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碳纤维百科 碳纤维最全信息汇总 碳纤维最全介绍

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碳纤维(carbon fiber,简称CF)一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。既有碳材料“硬”的固有特征,又兼备纺织纤维“柔”的可加工性,被誉为新材料之王。与传统的玻璃纤维相比,碳纤维的强度可达高性能玻璃纤维的2倍,模量超过其3倍;与芳纶纤维相比,碳纤维不仅强度达到凯夫拉KF-49的1.5倍,模量达到其2倍以上,而且耐蚀性更是出类拔萃。与钢、铝等金属材料相比,碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、线膨胀系数小等诸多优异性能:碳纤维的密度仅为钢的四分之一,强度达到特种钢的10倍,模量是钢的7倍,比强度、比模量均为钢的数十倍。

   

碳纤维制备

 

碳纤维一般采用聚丙烯腈纤维(PAN原丝)、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维等为原料,在200~300℃的空气中进行预氧化,然后在1000℃以上高温的惰性气体(如氮气)保护环境中完成碳化,最后加热到1500~3000℃制得碳纤维产品。


由聚丙烯腈纤维原丝制得的高性能碳纤维,其生产工艺较其他方法简单,产量约占全球碳纤维总产量的90%以上。其生产过程一般可分为原丝生产和碳丝生产两大部分。

聚丙烯腈基碳纤维制备工艺过程

原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、凝固浴牵伸、水洗、上油、干燥、蒸汽牵伸、烘干收丝等工序。碳化过程主要包括放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。

   

碳纤维结构

 

用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究真实的碳纤维结构发现,碳纤维属于乱层石墨结构 , 基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面。在层平面内的碳原子以强的共价键相连, 其键长为0.1421 nm;在层平面之间则由弱的范德华力相连, 层间距在0.3360 ~ 0.3440 nm之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置, 因而层片边缘参差不齐。

碳纤维结构示意图

碳纤维理想结构模型 

   

碳纤维特性

 

碳纤维是纤维状的碳材料, 由有机纤维原丝在1000℃以上的高温下碳化形成, 且含碳量在90%以上的高性能纤维材料。碳纤维主要具备以下特性:

①密度小、质量轻, 碳纤维的密度为1.5~2 g/cm3 , 相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;

②强度、弹性模量高, 其强度比钢大4~5倍, 弹性回复为100%;

③热膨胀系数小, 导热率随温度升高而下降, 耐骤冷、急热, 即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂;

④摩擦系数小,并具有润滑性;

⑤导电性好,25℃时高模量碳纤维的比电阻为775μΨ/cm, 高强度碳纤维则为1500μΨ/cm;

⑥耐高温和低温性好, 在3000℃非氧化气氛下不熔化、不软化, 在液氮温度下依旧很柔软, 也不脆化;

⑦耐酸性好, 对酸呈惰性, 能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀 。除此之外, 碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。

   

碳纤维分类

 

碳纤维可从以下三个方面进行分类:

(1)根据碳纤维的力学性能可分为高模量, 超高模量, 高强度和超高强度4种;

(2)根据碳纤维的丝束大小可分为宇航级碳纤维和工业级碳纤维。

小丝束(常用的是1K、3K、6K、12K、24K)碳纤维性能优异,被称为“宇航级”碳纤维。它们在加工成结构件的时候,丝束容易展开,且粘连、断丝的现象少,对产品强度、刚度影响小,非常优质,一般使用在航天航空等要求非常高的领域。

相比小丝束,大丝束(常用的是36K、48K等)的劣势在于制作板材等结构时,丝束不宜展开,导致单层厚度增加,不利于结构设计。此外,大丝束碳纤维粘连、断丝等现象更多,这样会使强度、刚度受影响,性能有所降低,性能的分散性也会较大。但大丝束碳纤维生产成本较低。因此,大丝束碳纤维被称为"工业级"碳纤维。

(3)根据原丝的类型可分为聚丙烯腈基碳纤维、纤维素基碳纤维、沥青基碳纤维、酚醛基碳纤维等。

聚丙烯腈基碳纤维

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维由聚丙烯腈经纺丝、预氧、碳化几个阶段形成。PAN基碳纤维具有高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点, 并具有很强的抗压抗弯性能, 一直在增强复合材料中保持着主导地位。目前, PAN基碳纤维仍是碳纤维市场中的主流。

主要应用领域有:航空航天工业, 地面交通工具, 如汽车、赛车、快速列车等, 造船工业、码头和海上设施, 体育用品与休闲用品, 电子产品, 基础设施以及造纸、纺织、医疗器械、化工、冶金、石油、机械工业等领域, 要求零部件在高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作。

粘胶基碳纤维

粘胶基碳纤维是由主要成分为纤维素的粘胶纤维经过脱水、热解然后碳化而得来的。粘胶基碳纤维的三维石墨结构不发达, 导热系数小;石墨层间距大, 石墨微晶取向度低, 因此是理想的耐烧蚀和隔热及热防护材料。同时, 粘胶基碳纤维是由天然纤维素木材或棉绒转化而来, 与生物的相容性极好, 又可作为良好的环保和医用卫生材料。

由于生产粘胶基碳纤维的工艺流程较长, 工艺条件苛刻, 不适宜大批量生产, 成本较高;另外,粘胶基碳纤维的整体性能指标比PAN基碳纤维的要差, 综合性能价格比在竞争中处于劣势, 因此从20世纪60年代以来其生产规模逐渐萎缩, 目前产量已不足世界碳纤维产量的1%。

沥青基碳纤维

沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料, 经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成。沥青基碳纤维的生产原料成本低于聚丙烯腈基碳纤维, 但由于沥青基碳纤维的生产工艺复杂, 反而使其生产成本大大增加。此外, 沥青基碳纤维抗压强度比较低, 其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纤维, 因此其生产规模和应用领域都受到了一定限制。不过, 由于沥青基碳纤维具有优良的传热、导电性能和极低的热膨胀系数, 因此仍在必须要求这些性能的军工及航天领域发挥着独特作用。

酚醛基碳纤维

酚醛基碳纤维阻燃性、绝缘性极好;可在松弛条件下碳化, 加工工艺简单, 碳化时间短且温度低, 碳化率高, 且手感柔软, 但强度和模量较低。酚醛基碳纤维主要用于复写纸原料, 耐腐蚀电线, 以及用来制造耐热、防化防毒、无尘等特种服装。

   

碳纤维复合材料

 

尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能, 然而, 它属于脆性材料, 只有将它与基体材料牢固地结合在一起时, 才能利用其优异的力学性能, 使之更好地承载负荷。

因此, 碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷, 而目前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料 。

   

碳纤维发展历程

 


   

碳纤维应用与市场

 

我国是碳纤维消费大国,但长期以来由于受到国外技术封锁和管控,碳纤维仍大量依靠进口。国内碳纤维产不足需,供需矛盾非常严重,市场潜力巨大。同时,大多数国产碳纤维产品仍属于中低档型,且成本高、能耗大、质量不稳定,在市场竞争中也处于明显劣势。 

碳纤维及其复合材料和制品在航空航天、国防军工、高端民用工业、专业体育用品等许多工程领域都有广阔的应用前景。 复合材料工业协会的报告中指出,目前我国碳纤维应用领域中,体育休闲领域约占60%,工业领域占33%,航空航天占7%左右。

因此,在我国加快培育和发展战略性新兴产业中,明确高性能碳纤维品种产业化是国家重点支持的方向,其中碳纤维产品将主要用于汽车部件、风电叶片、建筑补强、CNG/LNG储运槽罐、体育休闲用品、电缆芯、抽油杆、预浸料等高技术工业和高端民用领域。 

   

碳纤维生产企业

 

国外碳纤维生产厂家主要有日本的东丽、东邦、三菱丽阳,美国的卓尔泰克(已被东丽收购)、赫氏(也称赫克塞尔)、氰特(也称苏泰克),欧洲的西格里、陶氏-阿克萨。

国内碳纤维生产厂家主要有台湾地区的台塑集团、江苏恒神、威海拓展、永煤碳纤维、山西钢科、中复神鹰、中安信、常州中简、吉林碳谷、中钢吉碳、吉研高科等公司。

其中,日本作为世界碳纤维大国,其碳纤维产能约占世界总产能的三分之二左右。

   

碳纤维参考书

 

“碳纤维生产技术”(carbonfiber8)小编整理了一些大家能用到的碳纤维书籍,小编也都仔细拜读过这些书籍。小编不在这里评论那本书的好与坏,其实无论是那本书,只要你仔细阅读啦,你都会有所收获。

贺福老先生的《碳纤维与石墨纤维》一书是他生前留给碳纤维界的一笔财富,无论您是搞科研还是生产你都能在里面找到你想要的东西,是一个百科全书性质的书籍;

王成国、朱波老师的《聚丙烯腈基碳纤维》理论性相对强一些,对碳纤维结构进行剖析,对其影响性能的因素进行合理的理论分析;

蔡小平先生的《聚丙烯腈基碳纤维生产技术》从生产实际出发,讨论了生产工艺、设备、测试等环节,书中提到很多实际生产过程中总结出来的经验;

王浩静老师的《PAN基碳纤维的生产与应用》主要阐述纤维制备、复合材料制备、应用技术以及研究前沿等相关内容,对一些关键技术、关键设备的设计都有涉及;

吕永根老师的《高性能炭纤维》主要阐述了聚丙烯腈、中间相沥青和黏胶基炭纤维制备工艺过程中的科学问题和工程问题;

张旺玺老师的《聚丙烯腈基碳纤维》出版的相对比较早,大家想了解一些聚丙烯腈基碳纤维的基础知识,可以拜读一下;

碳纤维复合材料轻量化技术编委会的《碳纤维复合材料轻量化技术》对碳纤维生产制备相关内容虽然相对较少,但是是以专题的性质呈现给大家,分析的也比较透彻。另外全书给碳纤维材料、高分子材料、复合材料、装备制造和汽车制造等众多领域的读者提供广泛的知识交叉和技术交叉信息;

丁永生老师等著作的《碳纤维生产过程的动态建模与智能控制》一书对碳纤维生过程中的动态建模、智能控制与优化方法等方面进行详细的设计。可能非建模与智能控制专业的人士,看起来很吃力。但是,“碳纤维生产技术”(carbonfiber8)小编给大家的建议是我们的涉猎应该更广泛一些,这样才能把碳纤维产业做的更加强大。

部分来源网络,“碳纤维生产技术小编编辑整理。

来源:碳纤维生产技术

疲劳复合材料航空航天冶金汽车建筑理论材料DCS控制
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首次发布时间:2023-11-28
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