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演讲人 刘志坚 碳纤维 碳纤维的起源 碳纤维的起源1860年 英国人瑟夫 斯旺将细长的绳状纸片碳化制取碳丝 以此制作电灯的灯丝 大约在1879年 他把棉纱浸入硫酸 焦干处理 然后碳化 或将硝化纤维素从膜孔中挤出成丝 然后在碳化 并获得专利 由于当时解决不了灯泡的真空问题 所以没有实用化意义 但是 碳丝的起源或溯源点应该是从他开始的 碳纤维灯管 由有机纤维或低分子烃气体原料在惰性气氛中经高温 1500 C 碳化而成的纤维状碳化合物 其碳含量在90 以上 特点 碳纤维 具有高的比强度和高模量 热膨胀系数小 尺寸稳定性好 被大量用作复合材料的增强材料 用碳纤维制成的树脂基复合材料比模量比钢和铝合金高5倍 比强度高3倍以上 同时耐腐蚀 耐热冲击 耐烧蚀性能均优越 因而在航空和航天工业中得到应用并得到迅速发展 碳纤维的制造 通常采用一些含碳的有机纤维 如尼龙丝 腈纶丝 人造丝等 做原料 将有机纤维跟塑料树脂结合在一起 放在稀有气体的气氛中 在一定压强下强热炭化而成碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取 目前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的 沥青基石墨纤维切面的投射电镜图 结晶完整的石墨片属平行于纤维轴向排列 内部存在少量微孔相和无定形碳 碳纤维的分类及特性 20世纪50年代 美国研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机性能 急需新型结构材料及耐腐蚀材料 使碳纤维重新出现在新材料的舞台上 并逐步形成了黏胶基碳纤维 聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维的三大原料体系 以下分别介绍此三种原料体系 1 黏胶基碳纤维 1891年 美国人克洛斯和贝文发明了黏胶纤维 1950年 Muller采用稀硫酸和硫酸盐作为凝固剂 使黏胶纤维性能得到大幅度提 奠定了近代制造高性能黏胶纤维的基础 1909年 黏胶纤维产业化 为20世纪50年代黏胶纤维的的发展创造了必要的原料条件 目前主要生产黏胶纤维的原料主要有木浆型和棉浆型两种浆粕 俄罗斯和白俄罗斯主要采用木浆型 我国主要采用棉浆型 以黏胶丝为原料制碳纤维碳化得率只有20 30 这种碳纤维碱金属含量低 特别适宜作烧蚀材料 2 沥青基碳纤维 沥青基碳纤维分为两大类 一类是通用级 由各向同性沥青制造纤维 另一类是高性能级 由各向异性中间沥青制造纤维 以沥青纤维为原料时 碳化得率高达80 90 成本最低 是正在发展的品种 3 聚丙烯腈基碳纤维 聚丙烯腈基碳纤维为人造合成纤维 俗称人造羊毛 生产碳纤维不采用民用腈纶 而是采用特殊组分且性能优良的专用PAN基纤维 PAN原丝经一系列热处理后 由有机合成纤维转化为含碳量在92 以上的无机碳纤维 制取碳纤维的要点是细旦化 结晶化和均质化以及生产全过程的环境洁净化 聚丙烯基碳纤维性能好 碳化得率较高 50 60 因此以聚丙烯制造的碳纤维约占总碳纤维产量的95 根据使用要求和热处理温度的不同 碳纤维分为耐燃纤维 碳纤维和石墨纤维 例如300 350 热处理时得耐燃纤维 1000 1500 热处理时得碳纤维 含碳量为90 95 碳纤维经2000 以上高温处理可以制得石墨纤维 含碳量高达99 以上 碳纤维的优缺点 碳纤维材料与其他加固材料对比 1 抗拉强度 碳纤维的抗拉强度约为钢材的10倍 2 弹性模量 碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材 但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一 3 疲劳强度 碳纤维和芳纶纤维复合材料的疲劳强度高于高强纲丝 金属材料在交变应力作用下 疲劳极限仅为静荷强度的30 40 由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展 以及存在纤维内力再分配的可能性 复合材料的疲劳极限较高 约为静荷强度的70 80 并在破坏前有变形显著的征兆 4 重量 约为钢材的五分之一 5 与碳纤维板的比较 碳纤维片材可以粘贴在各种形状的结构表面 而板材更适用于规则构件表面 碳纤维的用途 1 宇航工业用作导弹防热及结构材料如火箭喷管 鼻锥 大面积防热层 卫星构架 天线 太阳能翼片底板 卫星 火箭结合部件 航天飞机机头 机翼前缘和舱门等制件 哈勃太空望远镜的测量构架 太阳能电池板和无线电天线 航天飞机 2 航空工业用作主承力结构材料 如主翼 尾翼和机体 次承力构件 如方向舵 起落架 副翼 扰流板 发动机舱 整流罩及座板等 此外还有C C刹车片 3 交通运输用作汽车传动轴 板簧 构架和刹车片等制件 船舶和海洋工程用作制造渔船 鱼雷快艇 快艇和巡逻艇 以及赛艇的桅杆 航杆 壳体及划水浆 海底电缆 潜水艇 雷达罩 深海油田的升降器和管道 4 运动器材用作网球 羽毛球 和壁球拍及杆 棒球 曲棍球和高尔夫球杆 自行车 赛艇 钓杆 滑雪板 雪车等 碳纤维自行车 5 土木建筑幕墙 嵌板 间隔壁板 桥梁 架设跨度大的管线 海水和水轮结构的增强筋 地板 窗框 管道 海洋浮杆 面状发热嵌板 抗震救灾用补强材料 利用碳纤维布加固钢筋混凝土构件以提高承载力及延长寿命是目前比较流行的方法 在建筑业中有着广泛的发展前景 碳纤维构件试验 碳纤维布加固修补结构技术是一种新型的结构加固技术 它是利用树脂类粘结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面 以达到对结构及构件加固补强的目的 碳纤维瓦 2007年5月10日 荷兰建成世界上最长的碳纤维复合材料桥 该桥长24 5米 宽5米 6 其它工业