碳纤维技术.doc

碳纤维（Carbon Fiber简称CF),是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。作为高性能纤维的一种，碳材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩目碳纤维是一种力学性能优异的新材料。他的比重不到钢的1/4，比铝还要轻，比强度是铁的20倍。同钛、钢、铝等金属材料相比，碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，可以称为新材料之王。因此，可以应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、GOLF球棒等体育休闲领域。由于使用碳纤维材料可以大幅降低结构重量，因而可显著提高燃料效率。采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机以及卫星、火箭等宇宙飞行器，噪音小，而且因质量小而动力消耗少，可节约大量燃料。据报道，航天飞行器的质量每减少1kg，就可使运载火箭减轻500kg。碳纤维除了具有一般碳素材料的特性：耐高温,耐磨擦,导电,导热及耐腐蚀等,其外形有显著的各向异性,柔软,可加工成各种织物,又由于比重小,沿纤维轴方向表现出很高的强度,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。碳纤维还具有极好的纤度纤度的表示法之一是9000米长纤维的克数，一般仅约为19克，拉力高达300kg/mm2。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多一系列的优异性能,因此在旨度、刚度、重度、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，碳纤维复合材料具备不可替代的仇势。碳纤维的物理性质如下：(1)碳纤维的密度在1.5-2.0g/cm3之间，这除与原丝结构有关外，主要决定于炭化处理的温度。一般经过高温(3000)石墨化处理，密度可达2.0gcm3。(2)碳纤维的热膨胀系数与其它纤维不同，它有各向异性的特点。平行于纤维方向是负值(-0.7210-6-0.9010-6K-1)，而垂直于纤维方向是正值(3210-62210-6K-1)。(3)碳纤维的比热容一般为7.1210-1KJ/(kgK)。热导率随温度升高而下降。(4)碳纤维的比电阻与纤维的类型有关，在25时，高模量为775?/cm，高强度碳纤维为1500?/cm。碳纤维的电动势为正值，而铝合金的电动势为负值。因此当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生化学腐蚀。碳纤维的化学性质如下：（1）碳纤维的化学性质与碳相识，它除能被强氧化剂氧化外，对一般碱性是惰性的。（2）在空气中，温度高于400时则出现明显的氧化，生成CO与CO2。（3）在不接触空气和氧化剂时，碳纤维具有突出的耐热性能，与其他材料相比，碳纤维要温度高于1500时强度才开始下降，而其他材料的晶须性能也早已大大的下降。（4）碳纤维还具有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化，它还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和减速中子等特性。高科技领域由于碳纤维复合材料密度低、刚性好合强度高，成为一种先进的航天材料。我国对碳/碳烧蚀材料相关的科技问题进行了深入地研究，其研究成果已在导弹发射管、固体火箭发动机壳体、卫星和飞船上等得到应用。碳纤维材料现在也成为汽车制造商青睐的材料，在汽车内外装饰中开始大量采用。碳纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻、强度大，重量仅相当于钢材的2030，硬度却是钢材的10倍以上。所以汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化取得突破性进展，并带来节省能源的社会效益。业界认为，碳纤维在汽车制造领域今后的使用量会越来越大。在1992年期间,航空应用中对碳纤维的需求开始有所减少,主要是受到了商业飞机业衰退的影响,但是在1995年起得到迅速的恢复。航空应用中对碳纤维的需求正在不断增多，波音777飞机利用碳纤维做结构材料，包括水平和垂直的横尾翼和横梁，这些材料被称为“首要的结构材料”，所以对他们的质量要求极其苛刻。对于波音777飞机，日本东丽公司是波音公司指定的唯一有资格的碳纤维制造商。欧洲空客也在他们的飞机上使用了大量的碳纤维，东丽的TORAYCA碳纤维将被大量应用在新型客机A380上。美国波音公司推出新一代高速宽体客机“音速巡洋舰”，约60%的结构部件都将采用强化碳纤维塑料复合材料制成，其中包括机翼。它比铝轻，但强度不相上下。我国自行研制的碳纤维复合材料刹车预制件，其性能已全面达到国外水平。采用这一预制件技术所制备的的国产碳/碳刹车盘已批量装备于国防重点型号的军用飞机，并在B757-200型民航飞机上使用，在其它机型上的使用也在实验考核中，并将向坦克、高速列车、高级轿车、赛车等推广使用。体育应用中的三项重要应用为高尔夫球棒、钓鱼杆和网球拍框架。目前,据估计每年的高尔夫球棒的产量为3400万副。按照国家和地区分类,这些高尔夫球棒主要产地为美国、中国、日本和中国台湾,美国和日本是高尔夫球棒的主要消费地,占80%以上。全世界40%的碳纤维高尔夫球棒都是由东丽公司的碳纤维制成的。全世界碳纤维钓鱼杆的产量约为每年2000万副。网球拍框架的市场容量约为每年600万副,其它的体育项目应用还包括冰球棍、滑雪杖、射箭和自行车,同时，碳纤维还应用在划船、赛艇、冲浪和其它的海洋运动项目中。我国在20世纪80年代初开始研制碳纤维复合材料体育运动器材。1987年中山大学与东莞玻璃厂合作研制成功了碳纤维/玻璃纤维混杂增强环氧树脂的蜂窝夹层结构四人皮艇。但高尔夫球杆、钓鱼竿、鱼线轮、网球拍、羽毛球拍、自行车架等仍是碳纤维的主要用途。碳纤维加固建筑结构我国从1997年开始从国外引进碳纤维复合材料加固混凝土结构技术，并开始进行相关研究。由于其巨大的技术优势，近几年成为了研究和工程应用的热点。国内已有数十个高校和科研院所开展了此项研究工作，并取得了一批接近国际先进水平的研究成果。由于我国具有世界上最为巨大的土木建筑市场，碳纤维加固建筑结构的应用将呈现不断增长的的趋势。碳纤维复合材料抽油杆有关数据表明，至2008年有8%10%更新或新增的抽油杆用碳纤维复合材料抽油杆取代，共需碳纤维320420t。预测至2010年如果按15%的取代量计算，则碳纤维消耗量可达624t。如今，世界上风力发电机组的发电机额定功率越来越大，与其相适应的风机叶片尺寸也越来越大。为了减少叶片的变形，在主乘力件如轴承和叶片的某些部位采用碳纤维来补充其刚度。我国十五期间的风机装机总容量已达到1.5GW，因而碳纤维在风力发电机叶片上的应用前景看好。在铁路建筑中,大型的顶部系统和隔音墙在未来会有很好的应用,这些也将是碳纤维很有前景的应用方面。压力容器主要用在汽车的压缩天然气罐上,而且还用在救火队员的固定