碳纤维复合材料的发展及应用---丁建队

1、碳纤维复合材料的开展及应用-邳州高新区招商局 丁建队 1.11.1 碳纤维材料的历史背景碳纤维材料的发现和使用始于18601860 年斯旺制作碳丝灯泡成为创造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，到达了照明 4545 小时的效果。2020 世纪 9090 年代 中期，美国、日本、英国相继开始展开对碳纤维材料的研究。19721972 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。19921992 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虽的方向开展。如今，碳纤维材料已 经广泛应用于

2、建筑、航空航天以及汽车制造行业。1.21.2 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、质虽轻，密度为 1.5-1.5- 2 2 g g /cm/cm3 3, ,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虽限制要求苛刻的领域。其化学性质同样良好，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 2 碳纤维材料的种类

3、及其开展按碳纤维原丝不同主要可以分为:1.PAN:1.PAN 基碳纤维；2 2.黏胶基碳纤维；3 3.沥青基碳纤维；4 4.酚醛基碳纤维。2.12.1 PANPAN 基碳纤维聚丙烯腊(PAN(PAN)基碳纤维由聚丙烯腊经纺丝、预氧、碳化 几个阶段形成。PANPAN 基碳纤维具有高强度、高刚度、重虽轻、 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， PANPAN 基碳纤维仍是碳纤维市场中的主流。PANPAN 基碳纤维应用的主要领域有：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

4、，电子产品，根底设施以及造纸、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、重虽轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作。2.22.2 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 构不兴旺，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， 乂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，工艺条件苛刻，不适宜大 批虽生产，本钱较高；另外，黏胶基碳纤维的整体性能指标

5、 比PANPAN 碳纤维的要差，综合性能价格比在竞争中处于劣势, 因此从 2 20 0世纪 6060 年代以来其生产规模逐渐萎缩，目前产虽 已缺乏世界碳纤维产虽的 l l%。2.32.3 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 的生产原料本钱低于聚丙烯腊基碳纤维，但由于沥青基碳纤 维的生产工艺复杂，反而使其生产本钱大大增加。此外，沥 青基碳纤维抗压强度比拟低，其后加工性能也不如聚丙烯腊 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。2.42.4 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，且于 感柔软，但强度和模虽较低。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 3 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、比模虽综合指标，在现有结构材料中是最高的。在强度、刚 度、重虽、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。CFRPCFRP 是目前

7、最先进的复合材料之一*, ,它以轻质高强、耐高温、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。3CFRPCFRP 的力学性能主要取决于基体的力学性质、碳纤维 的外表性状以及纤维与键合界面的性质，而基体的性能及纤维的外表性状直接关系到界面的键合和粘接性能。3.13.1 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 1 具有高的比强度和比模虽。 CFRCFRP P的密度仅为钢材 的1/51/5 , ,钛合金的 1/31/3，比铝合金和玻璃钢GFRPGFRP 还轻， 使其比强度强度/密度是高强度钢、超硕铝、钛合金的4

8、4 倍左右，玻璃钢的 2 2 倍左右；比模虽模虽/ /密度是它 们的 3 3 倍以上。2 2 耐疲劳。在静态下， CFRPCFRP 循环 105105 次、承受 90%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%50% 左右 O(3)(3) 热膨胀系数小。(4)(4) 耐磨擦，抗磨损。(5)(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。CFRPCFRP 的耐蚀性主要取决于基体树脂。(6)(6) 耐水性好。(7)(7) 导电性好。(8)(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

9、空军的F F 系列战斗机中大虽采用了碳纤维材料以减轻机身重虽。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，乂要有较小的密度，因而树脂型碳纤维复合材料是良好的选择。3.23.2 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

10、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350350 C C 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350350 C C12001200 C C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 金属基复合材料与金属材料相比，具有高的比强度和比模 H;H; 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、镣、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拟成熟.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外表涂层， 以防止在复合过 程中损伤碳纤维，从而使复合材料

11、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外表改性主 要采用气相沉积、液钠法等，但因其过程复杂、本钱高，限 制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用。53.33.3 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)(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-CfCMC-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虽化，并赋予其优异的力学性能。但碳纤维自身的抗氧化能力差

12、，在温度高于400400 C C 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-CfCMC-Cf。性能提升与应用领域拓展的瓶颈。64 4 碳纤维材料的开展现状及前景 4.14.1 国内外开展现状 4.1.14.1.1 国内开展现状我国对碳纤维的研究开始于 2020 世纪 6060 年代，8080 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 2121 世纪以来开展较快， 安徽华皖碳纤维公司率先引 进了 500t/500t/年原丝、 200t/200t/年 PANPAN 基碳纤维只

13、有东丽碳纤 维 T300T300 水平，使我国碳纤维工业进入了产业化。随后，一 些厂家相继参加碳纤维生产行列。从20002000 年开始我国碳纤维向技术多元化开展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚硼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T300T300、T700T700 碳纤维产品已经到达国际同类产品水平。20212021 年， 国内碳纤维产业多年来开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， 本行业的开展 从此进入了一个全新的时期。但是与兴旺国家相比，我国目 前的碳纤维生产能力特别是高端产品与国际水平还存在 相当的差距：产能只占世界

14、高性能碳纤维总产虽的0.4%0.4%左右,大虽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10001000 吨碳纤维生产线于 20212021年 1010 月顺利投料生产，20212021 年产虽到达 550550 吨, ,产销虽位居 国内第一位， 有效缓解了国内碳纤维的供给紧张局面； 威海 拓展纤维也于 0 08 8年引进了一条年产 10001000 吨碳纤维 生产线并顺利投产。但与兴旺国家相比，我国碳纤维产业刚 刚起步，在产 H H 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。74.1.24.1.2 国际开展现状近几年随着先进复合材料的开展，

15、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 2002005 5 年开始 日趋明显， 至 2002007 7年到达极点。 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 缺的供给情况。20212021 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20212021 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 自己的开展方案。但是进入20212021 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。目前世界碳纤维产虽到达 4

16、4 万 t/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开展态势。据相关部门预测，世界碳纤 维需求将以每年大约 13%13%勺速度飞速增长，碳纤维的全球需求虽 20212021 年将到达 1010 万 t 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HEXCELHEXCEL ZOLTEKZOLTEK ALDILAALDILA 三家公司，以及德国 SGLSGL 西格里 集团、韩国泰光产业等少数单位。84.24.2 未来开展前景随着工业技术的迅速开展，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，而重虽也是一个 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