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1、-碳纤维复合材料的发展及应用-第 5 页碳纤维复合材料的发展及应用摘要本文总体阐述了碳纤维及其复合材料的特点，其良好的物理、化学特性，同时介绍了碳纤维增强型材料的优点和使用环境，对碳纤维材料的发展历史进行了简单的介绍，以及如今其在各种现代化领域内的实际应用，同时说明了碳纤维复合材料的未来发展方向。关键词：碳纤维、复合材料、增强型材料中图分类号：O631 引言1.1 碳纤维材料的历史背景碳纤维材料的发现和使用始于1860年斯旺制作碳丝灯泡,成为发明和使用碳纤维的第一人。之后爱迪生使用竹丝制作碳丝作为灯丝，达到了照明45小时的效果。20世纪90年代中期，美国、日本、英国相继开始展开对碳纤维材料的研
2、究。1972年，日本用碳纤维材料制造鱼竿，美国使用碳纤维材料制造高尔夫球杆，碳纤维材料开始应用于日常生活。1992年,日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维。其后，碳纤维材料趋向于高强度高弹性模量的方向发展。如今，碳纤维材料已经广泛应用于建筑、航空航天以及汽车制造行业。1.2 碳纤维材料的特性简介碳纤维材料是由碳元素构成的一种纤维材料，其在微观上呈类似人造石墨的乱层石墨结构。碳纤维材料具有良好的物理化学性质。碳纤维密度小、质量轻，密度为1. 5 2 g /cm3，它的比重不到钢的四分之一，但抗拉强度是钢的七到九倍，其良好的比强度使得其被广泛应用于航空航天等对重量限制要求苛刻的领域。其化学性质同样良
3、好，具有耐腐蚀，耐疲劳，耐高温和低温，同时其具有良好的导电性，介于金属和非金属之间。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。12 碳纤维材料的种类及其发展按碳纤维原丝不同主要可以分为:1.PAN基碳纤维；2.黏胶基碳纤维；3.沥青基碳纤维；4.酚醛基碳纤维。2.1 PAN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。PAN基碳纤维应用的主要领域有：
4、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。 黏胶基碳纤维黏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。黏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，黏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。但是，由于生产黏胶基碳纤维的工艺流程较长，工艺条
5、件苛刻，不适宜大批量生产，成本较高；另外，黏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l。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
6、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。23 碳纤维增强型复合材料碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都颇具优势。CFRP 是目前最先进的复合材料之一,它以轻质高强、耐
7、高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料。3CFRP 的力学性能主要取决于基体的力学性质、碳纤维的表面性状以及纤维与键合界面的性质,而基体的性能及纤维的表面性状直接关系到界面的键合和粘接性能。3.1 碳纤维树脂基复合材料及其应用碳纤维增强树脂基复合材料具有一系列的优异性能, 主要表现在以下几个方面。（1）具有高的比强度和比模量。CFRP 的密度仅为钢材的1/5，钛合金的1/3，比铝合金和玻璃钢（GFRP）还轻，使其比强度（强度/ 密度）是高强度钢、超硬铝、钛合金的4 倍左右，玻璃钢的2 倍左右；比模量（模量/密度）是它们的3 倍以上。（2）耐疲劳。在静态下，CFRP
8、 循环105 次、承受90%的极限强度应力时才被破坏，而钢材只能承受极限强度的50%左右。（3）热膨胀系数小。（4）耐磨擦，抗磨损。（5）耐蚀性。碳纤维的耐蚀性非常优异，在酸、碱、盐和溶剂中长期浸泡不会溶胀变质。CFRP 的耐蚀性主要取决于基体树脂。（6）耐水性好。（7）导电性好。（8）射线透过性。4树脂基碳纤维复合材料由于其优异的性能，被广泛用于航空航天，汽车制造等工业部门。美国空军的F系列战斗机中大量采用了碳纤维材料以减轻机身重量。在汽车方面，宝马公司采用了碳纤维材料来制造汽车车身。在能源领域，风力发电的风机叶片既需要足够的强度，又要有较小的密度，因而树脂型碳纤维复合材料是良好的选择。3.
9、2 碳纤维金属基复合材料及其应用金属基复合材料一般都在高温下成形，因此要求作为增强材料的耐热性要高。在纤维增强金属中不能选用耐热性低的玻璃纤维和有机纤维，而主要使用硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维。基体金属用得较多的是铝、镁、钛及某些合金。碳纤维是金属基复合材料中应用最广泛的增强材料碳纤维增强铝具有耐高温、耐热疲劳、耐紫外线和耐潮湿等性能，适合于在航空、航天领域中做飞机的结构材料。树脂基复合材料通常只能在350以下的不同温度范围内使用。近些年来正在迅速开发研究适用于3501200使用的各种金属基复合材料。碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维，金属为基体的复合材料碳纤维增强金属基复
10、合材料与金属材料相比，具有高的比强度和比模量；与陶瓷相比，具有高的韧性和耐冲击性能金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等其中，碳纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层，以防止在复合过程中损伤碳纤维，从而使复合材料的整体性能下降目前，在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等，但因其过程复杂、成本高，限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用。53.3 碳纤维陶瓷基复合材料及其应用碳纤维增强陶瓷基复合材料(CMC-Cf)在克服陶瓷材料脆性的同时，发挥了其比强度高、高温性能优异等优点，同时还具有优良的力
11、学性能、抗磨损性能和热传导性能，成为高温结构材料的研究热点。目前，CMC-Cf的基体相主要有炭、碳化硅、微晶玻璃以及多元多层复合材料等。碳纤维作为增强相，实现了复合材料的轻量化，并赋予其优异的力学性能。但碳纤维自身的抗氧化能力差，在温度高于400时，一旦与氧化介质接触，纤维将被氧化，性能迅速下降，进而影响复合材料整体性能，缩短使用寿命。因此，氧化问题成为限制CMC-Cf。性能提升与应用领域拓展的瓶颈。64 碳纤维材料的发展现状及前景 国内外发展现状4.1.1 国内发展现状我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
12、发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了500t/ 年原丝、200t/ 年PAN基碳纤维(只有东丽碳纤维T300水平)，使我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年开始我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。目前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。2009年，国内碳纤维产业多年来发展落后缓慢的局面得以改变，生产企业和投资基地都在不断增多，本行业的发展从此进入了一个全新的时期。但是与发达国家相比，我国目前的碳纤维生产能力（特别是高端产品）与国际水平
13、还存在相当的差距：产能只占世界高性能碳纤维总产量的0.4%左右，大量碳纤维产品仍靠进口，真正国产化还需要一个漫长的过程。中复神鹰自主研发的年产1000吨碳纤维生产线于2008年10月顺利投料生产，2009年产量达到550吨,产销量位居国内第一位,有效缓解了国内碳纤维的供应紧张局面；威海拓展纤维有限公司也于08年引进了一条年产1000吨碳纤维生产线并顺利投产。但与发达国家相比，我国碳纤维产业刚刚起步，在产量和高端产品品种上仍还远远不能满足国防和国民经济建设的需要。74.1.2 国际发展现状近几年随着先进复合材料的发展，碳纤维需求激增，引爆了近年来世界性的碳纤维危机，这场危机从2005年开始日趋明
14、显，至2007年达到极点。自碳纤维危机爆发以来，各大碳纤维生产厂商急剧扩张，扩大产能，缓解了碳纤维紧缺的供应情况。2008年下半年爆发了世界金融危机，实体经济受影响颇深，碳纤维的需求也有所回落。尤其是2009年经济衰退陷入最低谷时，很多碳纤维制造商也推迟或放慢了自己的发展计划。但是进入2010年以来，随着经济危机的好转，全球碳纤维市场出现快速回暖的迹象。巨大需求刺激碳纤维市场回暖，因此对碳纤维的需求总体仍处上升趋势。目前世界碳纤维产量达到4万t/年以上，随着碳纤维应用领域的不断扩大，碳纤维的市场需求日趋增加，碳纤维及其复合材料产业呈现良好发展态势。据相关部门预测，世界碳纤维需求将以每年大约13
15、%的速度飞速增长，碳纤维的全球需求量2018年将达到10万t。全世界主要的碳纤维生产厂商是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司, 美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA 三家公司，以及德国SGL西格里集团、韩国泰光产业等少数单位。84.2 未来发展前景随着工业技术的迅速发展，在航空航天，车辆交通等领域，物件的强度和可靠性需要更多的提高，而重量也是一个重要的因素，因此碳纤维材料将越来越成为高强度材料领域内的主导。然而，碳纤维材料的普及使用依然存在一些问题。首要问题是技术垄断问题，目前全世界范围内掌握碳纤维材料的制造和研发仅仅有美国和日本的少数几家公司，其他国家在碳纤维材料研究领域进展
16、不明显。其次是碳纤维材料的适用范围有限。虽然碳纤维材料具有良好的物理化学性质，其高模量高比强度的性质优越，但是并非很多领域都需要用到这样的优良性质，仅仅是在航空航天和交通领域内应用和需求较多。最后一个问题是碳纤维的造价问题，目前碳纤维材料成本高昂，导致使用的范围缩小，难以普及，急需在生产方式上进行改进，来降低碳纤维材料的造价。另外生产碳纤维材料的高能耗和高排放对自然环境也造成了一定的影响。参考文献12 上官倩芡.蔡泖华.碳纤维及其复合材料的发展及应用J. 上海师范大学学报.2008.6.3炜. 碳纤维增强复合材料技术发展现状及趋势J. 纤维复合材料.4 许丽丹.王澜. 碳纤维增强树脂基复合材料的应用研究.6 郑晓慧.堵永国.肖加余.胡君遂.吴剑锋.芦玉峰. 自愈合碳纤维增强陶瓷基复合材料研究进展J. 材料工程. 2008.78 佚名.国内外碳纤维的发展现状分析J.年份不详.