1.前言(元琛科技)碳纖維指的是含碳量在90%以上的高強度高模量纖維。耐高溫居所有化纖之首。用腈綸和粘膠纖維做原料,經(jīng)高溫氧化碳化而成。
材料特性:碳纖維主要由碳元素組成,具有耐高溫、抗摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性,外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物,由于其石墨微晶結(jié)構(gòu)沿纖維軸擇優(yōu)取向,因此沿纖維軸方向有很高的強度和模量。碳纖維的密度小,因此比強度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復(fù)合,制造先進復(fù)合材料。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,其比強度及比模量在現(xiàn)有工程材料中是最高的。
現(xiàn)在碳纖維的主要產(chǎn)品有聚丙烯腈基,瀝青基及黏膠基3大類,每一類產(chǎn)品又因原纖維種類、工藝及最終碳纖維性能等不同,又分成許多品種。"碳纖維"一詞實際上是多種碳纖維的總稱,因此分類及命名就十分重要。
2.主要產(chǎn)品
根據(jù)前軀體原料的不同,碳纖維可分為聚丙烯腈基(PAN)、瀝青基和粘膠基碳纖維等。由于粘膠基碳纖維在制備過程中會釋放出毒性物質(zhì)二硫化碳,且工藝流程長、生產(chǎn)成本高、整體性能不高,因此目前在國際碳纖維產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,前2種碳纖維獲得了更大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。其中,PAN基碳纖維又占據(jù)絕對優(yōu)勢,國際市場占有率超過90%。PAN基碳纖維的9大生產(chǎn)商包括:日本東麗工業(yè)株式會社(簡稱“東麗”)、日本東邦化學(xué)工業(yè)株式會社(簡稱“東邦")、日本三菱麗陽株式會社(簡稱“三菱麗陽”)、美國赫氏有限公司(Hexcel)、美國氰特工業(yè)公司(Cytec)、美國卓爾泰克公司(Zoltek, 已被東麗收購)、臺灣塑料工業(yè)股份有限公司(簡稱“臺塑")、土耳其阿克薩集團( AKSA)和德國西格里碳素集團( SGL)。瀝青基碳纖維的生產(chǎn)和應(yīng)用居其次,主要生產(chǎn)企業(yè)3家,分別是Cytec、三菱麗陽和東麗。
PAN基碳纖維分為小絲束(1~24K)和大絲束(36K 及以上)2類。全球小絲束碳纖維市場主要被東麗、東邦、三菱麗陽3家公司所壟斷,而來自中國、土耳其和韓國的企業(yè),正不斷擴充小絲束的全球產(chǎn)能,同時也降低了3家日本公司的市場份額。大絲束碳纖維生產(chǎn)商主要有Zoster、SGL和三菱麗陽3家。另外,中國藍星(集團)總公司英國分公司擁有大絲束碳纖維原絲的供應(yīng)能力,Cytec 于2014年與德國Dormagen的腈綸纖維生產(chǎn)商DralonGmbH公司合作開展低成本大絲束碳纖維的研制開發(fā)。預(yù)計在未來10年中,其他制造商也會陸續(xù)加入大絲束碳纖維生產(chǎn)領(lǐng)域。
為滿足高速發(fā)展的航空航天與汽車市場對碳纖維的需要,幾乎所有的碳纖維巨頭都宣布了擴產(chǎn)計劃。例如,東麗擁有以日本本土為核心的日美法韓4個生產(chǎn)基地,目前已形成11000 ~12000 t /a的T700S和4500 t /a的T800碳纖維生產(chǎn)能力,并宣布PAN基碳纖維的總產(chǎn)能于2015年達到27 100 t ,2020年擴大至50000 t。另外,Hexcel 在歐洲大幅度擴產(chǎn),三菱在美國與本土擴產(chǎn),Cytec 已經(jīng)基本完成美國的雙倍產(chǎn)能擴產(chǎn)計劃,SGL也在美國接連擴產(chǎn)。各企業(yè)的碳纖維生產(chǎn)已基本實現(xiàn)了全球布局,為進一步實現(xiàn)從原絲到下游復(fù)合材料制品的全產(chǎn)業(yè)鏈一體化協(xié)調(diào)發(fā)展奠定了硬件基礎(chǔ)。
3.性能(1)力學(xué)性能碳纖維復(fù)合材料拉伸強度高,模量大,密度小,具有較高的比強度和很高的比模量。與傳統(tǒng)金屬材料相比,碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕,強度高,韌度高,具有明顯的優(yōu)勢。與同為新型材料的硅基纖維復(fù)合材料相比,碳基纖維的拉伸強度約為其3-7倍。碳基纖維的彈性模量高于硅基纖維,所以碳纖維復(fù)合材料在相同外載荷下,應(yīng)變較小,其制件的剛度比硅基纖維復(fù)合材料制件高。高模量碳纖維的斷裂伸長率約為0.5%,高強度碳纖維的約為1%,硅基纖維約為2.6%,而環(huán)氧樹脂的約為1.7%,所以碳纖維復(fù)合材料中纖維的強度能得到充分的發(fā)揮。
由于碳纖維的脆性很大,沖擊性能差,所以碳纖維復(fù)合材料的拉伸破壞方式屬于脆性破壞,即在拉斷前沒有明顯的塑性變形,應(yīng)力應(yīng)變曲線為直線,這一點與玻璃纖維相似,只是模量高于、斷裂伸長率低于玻璃纖維。碳纖維復(fù)合材料的耐高低溫性能好。在隔絕空氣(惰性氣體保護下),2000°C仍有強度,液氮下也不脆斷。
(2)耐腐蝕性碳纖維復(fù)合材料除了能被強氧化劑如濃硝酸、次氯酸及重鉻酸鹽氧化外,一般的酸堿對它的作用很小,比硅基纖維復(fù)合材料具有更好的耐腐蝕性。碳纖維復(fù)合材料不像硅基纖維復(fù)合材料那樣在濕空氣中會發(fā)生水解反應(yīng),具有好的耐水性及耐濕熱老化特性。此外還具有耐油、抗輻射以及減速中字運動等特性。
4.碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用
碳纖維復(fù)合材料憑借其優(yōu)良的性能,已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,主要有航空航天、汽車、結(jié)構(gòu)加固工程、新能源開發(fā)、休閑用品等。
(1)航空航天
碳纖維復(fù)合材料最初主要應(yīng)用于航天業(yè),因為發(fā)射航天器的成本與重量成正比關(guān)系,所以如何在保證航天器性能的同時減輕其重量成為最重要的問題。碳纖維復(fù)合材料具有高比強度、高比模量、使用溫度范圍高這些優(yōu)點而在航天產(chǎn)業(yè)得到深入的應(yīng)用,從航天器的外殼、內(nèi)設(shè)、結(jié)構(gòu)以及航空發(fā)動機幾乎都是采用碳纖維復(fù)合材料制作而成。近年來,隨著碳纖維復(fù)合材料制造成本的下降,軍用航空飛機和民用航空飛機方面也開始大規(guī)模使用該材料以大幅度減輕機體機構(gòu)質(zhì)量、改善氣動彈性提高飛機的綜合性能。根據(jù)美國復(fù)合材料制造商協(xié)會統(tǒng)計,2001年世界上飛機生產(chǎn)對碳纖維的需求量約為900-1000t。
據(jù)統(tǒng)計,目前,碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)飛機和直升飛機上的使用量已占70%~80%,在軍用飛機上占30%~40%,在大型客機上占15%~50%。以美國波音公司的B777為例,碳纖維復(fù)合材料在該型號飛機上的使用比例達到9%,這些先進復(fù)合材料主要應(yīng)用在飛機尾翼、襟翼、副翼、天線罩、整流罩、短艙和地板梁等構(gòu)件,具體包括:垂直安定面翼盒、平尾翼盒、方向舵、升降舵、前后緣壁板、地板梁、外側(cè)副翼、外側(cè)襟翼、襟翼、襟副翼、整流包皮、內(nèi)外側(cè)擾流板、后緣壁板、發(fā)動機短艙、發(fā)動機支架整流罩、前起落架艙門、固定前緣、雷達天線罩等。
(2)汽車
目前,世界每年生產(chǎn)乘用車5千萬輛,若包括卡車和公共汽車為7千萬輛,隨著中、印等國汽車工業(yè)的快速發(fā)展,不久世界汽車的年產(chǎn)量確可能超過1億輛。另外,目前世界PAN-CF的年產(chǎn)量只有數(shù)萬噸,由于CFRP成本高、難加工、成型速度慢及還受再生問題的限制,只能用于航空航天、體育用品和工業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,要想用于汽車上,最重要的是盡快開發(fā)適用于熱塑性樹脂(如聚丙烯等)的具有表面活性的CF以及其CFRTP超高速成型技術(shù)和二次加工技術(shù),其次當(dāng)CF需求量超過百萬噸時,就要求開發(fā)以生物質(zhì)為原料的CF,盡管目前還有一定難度。再次,當(dāng)達到這么大規(guī)模時,需要開發(fā)CFRP的再生和CF高度再利用技術(shù),還要解決這些材料和有關(guān)成型加工的評價和標(biāo)準化問題。(元琛科技)