碳纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用

1、·開發(fā)與創(chuàng)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引言碳纖維是含碳量高于90%的無機(jī)高分子纖維,是由有機(jī)母體纖維(聚丙烯睛、粘膠絲或?yàn)r青等采用高溫分解法在1000300

3、0高溫的惰性氣體下碳化制成的。它是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料,比重不到鋼的1/4,能像銅那樣導(dǎo)電,比不銹鋼還耐腐蝕,而其復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa 以上,是鋼的79倍,抗拉彈性模量為2300043000Mpa ,也高于鋼。碳纖維按其原料可分為三類:聚丙烯腈基(PAN 碳纖維、石油瀝青基碳纖維和人造絲碳纖維三類。其中聚丙烯腈基碳纖維用途最廣,需求也最大1。1碳纖維的發(fā)展史1.1國(guó)外碳纖維的發(fā)展歷史20世紀(jì)50年代美國(guó)開始研究粘膠基碳纖維,1959年生產(chǎn)出了粘膠基纖維Thormel-25,這是最早的碳纖維產(chǎn)品。同一年,日本發(fā)明了用聚丙烯腈基(PAN 原絲制造碳纖維的新方法。緊接著英國(guó)皇家

4、航空研究院研究了高性能PAN 基碳纖維的技術(shù)流程,使PAN 基碳纖維成為碳纖維工業(yè)的主流。20世紀(jì)70年代中期,美國(guó)聯(lián)合碳化公司在美國(guó)空軍和海軍的資金支持下,研發(fā)高性能瀝青基碳纖維。碳纖維的民用商業(yè)化也正是始于70年代。日本東麗公司最早于1971年開始生產(chǎn)釣魚桿和高爾夫球棒。1974年,美國(guó)最早把碳纖維用于網(wǎng)球。接著羽毛球拍也都實(shí)現(xiàn)了CFRP (carbon-fiber reinforcedplastic 化。20世紀(jì)80年代,碳纖維開始廣泛用于客機(jī)和航天飛機(jī)。人造衛(wèi)星也實(shí)現(xiàn)了CFRP 化。進(jìn)入21世紀(jì),碳纖維的需求量隨之增大,以大約13%的速度逐年遞增。碳纖維的主要性能見表1。表2是不同領(lǐng)域

5、碳纖維的需求及預(yù)測(cè)見表2。1.2國(guó)內(nèi)碳纖維的發(fā)展我國(guó)碳纖維起步于上世紀(jì)60年代末,在意識(shí)到碳碳纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用高波,徐自立(武漢紡織大學(xué)機(jī)電學(xué)院,湖北武漢430073收稿日期:2010-05-31作者簡(jiǎn)介:高波(1986-,在讀碩士研究生。研究方向:碳纖維增強(qiáng);徐自立(1964-,碩士生導(dǎo)師,教授,博士。摘要:介紹了碳纖維的性能及其特性,概述了碳纖維的發(fā)展史,包括國(guó)外和國(guó)內(nèi)。分析了碳纖維復(fù)合材料的特性和應(yīng)用,著重說明了碳纖維增加金屬基復(fù)合材料的相關(guān)性能,并指出了其研究前景。關(guān)鍵詞:碳纖維;復(fù)合材料;金屬基中圖分類號(hào):F4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Adoi:10.3969/j.issn.1002-

6、6673.2010.04.014機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新Development &Innovation of M achinery &E lectrical P roductsVol.23,No.4July .,2010第23卷第4期2010年7月文章編號(hào):1002-6673(201004-037-03表1碳纖維的主要性能性能聚丙烯腈基碳纖維石油瀝青級(jí)碳纖維粘膠碳纖維拉伸強(qiáng)度(Mpa >3000160021002800密度(g/cm 3 1.761.94 1.7 2.0拉拉彈性模量(Gpa >207379441-55237·開發(fā)與創(chuàng)新·纖維對(duì)軍工和民用

7、的價(jià)值后開始重視。自1975年11月全國(guó)第一次碳纖維復(fù)合材料會(huì)議之后,一直將碳纖維及其復(fù)合材料納入國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目。經(jīng)過四十多年的發(fā)展,我國(guó)碳纖維從無到有,從研制到生產(chǎn)取得了一定的成績(jī),但總的來說,我國(guó)碳纖維的研制與生產(chǎn)水平還較低,近些年來,由于我國(guó)對(duì)碳纖維需求量的日益增加,碳纖維又成為國(guó)內(nèi)新材料業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)。但是,除極個(gè)別企業(yè)外,大多數(shù)引進(jìn)項(xiàng)目的技術(shù)和設(shè)備水平屬國(guó)際中下等,生產(chǎn)的碳纖維產(chǎn)品也未達(dá)到高端水平2。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)聚丙烯腈碳纖維的廠家主要有:榆茨化纖廠、蘭州石化公司化纖廠、蘭州碳素纖維廠、衡水碳纖維材料廠、無錫宏泰機(jī)械廠、上海合纖所等。這些廠家的生產(chǎn)能力比較低,無法滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)碳纖維的需

8、求。2004年我國(guó)碳纖維消耗量約為4500t,2009年達(dá)到9000t,而95%依賴進(jìn)口3。值得慶幸的是,2009年6月14日,我國(guó)首個(gè)百噸級(jí)碳纖維生產(chǎn)基地中國(guó)石油吉林石化公司碳纖維廠在吉林省吉林市建成并投產(chǎn)。其自主研發(fā)的聚丙烯腈基碳纖維產(chǎn)品性能已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,打破了國(guó)外技術(shù)封鎖,標(biāo)志著我國(guó)高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)了新突破。2碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料復(fù)合材料的組成相為增強(qiáng)相與基體相。增強(qiáng)相一般有很高的力學(xué)性能(強(qiáng)度、彈性模量,其主要作用是承受載荷或顯示功能。增強(qiáng)相一般有三種:纖維、晶須、顆粒,它們是不連續(xù)相。基體相也有三種:金屬、陶瓷、聚合物,它們是連續(xù)相。碳纖維是高性能復(fù)合材料最常用、最重要的增

9、強(qiáng)相,是目前可作MMCs增強(qiáng)物中價(jià)格最便宜的一種。一般是以50012000根直徑為5.614m的細(xì)纖維組成束絲作為增強(qiáng)體使用。而像硼纖維、碳化硅則是單絲做為增加體使用。無論何種原絲纖維來制造碳纖維,都要經(jīng)過五個(gè)階段4:拉絲:可用濕法、干法或者熔融狀態(tài)三種中任意一種方法進(jìn)行;牽伸:在室溫以上,通常是在100-300范圍內(nèi)進(jìn)行, W.Watt首先發(fā)現(xiàn)結(jié)晶定向纖維的拉伸效應(yīng),而且這效應(yīng)控制著最終纖維的模量;穩(wěn)定:通過400加熱氧化的方法;碳化:在10002000范圍內(nèi)進(jìn)行;石墨化:在20003000范圍內(nèi)進(jìn)行。經(jīng)過以上五個(gè)階段,所產(chǎn)生的最終纖維其基本成分都為碳,高模量碳纖維成分幾乎為純碳。2.1碳纖

10、維/聚合物復(fù)合材料碳纖維/聚合物復(fù)合材料,也就是通常說的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP,是目前最先進(jìn)的復(fù)合材料之一,它以輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料,是其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所無法比擬的。這些材料在上世紀(jì)60、70年代開始應(yīng)用,現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)非常成熟了,如碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用,如航天飛機(jī)的艙門、仿生機(jī)械臂以及壓力容器等。隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展,民用飛機(jī)在結(jié)構(gòu)中大量地使用碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料,如副翼、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、阻力板、起落架艙門等5。2.2碳纖維/陶瓷基復(fù)合材料碳纖維/陶瓷基復(fù)合材料,與

11、陶瓷材料相比有較好的韌性和力學(xué)性能,保持了基本原有的優(yōu)異性能。比高溫合金密度低,是比較理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。用碳纖維增強(qiáng)陶瓷可以有效地改善韌性,改變陶瓷的脆性斷裂形態(tài),同時(shí)阻止裂紋在陶瓷基體中的擴(kuò)展,目前國(guó)外比較成熟的碳纖維/陶瓷復(fù)合基復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)碳化硅材料,因其良好的高溫力學(xué)性能,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天飛行器領(lǐng)域等具有廣泛的應(yīng)用。2.3碳纖維/碳復(fù)合材料碳纖維/碳復(fù)合材料汽化溫度,抗熱振,摩擦性能好,已用于制作剎車片、汽車和賽車制動(dòng)系統(tǒng)、高溫模具、高溫真空爐內(nèi)襯材料。碳纖維/碳復(fù)合材料作為燒蝕材料早在20世紀(jì)70年代就被用于洲際導(dǎo)彈頭的端頭帽。碳纖維/碳復(fù)合材料也是用做高溫輸送裝置、核反應(yīng)

12、堆零件、電觸頭、熱密封墊和軸承的優(yōu)良材料。由于碳/碳復(fù)合材料與人體組織生理上相容,彈性模量和密度可以設(shè)計(jì)得與人骨相近,并且強(qiáng)度高,因此,可以做人工骨頭,如接斷骨、作膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)等6。2.4碳纖維/金屬基復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是以碳為增強(qiáng)體,金屬為基體的復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料與金屬材料相比,具有高的比強(qiáng)度和比模量;與陶瓷材料相比具有高的韌性和耐沖擊性能。金屬一般采用鋁、鎂、鎳、鈦及其合金。其中碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料技術(shù)比較成熟,是應(yīng)用最廣的一種復(fù)合材料7。下面以它為例來說明碳纖維/金屬基復(fù)合材料的特性。碳纖維鋁基復(fù)合材料是一種較理想的輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料。具有很高的高溫強(qiáng)度和

13、彈性模量、良好的耐磨性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性和高溫穩(wěn)定性。其密度小于鋁合金,彈性模量卻比鋁合金高24倍,在制造鋁基復(fù)合材料通常并不是用純鋁而是用各種鋁合金,這主要是因?yàn)?與純鋁相比,鋁合金具有更好的綜合性能8。碳纖維/鋁基復(fù)表2不同領(lǐng)域碳纖維的需求及預(yù)測(cè)年份宇航體育用品工業(yè)合計(jì)2002620066001150024300 2005710078001940034300 2008810092003020047500 2011980011300474006850038·開發(fā)與創(chuàng)新· 4結(jié)論(1提出了一個(gè)二維轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器瞬態(tài)傳熱過程的有限元模型,分析了轉(zhuǎn)錐內(nèi)部的瞬態(tài)傳熱過程,為轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器的虛擬

14、制造和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的方法和途徑。同時(shí),也為進(jìn)一步的分析轉(zhuǎn)錐的熱應(yīng)力奠定了一定的基礎(chǔ)。(2轉(zhuǎn)錐的溫度隨時(shí)間變化而逐漸升高,溫度分布情況大致為:在底端溫度最高,從底端向頂端溫度逐漸降底。在底端開口處溫度很高,很可能會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中,因此在生產(chǎn)加工時(shí)一定要保證開口處的質(zhì)量。(3通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,ANSYS 分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所測(cè)結(jié)果基本一致,具有一定的可靠性。參考文獻(xiàn):1吳創(chuàng)之.生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用技術(shù)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20032秦宇.ANSYS11.0基礎(chǔ)與實(shí)例教程M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.3李濱.轉(zhuǎn)錐式生物質(zhì)閃速熱解裝置設(shè)計(jì)理論及仿真研究D.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2004.4李濱.基于

15、模糊優(yōu)化理論的生物質(zhì)裂解裝置轉(zhuǎn)錐有限元安全分析J.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2007,4.5ANSYS 有限元網(wǎng)格劃分的基本原則OL.安學(xué)網(wǎng).,2010-05-09.6喬國(guó)朝.ZKR_200型轉(zhuǎn)錐式生物質(zhì)閃速熱解反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及研究D.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2006.7張華.固體粒子流繞流園管換熱系數(shù)的試驗(yàn)研究J.東北電力學(xué)院學(xué)報(bào),1997,3.(上接第22頁(yè)合材料廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈構(gòu)件、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、滑動(dòng)部件等。比如含有碳纖維的鋁基復(fù)合材料由于軸向剛度好、密度低及超低軸向熱膨脹,被用于的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上,比原來鋁基樹脂復(fù)合材料的設(shè)計(jì)重量減少了9,10。表3為碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能。3展

16、望可以說,碳纖維的發(fā)展已經(jīng)帶動(dòng)了整個(gè)世界的發(fā)展。碳纖維作為一種重要的材料已在科技進(jìn)步的征程中留下深深的腳印,它還將繼續(xù)散發(fā)它的光芒。碳纖維復(fù)合材料還有許多地方需要我們?nèi)グl(fā)掘,像碳/碳復(fù)合材料,碳/陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)還不夠完善。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要是研究復(fù)合材料的制備工藝及損傷破壞和承載能力等領(lǐng)域。相信在不久的將來,對(duì)它的研究會(huì)更加深入,碳纖維及其復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域的價(jià)值也會(huì)被最大限度的挖掘,應(yīng)用前景十分樂觀,它在民用,軍用,航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也將會(huì)更加廣泛。參考文獻(xiàn):1趙玉濤,等.金屬基復(fù)合材料M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.2CHAND.S.Review carbon fibers for

17、 composites J.Journal of Materi -als Science,2000,35.3賀福,等.迅速發(fā)展的我國(guó)碳纖維工業(yè)J.高科技纖維與應(yīng)用,2009,23.4WANG J X,GUM Y.Wearp roperties andmechanisms of nylon and carbon-fiber-reinforced nylon in dry and wet condi2.5錢伯章.碳纖維應(yīng)用的最新進(jìn)展J.World Plastic,2009,27.6上官倩芡,蔡泖華.碳纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用J.上海師范大學(xué)學(xué)報(bào),2008,37.7鐘歷,周上祺.纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料研究進(jìn)展J.機(jī)械工程材料,2002,26.8TANAKAK,NISHIY.Strength of carbon fiber reinforced alloy junc -tion device to joint copper with aluminum J.Journal of the Japan In -stit