高性能碳纤维的性能及其应用_张新元

1、科技进展高性能碳纤维的性能及其应用张新元何碧霞李建利张元(陕西省纺织科学研究所摘要:探讨高性能碳纤维的性能及其应用领域。介绍了碳纤维的分类、制备、性能特征、应用以及国内外产业发展状况, 分析了国际碳纤维产业的情况和我国碳纤维产业的现状及发展趋势。碳纤维应用涉及航空航天、体育运动、一般制造业、土木建筑、能源开发等领域。随着科技的发展和碳纤维应用技术的不断完善, 碳纤维产业的发展空间必将越来越广。关键词:碳纤维; 强度; 比电阻; 结晶度; 聚丙烯腈; 碳纤维机织物中图分类号:T S 102. 52+7. 2文献标志码:A 文章编号:1001-7415(2011 04-0065-04P r o p

2、 e r t y a n dA p p l i c a t i o no f H i g h -p e r f o r m a n c e C a r b o n F i b e rZ h a n g X i n y u a n He B i x i a Li J i a n l i Zh a n g Y u a n(S h a a n x i T e x t i l e S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y I n s t i t u t e Ab s t r a c t Hi g h -p e r f o r m a n c e c a r b o

3、nf i b e r p r o p e r t ya n d a p p l i c a t i o nw e r e d i s c u s s e d . C l a s s i f i c a t i o na n dm a n u f a c t u r e o f c a r b o nf i b e r w e r ei n t r o d u c e d , c a r b o n f i b e r p r o p e r t y , a p p l i c a t i o n , d e v e l o p m e n t a t h o m ea n da b r o a

4、 dw e r e i n t r o d u c e d a s w e l l a s . T h e a p p l i c a t i o nf i e l di n c l u d e s a e r o s p a c ef i e l d , s p o r t sf i e l d , g e n e r a l m a n u f a c t u r i n gf i e l d , c i v i l c o n s t r u c t i o nf i e l d a n d e n e r g y d e v e l o p m e n t f i e l de t a

5、 l . I n t e r n a t i o n a l c a r b o nf i b e r i n d u s t r y s i t u a t i o n , c u r r e n t s i t u a t i o n a n d d e v e l o p m e n t t r e n d o f d o m e s t i cc a r b o nf i b e r i n d u s t r y w e r e a n a l y s e d .c a r b o nf i b e r i n d u s t r y d e v e l o p m e n t w

6、o u l db e m o r ea n dm o r ew i d e l y a s t h e d e v e l o p m e n t o f t e c h n o l o g y a n d t h e p e r f e c t i o no f c a r b o nf i b e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y .Ke yWo r d s Ca r b o nF i b e r , S t r e n g t h , S p e c i f i c R e s i s t a n c e , C r y s t a l

7、 l i n i t y , P o l y a c r y l o n i t r i l e , C a r b o n F i b e r W o v e nF a b r i c高性能纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐气候、耐化学试剂等特性, 是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。高性能纤维品种较多, 目前已规模化生产的有碳纤维、芳纶纤维等, 既可作为结构材料承载负荷, 又可作为功能材料发挥作用, 是性能优越的战略性新型材料。目前, 高性能纤维中碳纤维是大规模生产的一个品种, 具有较高的比强度、比模量和较小的体积质量。碳纤维既具有碳材料的固有特性, 又兼备纺织纤维的柔软可

8、加工性, 具有优异的力学性能, 近年来被广泛应用于航空、航天、汽车、化工、能源、交通、建筑、电子、体育运动器材等领域。1碳纤维的制备及分类碳纤维的制备目前是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, 将有机作者简介:张新元(1962- , 男, 高级工程师, 西安, 710038 :-12纤维与塑料树脂结合在一起, 放在稀有气体的环境中, 在一定张力、温度、压强下, 经过一定时间的预氧化、碳化和石墨化处理等强热过程制成。碳纤维按原丝类型可分为聚丙烯腈(P A N 基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维和酚醛基碳纤维4类。P A N 基碳纤维是目前制备碳纤维的第一大原料, 其产量

9、约占世界总产量的95%左右。沥青基碳纤维约占4%,粘胶基碳纤维约占1%,酚醛基碳纤维尚处于实验室研究, 未形成产业化。碳纤维按形态可分为长丝、短纤维和短切纤维。长丝应用在工业结构件和宇航结构件中, 短纤维主要应用在建筑行业, 如短碳纤维石墨低频电磁屏蔽混凝土、工业用碳纤维毡等。碳纤维按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000M P a 、模量为100G P a 左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000M P a 、模量250G P a 和高模型(模量300G P a 以上 。强度大于4000M P a 的又称为超】65【第39卷第4期2011年4月C o t t o nT

10、 e x t i l eT e c h n o l o g y·269·碳纤维按用途可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维。小丝束以1K 、3K 、6K 为主, 逐渐发展为12K 和24K ; 大丝束在48K 以上, 包括60K 、120K 、360K 和480K 等。2碳纤维的性能特征碳纤维的抗拉强度一般都在3500M P a (1. 2N /te x 1. 9N /te x 以上, 比钢材(0. 35N /te x 大4倍5倍, 比强度为钢材的10倍左右, 高模碳纤维抗拉强度比钢材大68倍左右。碳纤维的弹性模量在230G P a 以上, 比钢材(200G P a

11、大1. 8倍2. 6倍。日本东丽的高强型T 1000系列碳纤维, 其模量为295G P a , 强度达7. 05G P a , 而高强高模M 55J 型碳纤维, 模量达540G P a , 强度为4. 02G P a 。碳纤维的体积质量为1. 50g /cm 32. 16g /cm 3, 相当于钢材(7. 8g /cm 3的l /4、铝合金体(2. 72g /cm 32. 82g /cm 3的1/2, 钛合金(4. 5g /cm 3的1/3, 即便是制作成复合材料, 其体积质量仅为1. 70g /cm 3左右。碳纤维性能独特, 例如其热膨胀系数较小, 导热率随温度升高而下降, 耐骤冷、急热,

12、即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂。同时碳纤维导电性好, 25时高模量碳纤维电阻率为7. 75×10-2·m , 高强度碳纤维为1. 5×10-1·m 。碳纤维耐高温和低温性也较好, 在3000非氧化环境下不融化、不软化, 在液氮温度下依旧很柔软, 不脆化; 在600高温下其性能保持不变, 在-180低温下仍很柔韧。碳纤维的耐酸性较好, 对酸呈惰性, 能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等腐蚀, 此外还耐油、抗辐射、抗放射, 具有吸收有毒气体和使中子减速等特性。碳纤维的可加工性能较好, 由于碳纤维及其织物质量轻又可折可弯, 可适应不同的构件形状, 成型较方便,

13、可根据受力需要黏贴若干层, 而且施工时不需要大型设备, 也不需要采用临时固定, 而且对原结构又无损伤。不同品种, 高模、高强碳纤维的性能如表1所示。表1不同品种高模、高强碳纤维的性能项目牌号抗拉强度/GP a 拉伸模量/GP a 断裂伸长/%热膨胀系数/K-1导热率/W·(m ·K -1电阻率/·m 体积质量/g·c m -3美国聚丙烯腈基美国聚丙烯腈基日本聚丙烯腈基日本聚丙烯腈基日本聚丙烯腈基中国聚丙烯腈基G Y -70G Y -80M 40M 50M 60J B H M 31. 861. 862. 742. 453. 923. 20517527392

14、4905884000. 360. 320. 60. 50. 70. 8-1. 1×10-6-1. 2×10-6-0. 9×10-61428589756. 0×108. 0×10-68. 0×10-68. 0×10-61. 921. 811. 911. 941. 833碳纤维的应用目前, 已经成熟的碳纤维应用形式有四种, 即碳纤维、碳纤维织物、碳纤维预浸料坯和切短纤维。碳纤维织物是碳纤维重要的应用形式。碳纤维织物可分为碳纤维机织物、碳纤维针织物、碳纤维毡和碳纤维异型织造织物。碳纤维主要以“缠绕成形法”应用为主。碳纤维织物主要以

15、“树脂转注成形法(R T M 也称真空辅助成型工艺 ”应用为主。预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列或碳纤维织物经树脂浸泡, 加热和塑化, 使其转化成片状的一种产品。切短纤维是指将P A N 基碳纤维长丝切成数毫米长的短纤维, 与塑料、金属、橡胶等材料进行复合, 以增加材料的强度和耐 , 碳纤维机织物为主。由于碳纤维轴向经编增强体中碳纤维完全平行伸直排列, 纤维取向度高, 纤维特性可以得到充分利用。目前国际市场的碳纤维应用形式逐渐向碳纤维轴向经编织物转变。随着碳纤维生产应用技术的不断提高, 碳纤维的应用领域越来越广。3. 1航空航天领域碳纤维复合材料广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天

16、领域。碳纤维由于其质量小, 所以动力消耗少, 可节约大量燃料。例如2007年问世的A 380超大型飞机, 复合材料比重占25%左右, 百公里油耗不到3L /人; 2008年的B 787飞机用复合材料占50%左右; 将在2013年面世的A 350超宽客机, 复合材料比重将达52%左右, 预计百公里油耗只有2. 5L /人, 几乎可与】66【C o t t o nT e x t i l eT e c h n o l o g y第39卷第4期2011年4月·270·低于25%的目标, 每架飞机用碳纤维约8t 10t 。专家预测:到2020年, 只有复合材料才有潜力使飞机获得20%

17、25%的性能提升, 复合材料将成为飞机的基本材料, 用量将达到65%。碳纤维增强树脂基复合材料也是生产武器装备的重要材料。在战斗机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位, 可以起到明显的减重作用, 较大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能, 可比金属结构减轻质量31. 5%左右, 减少零件61. 5%左右, 减少紧固件61. 3%左右。目前, 国外第四代军用飞机的结构重量系数已达到27%28%。以F -22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右, 其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机, 已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T 300级和T 700级小丝束碳纤维增

18、强的复合材料。全球航空航天领域碳纤维用量统计如表2所示。表2全球航空航天领域碳纤维用量统计年份用量/t增长率/%200220032004200520062007200810134117141196011480122261325313412111. 9111. 6102. 196. 1106. 5108. 4101. 23. 2体育运动领域碳纤维最早的商业化应用就是体育运动休闲产品市场。多年来, 碳纤维在高尔夫球杆中的使用一直居首位, 年产量约为3400万件, 美国和日本是高尔夫球棒的主要消费地, 占80%以上。碳纤维在曲棍球棍和自行车架中的应用也逐年增多。而在球拍、钓鱼竿、滑雪板、帆板桅杆、帐

19、篷杆及棒球球棒等产品中同样也看到碳纤维的身影。2003年和2004年世界碳纤维总消耗量分别为19210t 和20680t , 而用于体育休闲用品的碳纤维就超过5000t , 占世界碳纤维总消耗量的25%左右。3. 3一般制造业领域在一般工业制造领域中, 碳纤维材料现已成为汽车制造商青睐的材料。目前, 碳纤维复合材料传动轴、刹车片、尾翼和引擎盖已经在汽车行业中被广泛应用。福特和保时捷G T 型赛车发动机 罩, S , 盘, 宝马M 6型轿车顶篷, 梅赛德斯-奔驰的S L R迈凯轮超级跑车整个车身, 法国标致的308R CZ 概念新车都已采用了碳纤维复合材料, 使汽车更加轻量化。随着环保要求的提高

20、, 碳纤维开始被广泛应用于汽车尾部沸腾器、发动机、传动轴和燃料箱材料。在工业领域, 碳纤维还可应用于机器部件、家用电器、微机及与半导体相关设备, 起到提高材料强度、防静电和电磁波防护的作用。3. 4土木建筑领域碳纤维也应用在工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强, 具有密度小, 强度高, 耐久性好, 抗腐蚀能力强, 可耐酸、碱等化学品腐蚀, 柔韧性佳, 应变能力强的特点。用碳纤维管制作的桁梁构架屋顶, 比钢材轻50%左右, 使大型结构物达到了实用化的水平, 而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外, 碳纤维做补强混凝土结构时, 不需要增加螺栓和铆钉固定, 对原混凝土

21、结构扰动较小, 施工工艺简便。3. 5能源开发领域随着人类环保意识的提高, 大型风力发电产业正迅速兴起。为提高风力发电机叶片的捕风能力, 轻质高强、耐久性好的玻璃纤维和碳纤维混杂复合材料结构成为目前大型风力发电机叶片的首选材料。尤其在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位应使用碳纤维不仅可提高叶片的承载能力, 还可因碳纤维具有导电性而有效避免雷击对叶片造成的损伤。预计未来五年, 风能发电的市场需求将以每年15%20%的速度增长。风能发电成本相对低廉, 已成为人类开发新能源的重要领域。美国能源信息管理部2006年报告称, 风力发电成本为0. 0558美元/kW ·h , 天然气发电成本为

22、0. 0525美元/kW ·h , 煤电为0. 53美元/kW ·h , 核电为0. 593美元/kW·h 。1980年风电成本为0. 8美元/kW·h ; 1991年降为0. 1美元/kW·h , 可见风能发电具有显著的成本优势。4国内外碳纤维产业现状及其发展趋势4. 1国际碳纤维产业的概况碳纤维的研发始于19世纪60年代, 但未形成产业化。20世纪50年代初, 随着空间技术的, , 】67【第39卷第4期2011年4月C o t t o nT e x t i l eT e c h n o l o g y·271·60年开

23、始了碳纤维的研发工业化生产技术, 20世纪70年代实现了工业化生产。在21世纪, 碳纤维进入了蓬勃发展的新阶段, 生产国也由原来仅限于少数发达国家扩展到十多个国家和地区。但核心技术仍被发达国家掌握, 如碳纤维领域中日本东丽、日本帝人、我国台湾省台塑集团, 美国S G L 、HE X C E L 、ZO L T E K 等, 均有规模化生产。碳纤维复合材料是国防军工和现代工业产业升级与产品更新换代所必须的关键材料。2001年全球碳纤维消耗量为17900t 左右; 2005年达21920t ; 2006年24190t , 2008年27740t , 预计2010年需求量将会增加到50000t ,

24、2011年达到58000t , 2012年达到68000t 。目前, 航空航天业仍然是碳纤维消费的最大市场, 占据了市场份额的21%,而且价格相对较高。在其他的应用领域, 产业应用占15%左右、体育用品占l 4%左右、风能发电占11%左右、汽车工业占10%左右、电子工业占9%左右、石油和天然气业占8%左右、建筑业占8%左右、海洋业占4%左右。4. 2我国碳纤维产业的现状及发展趋势进入21世纪以来, 碳纤维产业在我国发展迅速。到2010年我国计划建成的年产能千吨级以上的碳纤维厂家有十多家, 碳纤维总产能原丝可达7100t , 碳纤维2750t , 产量400t , 产品规格为1K 、3K 、6K

25、 、12K 。但我国的碳纤维质量不稳定, 毛丝率较多, 产品规格较少, 性能仍有待提高。为适应民用需求, 应加强产品均匀稳定化的改进。另外我国碳纤维尚不能满足高性能C F 的急需, 如高强型T 700、T800, 高强高模型如M 55J 等产品。尽管我国碳纤维生产发展相对缓慢, 但消费量却一直在逐渐增加, 市场需求旺盛。据统计, 1996年消耗量为580t , 1997年为700t 左右, 2000年为1200t , 2001年为1500t , 2002年已超过2000t , 2003年3000t , 2004年4000t , 2005年和2006年我国碳纤维的需求量为5000吨, 2010年

26、已突破5000t 达到7800t 。其主要用途包括体育器材、一般工业和航空航天等, 其中体育休闲用品的使用量最大, 占消费量的80%90%。5结束语碳纤维是一多学科、跨行业的特殊精细化工产品, 国外已实现了其商业化的生产。在我国碳纤维正处于研制、生产和应用阶段, 为开发碳纤维顶级新产品, 目前要完善碳纤维生产工艺, 减少毛丝, 稳定产品质量, 以利于传统工业制品材料的更新换代。同时, 抓紧制订大丝束碳纤维力学性能的国家标准测试方法, 重视原丝的油剂、碳纤维和石墨纤维的上胶剂等辅助材料的研制, 统一制订控制碳纤维关键质量指标的测试方法, 如取向度、结晶度、原丝油剂残存量、毛丝率等, 大力开发各种

27、复合材料制品, 拓宽其应用领域, 满足市场发展需求。参考文献:1林红, 赵凯, 余建华, 等. 碳纤维产业发展态势分析J . 新材料产业, 2007(4 :33-36.2郭慧, 黄玉东, 刘丽, 等.T 300和国产碳纤维本体的力学性能对比及其分析J . 宇航学报, 2009, 30(5 :2068-2072.3宋新利. 碳纤维加固技术J . 交通标准化, 2009(6 :14-16.4姜永恺. 高性能纤维的现状及应用J . 棉纺织技术. 2000, 28(6 :6-9.5徐进, 张伟, 林洪芹. 纺织复合材料在风力发电机叶片制造中的应用J . 棉纺织技术, 2010, 38(5 :22-24.6洪建员, 苏海员. 6839型细纱上销的使用体会J