放弃了原来的硝酸法原丝制造技术,采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。 随着中国对碳纤维的需求量日益增长,碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品,成为国内新材料行业研发的热点。
我国碳纤维产业化采取自主开发和引进相结合的道路已初见成效,到“十一五”末期基本实现了相当于日本T300的国产碳纤维规模生产线,并且有一些企业已形成了T700以上水平的百吨生产线、中国碳纤维产业已经从重重封锁及围追堵截中找到突破点!
汽车外壳中科院宁波材料所把一辆碳纤维小汽车开进了高交会,赚足了眼球———亮点主要在外壳上:在普通材质的汽车引擎盖上,榔头用力敲击,漆盖上很有可能会有凹陷,而这辆车的车壳却非常坚固,用力敲击车盖后会迅猛反弹,表面丝毫未损。
“这是碳纤维复合材料做的车子,比起普通用钢材制造的汽车,它的最大特点是轻和快。”中科院宁波材料所的赵晓光向记者介绍说,这辆车抛弃了传统的钢结构,大量采用碳纤维材料制成,比普通钢材的汽车重量能减少60%。在同样用油情况下,这辆车每小时可以多开50公里。 
体重减轻了,安全性如何?虽然碳纤维的看起来像塑料,但实际上这种材料抗冲击性比钢铁强,特别是用碳纤维做成的方向盘,机械强度和抗冲性相比大大提高。在复合材料的“武装”下,这辆小车反倒成了家用车中的“装甲车”。据赵晓光透露,这种碳纤维材料已经在高速列车的裙摆上应用。
碳纤维加固包括碳纤维布加固和碳纤维板加固两种。碳纤维材料用于混凝土结构加固修补的研究始于80年代美、日等发达国家。我国的这项技术起步很晚,但随着我国经济建设和交通事业的飞速发展,现有建筑中有相当一部分由于当时设计荷载标准低造成历史遗留问题,一些建筑由于使用功能的改变,难以满足当前规范使用的需求,亟需进行维修、加固。常用的加固方法有很多,如:加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、碳纤维加固法等。碳纤维加固修补结构技术是继加大混凝土截面、粘钢之后的又一种新型的结构加固技术。
国内最早通过的规范是2003年《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》,其编号为CECS146:2003, 已经被最新的国家标准规范2006《混凝土结构加固设计规范》代替,其编号为GB 50367-2006. 碳纤维加固最近的国标是《结构加固修复用碳纤维片材》GB/T 20490-2008,08年10月1日起执行。 《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》

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