碳纤维及其复合材料的发展和应用

1、·开发与创新·Development and Applications of Carbon Fiber and Its CompositesGAO Bo ,XU Zi-Li(Wuhan Textile University ,Wuhan Hubei 430073,China Abstract:This paper introduces performance and features of carbon fiber,briefly overviews the history,including both foreign and domestic.And analyses t

2、he properties and applications of carbon fiber composite material,emphasizes the related performance that carbon fiber adds to the metal matrix composites and points out its research prospects.Key words:carbon fiber ;composite ;metal matrix0引言碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,是由有机母体纤维(聚丙烯睛、粘胶丝或沥青等采用高温分解法在1000300

3、0高温的惰性气体下碳化制成的。它是一种力学性能优异的新材料,比重不到钢的1/4,能像铜那样导电,比不锈钢还耐腐蚀,而其复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa 以上,是钢的79倍,抗拉弹性模量为2300043000Mpa ,也高于钢。碳纤维按其原料可分为三类:聚丙烯腈基(PAN 碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维三类。其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广,需求也最大1。1碳纤维的发展史20世纪50年代美国开始研究粘胶基碳纤维,1959年生产出了粘胶基纤维Thormel-25,这是最早的碳纤维产品。同一年,日本发明了用聚丙烯腈基(PAN 原丝制造碳纤维的新方法。紧接着英国皇家航空研究院研究了高性能PA

4、N 基碳纤维的技术流程,使PAN 基碳纤维成为碳纤维工业的主流。20世纪70年代中期,美国联合碳化公司在美国空军和海军的资金支持下,研发高性能沥青基碳纤维。碳纤维的民用商业化也正是始于70年代。日本东丽公司最早于1971年开始生产钓鱼杆和高尔夫球棒。1974年,美国最早把碳纤维用于网球。接着羽毛球拍也都实现了CFRP (carbon-fiber reinforcedplastic 化。20世纪80年代,碳纤维开始广泛用于客机和航天飞机。人造卫星也实现了CFRP 化。进入21世纪,碳纤维的需求量随之增大,以大约13%的速度逐年递增。碳纤维的主要性能见表1。表2是不同领域碳纤维的需求及预测见表2。

5、我国碳纤维起步于上世纪60年代末,在意识到碳碳纤维及其复合材料的发展和应用高波,徐自立(武汉纺织大学机电学院,湖北武汉430073收稿日期:2010-05-31作者简介:高波(1986-,在读硕士研究生。研究方向:碳纤维增强;徐自立(1964-,硕士生导师,教授,博士。摘要:介绍了碳纤维的性能及其特性,概述了碳纤维的发展史,包括国外和国内。分析了碳纤维复合材料的特性和应用,着重说明了碳纤维增加金属基复合材料的相关性能,并指出了其研究前景。关键词:碳纤维;复合材料;金属基中图分类号:F4文献标识码:A机电产品开发与创新Development &Innovation of M achine

6、ry &E lectrical P roductsVol.23,No.4July .,2010第23卷第4期2010年7月文章编号:1002-6673(201004-037-03表1碳纤维的主要性能性能聚丙烯腈基碳纤维石油沥青级碳纤维粘胶碳纤维拉伸强度(Mpa >3000160021002800(Gpa >207379441-55237·开发与创新·纤维对军工和民用的价值后开始重视。自1975年11月全国第一次碳纤维复合材料会议之后,一直将碳纤维及其复合材料纳入国家科技攻关项目。经过四十多年的发展,我国碳纤维从无到有,从研制到生产取得了一定的成绩,但总的

7、来说,我国碳纤维的研制与生产水平还较低,近些年来,由于我国对碳纤维需求量的日益增加,碳纤维又成为国内新材料业研发的热点。但是,除极个别企业外,大多数引进项目的技术和设备水平属国际中下等,生产的碳纤维产品也未达到高端水平2。国内生产聚丙烯腈碳纤维的厂家主要有:榆茨化纤厂、兰州石化公司化纤厂、兰州碳素纤维厂、衡水碳纤维材料厂、无锡宏泰机械厂、上海合纤所等。这些厂家的生产能力比较低,无法满足国内市场对碳纤维的需求。2004年我国碳纤维消耗量约为4500t,2009年达到9000t,而95%依赖进口3。值得庆幸的是,2009年6月14日,我国首个百吨级碳纤维生产基地中国石油吉林石化公司碳纤维厂在吉林省

8、吉林市建成并投产。其自主研发的聚丙烯腈基碳纤维产品性能已达到国际先进水平,打破了国外技术封锁,标志着我国高性能碳纤维产业化实现了新突破。2碳纤维增强复合材料复合材料的组成相为增强相与基体相。增强相一般有很高的力学性能(强度、弹性模量,其主要作用是承受载荷或显示功能。增强相一般有三种:纤维、晶须、颗粒,它们是不连续相。基体相也有三种:金属、陶瓷、聚合物,它们是连续相。碳纤维是高性能复合材料最常用、最重要的增强相,是目前可作MMCs增强物中价格最便宜的一种。一般是以50012000根直径为5.614m的细纤维组成束丝作为增强体使用。而像硼纤维、碳化硅则是单丝做为增加体使用。无论何种原丝纤维来制造碳

9、纤维,都要经过五个阶段4:拉丝:可用湿法、干法或者熔融状态三种中任意一种方法进行;牵伸:在室温以上,通常是在100-300范围内进行, W.Watt首先发现结晶定向纤维的拉伸效应,而且这效应控制着最终纤维的模量;稳定:通过400加热氧化的方法;碳化:在10002000范围内进行;石墨化:在20003000范围内进行。碳纤维/聚合物复合材料,也就是通常说的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP,是目前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,是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。这些材料在上世纪60、70年代开始应用,现在技术已经非常

10、成熟了,如碳纤维增强环氧树脂。碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域有着大量的应用,如航天飞机的舱门、仿生机械臂以及压力容器等。随着航空技术的不断发展,民用飞机在结构中大量地使用碳纤维增强聚合物复合材料,如副翼、发动机罩、阻力板、起落架舱门等5。碳纤维/陶瓷基复合材料,与陶瓷材料相比有较好的韧性和力学性能,保持了基本原有的优异性能。比高温合金密度低,是比较理想的高温结构材料。用碳纤维增强陶瓷可以有效地改善韧性,改变陶瓷的脆性断裂形态,同时阻止裂纹在陶瓷基体中的扩展,目前国外比较成熟的碳纤维/陶瓷复合基复合材料是碳纤维增强碳化硅材料,因其良好的高温力学性能,在航空发动机、航天飞行器领域等具有广泛

11、的应用。碳纤维/碳复合材料汽化温度,抗热振,摩擦性能好,已用于制作刹车片、汽车和赛车制动系统、高温模具、高温真空炉内衬材料。碳纤维/碳复合材料作为烧蚀材料早在20世纪70年代就被用于洲际导弹头的端头帽。碳纤维/碳复合材料也是用做高温输送装置、核反应堆零件、电触头、热密封垫和轴承的优良材料。由于碳/碳复合材料与人体组织生理上相容,弹性模量和密度可以设计得与人骨相近,并且强度高,因此,可以做人工骨头,如接断骨、作膝关节和髋关节等6。碳纤维增强金属基复合材料是以碳为增强体,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量;与陶瓷材料相比具有高的韧性和耐冲击性能。金

12、属一般采用铝、镁、镍、钛及其合金。其中碳纤维增强铝基复合材料技术比较成熟,是应用最广的一种复合材料7。下面以它为例来说明碳纤维/金属基复合材料的特性。碳纤维铝基复合材料是一种较理想的轻质高强复合材料。具有很高的高温强度和弹性模量、良好的耐磨性、导电导热性和高温稳定性。其密度小于铝合金,弹性模量却比铝合金高24倍,在制造铝基复合材料通常并不是用纯铝而是用各种铝合金,这主要是因为,与纯铝相比,铝合金具有更好的综合性能8。碳纤维/铝基复38·开发与创新· 4结论(1提出了一个二维转锥反应器瞬态传热过程的有限元模型,分析了转锥内部的瞬态传热过程,为转锥反应器的虚拟制造和优化设计提供

13、了新的方法和途径。同时,也为进一步的分析转锥的热应力奠定了一定的基础。(2转锥的温度随时间变化而逐渐升高,温度分布情况大致为:在底端温度最高,从底端向顶端温度逐渐降底。在底端开口处温度很高,很可能会发生应力集中,因此在生产加工时一定要保证开口处的质量。(3通过实验验证,ANSYS 分析结果与实验所测结果基本一致,具有一定的可靠性。参考文献:1吴创之.生物质能现代化利用技术M.北京:化学工业出版社,20032秦宇.ANSYS11.0基础与实例教程M.北京:化学工业出版社,2009.3李滨.转锥式生物质闪速热解装置设计理论及仿真研究D.哈尔滨:东北林业大学,2004.4李滨.基于模糊优化理论的生物

14、质裂解装置转锥有限元安全分析J.中国安全科学学报,2007,4.5ANSYS 有限元网格划分的基本原则OL.安学网.,2010-05-09.6乔国朝.ZKR_200型转锥式生物质闪速热解反应器的设计及研究D.哈尔滨:东北林业大学,2006.7张华.固体粒子流绕流园管换热系数的试验研究J.东北电力学院学报,1997,3.(上接第22页合材料广泛地应用于飞机、导弹构件、汽车发动机零件、滑动部件等。比如含有碳纤维的铝基复合材料由于轴向刚度好、密度低及超低轴向热膨胀,被用于的哈勃太空望远镜上,比原来铝基树脂复合材料的设计重量减少了9,10。表3为碳纤维增强铝基复合材料的力学性能。3展望可以说,碳纤维的

15、发展已经带动了整个世界的发展。碳纤维作为一种重要的材料已在科技进步的征程中留下深深的脚印,它还将继续散发它的光芒。碳纤维复合材料还有许多地方需要我们去发掘,像碳/碳复合材料,碳/陶瓷基复合材料技术还不够完善。目前国内外学者主要是研究复合材料的制备工艺及损伤破坏和承载能力等领域。相信在不久的将来,对它的研究会更加深入,碳纤维及其复合材料在各个领域的价值也会被最大限度的挖掘,应用前景十分乐观,它在民用,军用,航空航天领域的应用也将会更加广泛。参考文献:1赵玉涛,等.金属基复合材料M.北京:机械工业出版社,2007.2CHAND.S.Review carbon fibers for composit

16、es J.Journal of Materi -als Science,2000,35.3贺福,等.迅速发展的我国碳纤维工业J.高科技纤维与应用,2009,23.4WANG J X,GUM Y.Wearp roperties andmechanisms of nylon and carbon-fiber-reinforced nylon in dry and wet condi2.5钱伯章.碳纤维应用的最新进展J.World Plastic,2009,27.6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,2008,37.7钟历,周上祺.纤维增强铝基复合材料研究进展J.机械工程材料,2002,26.8TANAKAK,NISHIY.Strength of carbon fiber reinforced alloy junc -tion device to