碳纖維及其復合材料的發(fā)展和應用

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%的無機高分子纖維,是由有機母體纖維(聚丙烯睛、粘膠絲或瀝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。它是一種力學性能優(yōu)異的新材料,比重不到鋼的1/4,能像銅那樣導電,比不銹鋼還耐腐蝕,而其復合材料抗拉強度一般都在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20世紀50年代美國開始研究粘膠基碳纖維,1959年生產出了粘膠基纖維Thormel-25,這是最早的碳纖維產品。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。緊接著英國皇家航空研究院研究了高性能PA

4、N 基碳纖維的技術流程,使PAN 基碳纖維成為碳纖維工業(yè)的主流。20世紀70年代中期,美國聯合碳化公司在美國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年開始生產釣魚桿和高爾夫球棒。1974年,美國最早把碳纖維用于網球。接著羽毛球拍也都實現了CFRP (carbon-fiber reinforcedplastic 化。20世紀80年代,碳纖維開始廣泛用于客機和航天飛機。人造衛(wèi)星也實現了CFRP 化。進入21世紀,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是不同領域碳纖維的需求及預測見表2。

5、我國碳纖維起步于上世紀60年代末,在意識到碳碳纖維及其復合材料的發(fā)展和應用高波,徐自立(武漢紡織大學機電學院,湖北武漢430073收稿日期:2010-05-31作者簡介:高波(1986-,在讀碩士研究生。研究方向:碳纖維增強;徐自立(1964-,碩士生導師,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,包括國外和國內。分析了碳纖維復合材料的特性和應用,著重說明了碳纖維增加金屬基復合材料的相關性能,并指出了其研究前景。關鍵詞:碳纖維;復合材料;金屬基中圖分類號:F4文獻標識碼:A機電產品開發(fā)與創(chuàng)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月文章編號: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碳纖維粘膠碳纖維拉伸強度(Mpa >3000160021002800(Gpa >207379441-55237·開發(fā)與創(chuàng)新·纖維對軍工和民用的價值后開始重視。自1975年11月全國第一次碳纖維復合材料會議之后,一直將碳纖維及其復合材料納入國家科技攻關項目。經過四十多年的發(fā)展,我國碳纖維從無到有,從研制到生產取得了一定的成績,但總的

7、來說,我國碳纖維的研制與生產水平還較低,近些年來,由于我國對碳纖維需求量的日益增加,碳纖維又成為國內新材料業(yè)研發(fā)的熱點。但是,除極個別企業(yè)外,大多數引進項目的技術和設備水平屬國際中下等,生產的碳纖維產品也未達到高端水平2。國內生產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、無錫宏泰機械廠、上海合纖所等。這些廠家的生產能力比較低,無法滿足國內市場對碳纖維的需求。2004年我國碳纖維消耗量約為4500t,2009年達到9000t,而95%依賴進口3。值得慶幸的是,2009年6月14日,我國首個百噸級碳纖維生產基地中國石油吉林石化公司碳纖維廠在吉林省

8、吉林市建成并投產。其自主研發(fā)的聚丙烯腈基碳纖維產品性能已達到國際先進水平,打破了國外技術封鎖,標志著我國高性能碳纖維產業(yè)化實現了新突破。2碳纖維增強復合材料復合材料的組成相為增強相與基體相。增強相一般有很高的力學性能(強度、彈性模量,其主要作用是承受載荷或顯示功能。增強相一般有三種:纖維、晶須、顆粒,它們是不連續(xù)相?；w相也有三種:金屬、陶瓷、聚合物,它們是連續(xù)相。碳纖維是高性能復合材料最常用、最重要的增強相,是目前可作MMCs增強物中價格最便宜的一種。一般是以50012000根直徑為5.614m的細纖維組成束絲作為增強體使用。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

9、纖維,都要經過五個階段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行;牽伸:在室溫以上,通常是在100-300范圍內進行, W.Watt首先發(fā)現結晶定向纖維的拉伸效應,而且這效應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范圍內進行;石墨化:在20003000范圍內進行。碳纖維/聚合物復合材料,也就是通常說的碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP,是目前最先進的復合材料之一,它以輕質、高強、耐高溫、抗腐蝕、熱力學性能優(yōu)良等特點廣泛用作結構材料及耐高溫抗燒蝕材料,是其他纖維增強復合材料所無法比擬的。這些材料在上世紀60、70年代開始應用,現在技術已經非常

10、成熟了,如碳纖維增強環(huán)氧樹脂。碳纖維增強樹脂基復合材料在航空航天領域有著大量的應用,如航天飛機的艙門、仿生機械臂以及壓力容器等。隨著航空技術的不斷發(fā)展,民用飛機在結構中大量地使用碳纖維增強聚合物復合材料,如副翼、發(fā)動機罩、阻力板、起落架艙門等5。碳纖維/陶瓷基復合材料,與陶瓷材料相比有較好的韌性和力學性能,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構材料。用碳纖維增強陶瓷可以有效地改善韌性,改變陶瓷的脆性斷裂形態(tài),同時阻止裂紋在陶瓷基體中的擴展,目前國外比較成熟的碳纖維/陶瓷復合基復合材料是碳纖維增強碳化硅材料,因其良好的高溫力學性能,在航空發(fā)動機、航天飛行器領域等具有廣泛

11、的應用。碳纖維/碳復合材料汽化溫度,抗熱振,摩擦性能好,已用于制作剎車片、汽車和賽車制動系統、高溫模具、高溫真空爐內襯材料。碳纖維/碳復合材料作為燒蝕材料早在20世紀70年代就被用于洲際導彈頭的端頭帽。碳纖維/碳復合材料也是用做高溫輸送裝置、核反應堆零件、電觸頭、熱密封墊和軸承的優(yōu)良材料。由于碳/碳復合材料與人體組織生理上相容,彈性模量和密度可以設計得與人骨相近,并且強度高,因此,可以做人工骨頭,如接斷骨、作膝關節(jié)和髖關節(jié)等6。碳纖維增強金屬基復合材料是以碳為增強體,金屬為基體的復合材料。碳纖維增強金屬基復合材料與金屬材料相比,具有高的比強度和比模量;與陶瓷材料相比具有高的韌性和耐沖擊性能。金

12、屬一般采用鋁、鎂、鎳、鈦及其合金。其中碳纖維增強鋁基復合材料技術比較成熟,是應用最廣的一種復合材料7。下面以它為例來說明碳纖維/金屬基復合材料的特性。碳纖維鋁基復合材料是一種較理想的輕質高強復合材料。具有很高的高溫強度和彈性模量、良好的耐磨性、導電導熱性和高溫穩(wěn)定性。其密度小于鋁合金,彈性模量卻比鋁合金高24倍,在制造鋁基復合材料通常并不是用純鋁而是用各種鋁合金,這主要是因為,與純鋁相比,鋁合金具有更好的綜合性能8。碳纖維/鋁基復38·開發(fā)與創(chuàng)新· 4結論(1提出了一個二維轉錐反應器瞬態(tài)傳熱過程的有限元模型,分析了轉錐內部的瞬態(tài)傳熱過程,為轉錐反應器的虛擬制造和優(yōu)化設計提供

13、了新的方法和途徑。同時,也為進一步的分析轉錐的熱應力奠定了一定的基礎。(2轉錐的溫度隨時間變化而逐漸升高,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,很可能會發(fā)生應力集中,因此在生產加工時一定要保證開口處的質量。(3通過實驗驗證,ANSYS 分析結果與實驗所測結果基本一致,具有一定的可靠性。參考文獻:1吳創(chuàng)之.生物質能現代化利用技術M.北京:化學工業(yè)出版社,20032秦宇.ANSYS11.0基礎與實例教程M.北京:化學工業(yè)出版社,2009.3李濱.轉錐式生物質閃速熱解裝置設計理論及仿真研究D.哈爾濱:東北林業(yè)大學,2004.4李濱.基于模糊優(yōu)化理論的生物

14、質裂解裝置轉錐有限元安全分析J.中國安全科學學報,2007,4.5ANSYS 有限元網格劃分的基本原則OL.安學網.,2010-05-09.6喬國朝.ZKR_200型轉錐式生物質閃速熱解反應器的設計及研究D.哈爾濱:東北林業(yè)大學,2006.7張華.固體粒子流繞流園管換熱系數的試驗研究J.東北電力學院學報,1997,3.(上接第22頁合材料廣泛地應用于飛機、導彈構件、汽車發(fā)動機零件、滑動部件等。比如含有碳纖維的鋁基復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鏡上,比原來鋁基樹脂復合材料的設計重量減少了9,10。表3為碳纖維增強鋁基復合材料的力學性能。3展望可以說,碳纖維的

15、發(fā)展已經帶動了整個世界的發(fā)展。碳纖維作為一種重要的材料已在科技進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。碳纖維復合材料還有許多地方需要我們去發(fā)掘,像碳/碳復合材料,碳/陶瓷基復合材料技術還不夠完善。目前國內外學者主要是研究復合材料的制備工藝及損傷破壞和承載能力等領域。相信在不久的將來,對它的研究會更加深入,碳纖維及其復合材料在各個領域的價值也會被最大限度的挖掘,應用前景十分樂觀,它在民用,軍用,航空航天領域的應用也將會更加廣泛。參考文獻:1趙玉濤,等.金屬基復合材料M.北京:機械工業(yè)出版社,2007.2CHAND.S.Review carbon fibers for composit

16、es J.Journal of Materi -als Science,2000,35.3賀福,等.迅速發(fā)展的我國碳纖維工業(yè)J.高科技纖維與應用,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.碳纖維應用的最新進展J.World Plastic,2009,27.6上官倩芡,蔡泖華.碳纖維及其復合材料的發(fā)展及應用J.上海師范大學學報,2008,37.7鐘歷,周上祺.纖維增強鋁基復合材料研究進展J.機械工程材料,2002,26.8TANAKAK,NISHIY.Strength of carbon fiber reinforced alloy junc -tion device to