碳纤维复合材料
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又轻又硬的材料
碳纤维复合材料是一种又轻又硬的材料,它由碳纤维和树脂基
体组成,具有优异的机械性能和轻质化特点。
碳纤维复合材料在航
空航天、汽车工业、体育器材等领域有着广泛的应用,成为现代工
程材料中的瑰宝。
首先,碳纤维复合材料的轻质化特点使其成为理想的替代材料。
碳纤维的比重很小,只有钢铁的四分之一,因此制成的复合材料非
常轻盈。
这种轻质化特点使得碳纤维复合材料在航空航天领域有着
广泛的应用,可以大幅减轻飞机和航天器的重量,提高其燃料效率
和飞行性能。
其次,碳纤维复合材料具有优异的硬度和强度。
碳纤维本身具
有很高的拉伸强度和模量,是常见的金属材料的数倍甚至数十倍。
而且,碳纤维与树脂基体的复合结构使得材料具有很好的抗压性和
抗弯性。
因此,碳纤维复合材料在汽车工业中可以用于制造车身和
零部件,提高汽车的安全性和性能。
此外,碳纤维复合材料还具有优异的耐腐蚀性和耐磨性。
由于
碳纤维本身具有很好的化学稳定性,不易受到酸碱等化学物质的侵
蚀。
同时,碳纤维复合材料的表面可以进行特殊的处理,提高其耐
磨性能,使其在体育器材和工程结构中有着广泛的应用前景。
总的来说,碳纤维复合材料作为一种又轻又硬的材料,具有很
多优异的性能和广阔的应用前景。
随着科技的不断进步,碳纤维复
合材料将会在更多领域展现其独特的魅力,为人类创造更多的奇迹。
碳纤维复合材料是一种由碳纤维和树脂组成的复合材料,具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点,被广泛应用于航空航天、汽车制造、运动器材、建筑材料等领域。
随着对环境友好材料的需求不断增加,碳纤维复合材料的环境应用也呈现出日益重要的趋势。
一、碳纤维复合材料的种类1.碳纤维布碳纤维布是由碳纤维经过编织或无纺工艺而成的材料,具有高强度、高模量、轻质等特点,常用于航空航天领域。
2.碳纤维复合材料板碳纤维复合材料板是由碳纤维布经过树脂浸渍、层叠、压制而成的板状材料,具有优异的机械性能和耐腐蚀性能,常用于汽车制造领域。
3.碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料是将碳纤维与树脂等材料复合而成的新型材料,具有强度高、耐高温等特点,常用于航空航天、船舶制造领域。
二、碳纤维复合材料的环境应用1.减少能源消耗碳纤维复合材料具有轻质、高强度的特点,能够降低汽车、航空器等交通工具的重量,减少燃料消耗,有利于环境保护。
2.提高能源利用效率碳纤维复合材料具有优异的机械性能和耐腐蚀性能,能够延长设备的使用寿命,提高能源利用效率,减少资源浪费。
3.降低环境污染碳纤维复合材料具有优异的耐腐蚀性能和抗老化性能,能够降低设备的维护成本,减少环境污染。
三、碳纤维复合材料的发展趋势1.环保可持续随着环保意识的提高,碳纤维复合材料的环保性能将越来越受到重视,未来发展将更加偏向于环保可持续。
2.多领域应用碳纤维复合材料将逐渐应用于更多的领域,包括建筑材料、新能源领域等,拓展发展空间。
3.优化性能未来碳纤维复合材料将通过技术创新和工艺改进,进一步优化性能,满足不同领域的需求。
个人观点和理解作为一种高性能复合材料,碳纤维复合材料在环境应用方面具有巨大潜力。
通过不断的技术创新和工艺改进,碳纤维复合材料的性能将得到进一步提升,应用领域也将得到拓展,为环境保护和可持续发展作出更大的贡献。
总结回顾通过本文的介绍,我们了解了碳纤维复合材料的种类、环境应用及其发展趋势。
碳纤维复合材料具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点,在减少能源消耗、提高能源利用效率和降低环境污染方面具有重要的作用。
碳纤维复合材料特点以下是 9 条关于碳纤维复合材料特点的内容:1. 碳纤维复合材料那可真是轻得要命啊!你想想看,就像一片羽毛一样,却有着超强的强度。
就好比一只小小的蚂蚁,能举起比它自身重好多倍的东西,牛不牛?比如那些高端的赛车,用了碳纤维复合材料,速度那叫一个快!2. 嘿呀,碳纤维复合材料的强度简直逆天了好不好!这就像是钢铁侠的盔甲,坚不可摧啊!你看那些航空航天器,用了它,就能在恶劣的环境中安然无恙,厉害吧!3. 碳纤维复合材料的耐腐蚀性能特别棒哦!简直就是个不会被侵蚀的小勇士。
就像在恶劣的海洋环境中依然闪闪发光的珍珠,能长时间保持良好状态。
很多化工厂的设备用它,可省心了呢!4. 哇塞,碳纤维复合材料的耐高温性能可不是吹的!那简直就是火焰中的小强啊。
好比火山口的岩石,任凭高温炙烤依然安然无恙。
一些高温工作的场合用它,那可真是太合适了!5. 碳纤维复合材料的可设计性很强哟!就如同一块神奇的乐高积木,可以被随心所欲地拼成各种形状和结构。
复杂的产品设计对于它来说,小意思啦!6. 碳纤维复合材料的稳定性那是杠杠的!像一座屹立不倒的山峰,不管遇到什么情况都纹丝不动。
很多精密仪器用它来保证准确性,效果超赞的呀!7. 咦,碳纤维复合材料的耐磨性也很出色呢!这不就是悬崖上久经风沙的石头嘛,怎么磨损都不怕。
像一些容易磨损的机械部件用了它,使用寿命大大延长啦!8. 碳纤维复合材料的减震效果非常好啊!就像一个温柔的怀抱,能把震动都缓冲掉。
那些需要减少震动的设备有了它,简直太幸福啦!9. 碳纤维复合材料真是优点多多啊!轻、强、耐腐蚀、耐高温……各种厉害的特点它都有,这简直就是材料界的明星啊!在各种领域都能大放异彩,未来肯定会越来越重要!。
碳纤维复合材料的成型工艺一、碳纤维复合材料概述碳纤维复合材料是一种由碳纤维增强体和树脂基体组成的新型高性能材料。
它以其轻质、高强度、高刚度、耐疲劳、耐腐蚀等优异性能,在航空航天、汽车制造、体育器材、建筑结构等领域得到了广泛的应用。
本文将探讨碳纤维复合材料的成型工艺,分析其重要性、挑战以及实现途径。
1.1 碳纤维复合材料的特点碳纤维复合材料的特点主要包括以下几个方面:- 轻质高强:碳纤维具有很高的比强度和比模量,使得复合材料在保持轻质的同时,具有很高的承载能力。
- 高刚度:碳纤维复合材料的刚度远高于传统材料,可以提供更好的结构稳定性。
- 耐疲劳:碳纤维复合材料具有优异的耐疲劳性能,适用于承受反复循环载荷的应用。
- 耐腐蚀:碳纤维复合材料对多种腐蚀性介质具有很好的抵抗力,适用于恶劣环境。
1.2 碳纤维复合材料的应用领域碳纤维复合材料的应用领域非常广泛,包括但不限于以下几个方面:- 航空航天:用于飞机结构、发动机部件等,以减轻重量、提高性能。
- 汽车制造:用于车身、底盘等部件,以提高燃油效率和车辆性能。
- 体育器材:用于自行车、网球拍、高尔夫球杆等,以提供更好的运动性能。
- 建筑结构:用于桥梁、高层建筑等,以提高结构的承载能力和耐久性。
二、碳纤维复合材料的成型工艺碳纤维复合材料的成型工艺是实现其优异性能的关键环节。
不同的成型工艺会影响材料的性能和应用范围。
2.1 预浸料成型工艺预浸料成型工艺是一种常用的碳纤维复合材料成型方法。
该工艺首先将碳纤维与树脂基体预先混合,形成预浸料,然后在模具上铺设预浸料,通过热压或真空袋压等方法固化成型。
预浸料成型工艺具有成型效率高、产品质量好等优点。
2.2 树脂传递模塑成型工艺树脂传递模塑(RTM)成型工艺是一种先进的复合材料成型技术。
该工艺通过将树脂注入闭合模具中,使树脂在模具内流动并浸润碳纤维,最终固化成型。
RTM工艺可以实现复杂形状的制品成型,且具有较低的生产成本。
碳纤维及其复合材料碳纤维具有优秀的力学性能,比强度高,比重轻,具有优异的抗拉、抗压和抗弯强度。
它的比强度约为钢铁的10倍,比重则只有钢铁的1/4、这使得碳纤维特别适用于高强度和轻量化要求较高的领域,如航空航天、航空发动机、车辆轻量化等。
此外,碳纤维还具有良好的耐腐蚀性、热稳定性和低热膨胀系数,使其在高温环境下能够保持较好的性能。
碳纤维的制备主要有干法和湿法两种方法。
干法制备主要是通过将聚丙烯腈(PAN)等聚合物纤维进行氧化、碳化处理制成。
湿法制备则是通过炭化纤维进行碳化处理得到碳纤维。
无论是干法还是湿法制备,都需要在高温下进行炭化处理,通常在1000℃以上。
碳纤维的复合材料是将碳纤维与树脂等基体材料复合而成的材料。
碳纤维复合材料综合了碳纤维的高强度和树脂的良好的塑性和可加工性,具有更优越的性能。
常见的碳纤维复合材料有碳纤维增强聚合物复合材料、碳纤维增强陶瓷基复合材料以及碳纤维增强金属基复合材料。
碳纤维复合材料在航空航天领域中的应用广泛。
例如,制造飞机的机身、机翼等部件时,碳纤维复合材料可以替代传统的金属材料,实现减重和提高结构强度的目的。
而在汽车行业,碳纤维复合材料的轻量化优势可以提高汽车的燃油经济性,降低碳排放量。
此外,碳纤维复合材料还广泛应用于体育器材、建筑领域等。
然而,碳纤维及其复合材料也存在一些问题和挑战。
首先,碳纤维复合材料的成本较高。
由于制备工艺的复杂性和原材料的昂贵性,使得碳纤维复合材料的成本较高,限制了其在一些领域的应用。
其次,碳纤维复合材料的环保性仍然是一个问题。
目前,碳纤维的废弃物处理和回收利用仍然存在一定的困难。
综上所述,碳纤维及其复合材料是一种具有优异性能的材料,在航空航天、汽车、体育器材等领域有广泛的应用前景。
随着技术的不断进步,碳纤维复合材料的制备工艺和成本将得到进一步改善,有望在更多领域发挥重要作用。
碳纤维复合材料的分类
以下是 7 条关于碳纤维复合材料分类的内容:
1. 短纤维碳纤维复合材料呀,就好像是一群小士兵紧密地排列在一起执行任务!你想想看,那些汽车的内饰件很多不就是用它来制造的嘛,让车子更轻便又结实。
2. 连续纤维碳纤维复合材料呢,这可牛了,就如同坚韧的绳索一样强大!飞机的某些部件不就是用这个嘛,保证了飞行的安全和高效,厉害吧!
3. 编织碳纤维复合材料呀,这不就像是精心编织的布一样嘛!在高端的体育器材里经常能看到它的身影,让运动员们如虎添翼呀!
4. 颗粒增强碳纤维复合材料,嘿,这就好似给材料里加了一份特别的力量调料!一些耐用的工具上就用了它,能更耐用哦!
5. 层合碳纤维复合材料,哇哦,就好像是一层层叠起来的坚固堡垒!在航天器上经常用到呢,助力探索浩瀚宇宙,这多牛啊!
6. 纳米碳纤维复合材料,听着就很高科技对不对,简直就是微观世界里的小能手啊!某些电子设备可少不了它,让科技更酷炫呢!
7. 混杂碳纤维复合材料,这可有趣了,就像是各种厉害角色的大融合!在一些特殊的工程领域中大展身手呢,起到意想不到的效果呀!
我觉得碳纤维复合材料的这些分类真的是各有千秋,都为我们的生活和科技发展带来了巨大的助力呀!。
碳纤维复合材料碳纤维复合材料是一种由碳纤维和树脂基体组成的高性能材料,具有轻质、高强度、耐腐蚀和耐磨损等优点,被广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶建造、体育器材等领域。
本文将从碳纤维复合材料的制备工艺、性能特点及应用领域等方面进行介绍。
首先,碳纤维复合材料的制备工艺包括预浸料制备、层叠成型、固化和后处理等步骤。
预浸料是将碳纤维与树脂预先混合,形成一种浸渍了树脂的碳纤维布,以便于后续的成型加工。
层叠成型是将预浸料铺在模具中,按照设计要求依次叠加,形成所需的复合材料结构。
固化是通过加热或加压等方式使树脂固化,使碳纤维与树脂基体充分结合。
最后进行后处理,包括修整、表面处理等工艺,以提高复合材料的表面质量和性能。
其次,碳纤维复合材料具有轻质、高强度、耐腐蚀和耐磨损等优点。
碳纤维的比强度和比模量都很高,比重却很低,因此碳纤维复合材料具有很高的强度和刚度,同时又非常轻便。
此外,树脂基体的耐腐蚀性能和碳纤维的耐磨损性能也使得碳纤维复合材料在恶劣环境下有着良好的表现。
因此,碳纤维复合材料被广泛应用于航空航天领域,用于制造飞机机身、机翼等部件,以减轻飞机重量,提高飞行性能。
同时,汽车制造业也将碳纤维复合材料应用于汽车车身、悬挂系统等部件,以提高汽车的安全性和燃油经济性。
在船舶建造领域,碳纤维复合材料可以用于制造船体结构、船舶内部装饰等部件,以提高船舶的航行性能和舒适性。
此外,碳纤维复合材料还被广泛应用于体育器材制造,如高尔夫球杆、自行车车架等,以提高器材的性能和使用寿命。
综上所述,碳纤维复合材料具有制备工艺简单、性能优异、应用广泛等特点,是一种具有很高发展潜力和广阔市场前景的材料。
随着科技的不断进步和人们对轻质高强材料需求的增加,碳纤维复合材料必将在未来得到更广泛的应用和发展。
碳纤维复合材料论文导言碳纤维复合材料(CFRP)是一种由碳纤维和树脂基体组成的高性能材料。
随着科技的进步,CFRP在航空航天、汽车工业、体育用品等领域中得到了广泛的应用。
本论文将就CFRP的制备方法、性能特点以及应用前景进行详细探讨。
1. CFRP的制备方法CFRP的制备方法通常包括纺丝、预浸料、固化和成型四个步骤。
1.1 碳纤维纺丝碳纤维是由多个碳纤维丝束组成的。
纺丝过程中,先将碳纤维丝束在高温下拉伸,然后进行表面处理,以增加纤维与树脂的粘合性能。
1.2 预浸料制备预浸料是将纺丝得到的碳纤维与树脂基体进行浸渍得到的材料。
树脂基体一般采用环氧树脂。
预浸料制备过程中需要控制纤维的含量、纤维间的排列方式以及树脂的渗透性。
1.3 固化固化是指通过加热或加压将树脂基体中的单体或低分子量聚合物转变为高分子量聚合物的过程。
固化可以提高CFRP的强度和刚度。
1.4 成型成型是将固化后的预浸料经过特定形状的模具加热或加压成型,得到最终的CFRP产品。
2. CFRP的性能特点CFRP具有许多优良的性能特点,使其成为许多领域的首选材料。
2.1 高强度和高刚度相比于传统的金属材料,CFRP具有更高的强度和刚度。
其拉伸强度可以达到2000 MPa,弹性模量可以达到150 GPa以上。
2.2 轻质CFRP的密度大约为1.6 g/cm³,相比于钢材(7.8 g/cm³)和铝材(2.7g/cm³),CFRP具有更轻的重量优势。
2.3 抗腐蚀性由于CFRP的主要组成部分是碳纤维和树脂基体,它具有优良的抗腐蚀性能,不易受潮湿环境、化学物质和气候变化的影响。
2.4 热稳定性CFRP具有较高的热稳定性,可以在高温环境下长期使用而不发生形变或脆化。
2.5 高耐疲劳性由于CFRP的高强度和高刚度,它具有出色的耐疲劳性能,适用于长期受到重复加载的应用场景。
3. CFRP的应用前景随着CFRP技术的不断发展,其在各个领域的应用前景十分广阔。
碳纤维复合材料的制备工艺及其应用一、碳纤维复合材料概述碳纤维复合材料是一种由碳纤维和树脂基体组成的材料,具有轻质、高强、高模量、耐腐蚀、耐高温、耐磨损等优点,是目前运用广泛的一种高性能材料。
碳纤维复合材料被广泛应用于航空航天、汽车、体育器材、建筑结构等领域。
如今,其中最为流行的应用就是在制造高档化、高速度、高精度单体器和新颖双翼飞行器上。
二、碳纤维复合材料的制备工艺碳纤维复合材料的制备过程是由多个工艺环节组成的,下面将针对每个环节逐一介绍。
1.纤维预处理碳纤维预处理是将原始碳纤维进行表面处理的过程,主要是增加碳纤维与树脂基体间的结合力。
预处理方法主要有物理法、化学法和物化结合法等。
2. 纤维束成型纤维束成型过程即是对碳纤维进行方向、密度、弯曲等要求的布放,旨在保障最终制品的力学性能和外观质量。
这个过程是全过程中最主要的工艺点。
3. 预浸胶(浸渍)预浸胶过程即是将干燥的碳纤维通过浸渍机进行一遍遍地浸润预浸膜,以保障纤维与树脂基体的结合质量和防止气泡的存在。
浸前要在浸润池内先提前进行啊溶剂和树脂的混合溶解,提高浸渍的成效。
4.层叠成形层叠成形过程即是替代传统的钣金模具来进行原料成型工艺,具有工艺灵活、生产效益高的特点。
一般有人工贴放和机器封装成型两种方法。
一个部位若是需要多层叠放,需对第一个和最后一个层间进行封闭处理。
5. 热固化热固化是将层叠成型后的半成品传送至热压机进行加压热处理,达成树脂基体固化硬化的工艺过程,这个过程也是碳纤维复合材料制品性能优良的重要原因。
三、碳纤维复合材料的应用碳纤维复合材料的优异性能,使得其在许多工业领域得以广泛应用,下面将对其主要应用领域进行介绍。
1. 航空航天领域碳纤维复合材料在航空航天领域中得到了广泛应用,如飞机翼、机身、尾翼等部位以及航空发动机的结构件等。
其优秀的轻重比使得飞机自身质量大大减轻,節省燃油成本以及大幅减少大气污染。
2. 汽车领域碳纤维复合材料在汽车领域中的应用也越来越广泛,碳纤维车身、内饰、动力传输部件以及刹车片等等都是一个个优秀的代表。
碳纤维及其复合材料讲解引言碳纤维是近年来广泛应用于各个领域的一种先进材料,它具有低密度、高强度、高模量、耐热性等优异的性能,在航空航天、汽车、体育器材等领域有着重要的应用。
本文将对碳纤维及其复合材料进行深入讲解,介绍其结构、特性以及应用领域。
碳纤维的结构和制备方法碳纤维是由碳元素组成的纤维状材料,其结构由纯净的碳元素构成,具有高度有序的晶体结构。
碳纤维的制备方法主要包括聚丙烯纤维炭化法、聚丙烯纤维长丝法和聚丙烯纤维溶胶纺丝法等。
其中,聚丙烯纤维炭化法是最常用的方法,它通过将聚丙烯纤维经过预处理后进行高温炭化,得到纯净的碳纤维。
碳纤维复合材料的制备及特性碳纤维复合材料是将碳纤维与树脂基体进行复合制备而成的一种材料。
它具有轻质、高强度、高模量、耐腐蚀等多种特性。
碳纤维复合材料的制备工艺主要包括预浸法、自动定型法和预浸层叠法等。
其中,预浸法是最常用的方法,它通过将碳纤维预先浸渍于树脂中,然后进行固化和压制,最终得到具有预定形状和性能的复合材料。
碳纤维复合材料具有优异的力学性能,其强度和刚度远远超过许多传统材料。
它还具有良好的耐热性和耐腐蚀性能,在高温和恶劣环境下能够保持较好的性能。
此外,碳纤维复合材料还具有良好的阻尼性能,能够吸收和分散冲击能量,提高结构的抗震能力。
碳纤维及其复合材料的应用领域碳纤维及其复合材料在各个领域都有广泛的应用。
在航空航天领域,碳纤维复合材料被广泛应用于飞机、卫星等结构中,以减轻重量并提高飞行性能。
在汽车领域,碳纤维复合材料能够替代传统金属材料,减少车身重量,提高燃油经济性。
在体育器材领域,碳纤维复合材料制成的高尔夫球杆、网球拍等器材具有轻盈、刚性等优势,提高了运动员的表现。
此外,碳纤维复合材料还广泛应用于建筑、能源、电子等领域。
在建筑领域,碳纤维复合材料能够替代传统的钢筋混凝土,提高结构的抗震性能。
在能源领域,碳纤维复合材料被用于制造风力发电叶片、太阳能电池等设备,提高能源转换效率。
碳纤维的研究现状与发展摘要:碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,分子结构界于石墨和金刚石之间,含碳体积分数随品种而异,一般在0.9以上。
关键词:碳纤维复合材料性能与应用正文一、碳纤维的性能1.1分类根据原丝类型分类可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基3种碳纤维,将原丝纤维加热至高温后除杂获得。
目前,PAN碳纤维市场用量最大;按力学性能可分为高模量、超高模量、高强度和超高强度4种碳纤维;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,其中小丝束初期以1K、3K、6K(1K为1000根长丝)为主,逐渐发展为12K和24K,大丝束为48K以上,包括60K、120K、360K和480K等。
1.2性能碳纤维的主要性能:(1)密度小、质量轻,密度为1.5~2克/立方厘米,相当于钢密度的l/4、铝合金密度的1/2;(2)强度、弹性模量高,其强度比钢大4-5倍,弹性回复l00%;(3)具有各向异性,热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂;(4)导电性好,25。
C时高模量纤维为775μΩ/cm,高强度纤维为1500μΩ/cm;(5)耐高温和低温性好,在3000。
C非氧化气氛下不融化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;(6)耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。
此外,还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。
通常,碳纤维不单独使用,而与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料,该复合材料也具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质,已在现代工业领域得到了广泛应用。
1.3应用领域由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性,因此被广泛应用于土木建筑、航空航天、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域。
此外,碳纤维在电子通信、石油开采、基础设施等领域也有着广泛的应用,主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极,在生化防护、除臭氧、食品等领域种也有出色的表现。
碳纤维复合材料片。
碳纤维复合材料片是采用常温固化的热固性树脂(通常是环氧树脂)将定向排列的碳纤维束粘结起来制成的薄片。
把这种薄片按照设计要求,贴在结构物被加固的部位,充分发挥碳纤维的高拉伸模量和高拉伸强度的作用,来修补加固钢筋混凝土结构物。
日本、美国、英国将该材料用于加固震后受损的钢筋混凝土桥板,增强石油平台壁及耐冲击性能的许多工程上,获得了突破性进展。
碳纤维复合材料片具有轻质(比重是铁的1/4~1/5),拉伸模量比钢高10倍以上,耐腐蚀性能优异,可以手糊,工艺性好等优点。
因此,碳纤维复合材料片在修补加固已劣化的钢筋混凝土结构物(约束裂纹发展、防止混凝土削落)和提高结构物耐力以及对用旧标准设计建成的钢筋混凝土结构物的补强、加固应用将越来越多。
二、生产工艺通常用有机物的炭化来制取碳纤维,即聚合预氧化、炭化原料单体—原丝—预氧化丝—碳纤维。
碳纤维的品质取决于原丝,其生产工艺决定了碳纤维的优劣。
以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料,干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法。
2.1干喷湿纺法干喷湿纺法即干湿法,是指纺丝液经喷丝孔喷出后,先经过空气层(亦叫干段),再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。
经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条,纺出的纤维体密度较高,表面平滑无沟槽,且可实现高速纺丝,用于生产高性能、高质量的碳纤维原丝。
与纯湿纺相比,干喷湿纺可纺出较高密度且无明显皮芯结构的原丝,大幅提高了纤维的抗拉强度,可生产细特化和均质化的高性能碳纤维。
2.2 射频法PAN原丝经过预氧化、碳化到石墨化,主要受到牵伸状态下的温度控制。
在这一形成过程中达到纤维定型、碳元素富集,分子结构从聚丙烯腈高分子结构—乱层的石墨结构—三维有序的石墨结构。
国内有自主知识产权的“射频法碳纤维石墨化生产工艺”开辟了碳纤维生产的创新之路,它采用射频负压软等离子法预氧化PAN原丝,接着用微波加热法碳化,最后用射频加热法石墨化形成小丝束碳纤维。
三、碳纤维的发展3.1国外发展以PAN碳纤维为例,该纤维国际上研发已有30年左右,目前世界碳纤维的生产能力在3.4~3.8万吨左右,主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家和我国台湾省。
日本三家以腈纶纤维为主要产品的公司(东丽、东邦以及三菱人造丝公司)依靠其先进的纺丝科学技术,形成了高性能原丝生产的优势,大量生产高性能碳纤维,使日本成为碳纤维大国,无论质量还是数量上都处于世界前三位,三大集团占据了世界75%以上的产量。
3.2国内发展我国聚丙烯腈基碳纤维的研究开发始于20世纪60年代,当时由于碳纤维作为重要的军工产品,国外对我国进行严格技术封锁,使得当时我国聚丙烯腈基碳纤维基本上以自主研究开发为主。
吉林石化公司在采用硝酸一步法生产原丝的基础上,研究开发出性能基本接近T300的碳纤维,但该法对环境污染较大,因而现已放弃。
由于种种原因我国碳纤维发展缓慢,表现为生产规模小、产品质量不稳定、产品规格少、品种单一、没有高性能产品、技术设备落后,大多没有形成规模效益,这些成为制约我国碳纤维发展的瓶颈。
近些年来,随着我国整体实力的不断提升,对碳纤维的需求量也与日俱增,而我国碳纤维现阶段大部分依赖进口,2004年全国碳纤维用量为4000吨,国内实际产量仅为1O多吨,而且无论是质量还是规模与国外相比差距都很大。
另据估测2009年我国碳纤维需求将达到7500吨,这表明我国碳纤维严重供不应求。
尽管目前国际社会碳纤维的制造技术与产品对华出口有所松动,通用级碳纤维进口渠道已经开通,但高性能碳纤维对我国依然限制。
由于我国对碳纤维需求的日益增加,聚丙烯腈基碳纤维又成为国内新材料业研发的热点。
3.3存在问题和差距一是国内PAN碳纤维总生产能力较小,实际生产量仅30~40吨/年,远远不能满足国内的需要,目前我国95%的碳纤维依靠进口;二是与国际先进水平相比,国产碳纤维强度低,均匀性、稳定性差,毛丝多,品种单一且价格昂贵,发展水平总体落后发到国家近20~30年;三是厂家、装置规模小,技术设备落后,经济效益差。
四、产业分析4.1世界碳纤维市场4.1.1世界碳纤维扩产加速2003年以前碳纤维基本供大于求,属于买方市场,当时工业用普通模量级12K碳纤维价格仅12美元/公斤,但到了2004年形势突变,碳纤维一下子由买方市场变为卖方市场,价格一路攀升,2005年翻了好几倍,2006年更是处于有价无市的情况,这给碳纤维厂家带来了难得的发展机遇。
从2004年开始全球碳纤维厂家兴起了一轮扩产热潮。
日本三菱集团也加快了扩产步伐,从2005年到2007年,3年内碳纤维产能将增加72%,接近或赶上东邦的产能。
美国Hexcel公司2005年11月16日宣布在西班牙马德里附近建碳纤维厂,另外美国犹塔工厂也增加碳纤维生产线,产能增加大约50%,即从2270吨/年增加到3300吨/年,2006~2007年完成。
目标很明确,针对A380、A350和B787对碳纤维的大量需求。
Zoltek公司2006年1月3日报告,希望碳纤维产能从2006年的4080吨/年增加到2007年8620吨/年。
综上所述,从2005年到2008年全球PAN基碳纤维产能将从34050 吨/年增加到61500吨/年,增长80.6%,平均年增长率20%,详见表8。
如此显著的增长速度,将会对供需矛盾产生影响。
4.1.2碳纤维供需状况将趋于缓和2005年全球碳纤维供小于求,按Chris Red的预测缺口约2000吨,Toray 预测缺口近3000吨,中国台湾台塑预测缺口也有约1000吨,这就是2005年碳纤维紧张的说明。
2006年虽然碳纤维厂家纷纷扩产,其供应量应较需求量大,但是扩产部分要到2006年底或2007年初才能上市供应,且超过部分有限,仍不能满足用户要求。
因此2006年碳纤维供应仍然紧张。
2007年以后全球碳纤维产量将明显增加,扩量部分陆续上市,供应量显著超过需求量,供需矛盾得到缓解,紧张状况将会所改变。
4.2中国碳纤维市场(1)需求增长快。
我国碳纤维现阶段绝大部分依赖进口,2004年全国碳纤维用量为4000吨,2005年用量约5000吨,年增长率在20%以上,到2009年将达到7500吨/年,而国内现有产量仅约40吨左右,无论质量和规模与国外相比差距都很大。
(2)产能瓶颈明显。
我国除了华皖碳纤维及少数科研院所具有完整的产业链外,绝大部分企业仅仅具有部分碳纤维及其制品的生产工艺。
安徽华皖碳纤维有限公司目前已经顺利完成200吨碳纤维及500吨碳纤维原丝的生产装置的安装,2007年还计划开工建设800吨碳纤维及1800吨碳纤维原丝二期项目。
(3)生产效益大。
如果按丙烯腈1.3万元/吨的销售价格计算,大体可以测算出碳纤维原丝及碳纤维的生产成本,分别为4.4万元/吨、18万元/吨。
一般情况下,军工级碳纤维(3~6K)的售价在200万元/吨左右,民用碳纤维(12K)售价为55万元/吨,可见碳纤维的盈利空间还是非常可观的。
五、发展对策和措施近年来,中国复合材料产业有了很大的进步,已成为碳纤维复合材料应用大国。
但是我国大陆碳纤维长期依赖进口,受治于人,面对当前严峻的形势,必须采取行之有效的措施。
(1)坚持自主创新是发展我国碳纤维的唯一出路。
碳纤维是军需战略物资,是国防建设、先进武器不可或缺的关键材料,不可能也不应该长期依赖进口。
15年前美国国防部就下决心民用碳纤维可以从国外进口,国防工业所需的碳纤维必须国内自行生产。
中国更不能长期从国外进口国防工业所需要的碳纤维。
德国、法国虽然也生产碳纤维,但是碳纤维的核心原丝技术牢牢掌握在日本人手中,至今德国和法国得不到PAN原丝技术。
因此中国不可能引进国外先进的碳纤维制造技术,只能自力更生,依靠自己,别无出路。
(2)坚持应用中改进提高是碳纤维发展的科学规律。
(3)产、研、用密切配合是提高国产碳纤维性能的有效途径。
(4)采取替代材料、混杂技术等措施渡过难关。
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