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    高性能碳纖維技術發展歷程與主要應用
    發布時間:2019-08-15   瀏覽次數:83

    高性能碳纖維,是碳含量>92%,且具有強度≥3530MPa、模量≥230GPa、延伸率為0.7%~2.2%等優異力學特性的纖維形態的碳材料。

    一、高性能碳纖維技術的發展歷程

    天然纖維基碳纖維→人造絲基碳纖維→聚丙烯腈基碳纖維→中間相瀝青基碳纖維

    關于碳纖維研究

    No.1 原美國聯合碳化物公司

    20世紀50年代末,原美國聯合碳化物公司建立了帕爾馬技術中心從事碳材料的基礎科學研究。高性能碳纖維的科學發現和中間相瀝青基碳纖維技術的發明就誕生在這里。

    羅格·貝肯1959年發現石墨晶須及其特性,確立了高性能碳纖維技術的追求目標。

    倫納德·辛格1970年發現液晶或中間相是實現碳纖維高模特性的關鍵,發明了中間相或液晶態瀝青制備技術,發明了高模量瀝青基碳纖維制備技術。

    No.2 大阪工業技術試驗所

    大阪工業技術試驗所的進藤昭男1959年發現聚丙烯腈纖維的熱穩定性非常好。

    經熱處理,分子內的氮和氫轉化成了氨氣和氫氰酸,成分中保留了高比例的碳,可獲得強力、模量和耐熱性更好的高質量PAN基碳纖維,奠定了碳纖維產業化發展的技術基礎。

    No.3 英國皇家飛機研究中心

    原英國皇家飛機研究中心研究員威廉姆·瓦特,首次制得了真正意義上的高性能PAN基碳纖維。

    No.4 日本東麗工業公司

    1961年:開始關注無機纖維樹脂增強體的研究發展;

    1970年:PAN基碳纖維產業化技術研發成功;

    1971年:1噸/月試驗線建成,Torayca品牌產品銷售;

    1973年:5噸/月生產線建成投產;

    1990年:預浸料首次被認證為波音777飛機機尾主承力結構部件的原材料;

    1992年:在美國建立預浸料工廠;

    1997年:在美國建立原絲工廠;

    2011年:被用于包括主翼在內的波音787飛機主承力結構的制造。

    二、高性能碳纖維的主要應用

    1、導彈、空間平臺和運載火箭

    2、航空器

    3、先進艦船

    4、軌道交通車輛

    5、電動汽車

    6、新概念貨運卡車

    7、風電葉片

    8、電力電纜

    9、燃料電池

    10、壓力容器

    11、超高速離心機轉子

    12、特種管筒

    13、公共基礎設施

    14、醫療設備

    15、機械零件

    16、體育休閑產品

    17、樂器

    18、時尚產品

    1、碳纖維材料不可替代的四大領域

    No.1 用于風電葉片

    國產6MW風機:

    CFRP主梁葉片:長77.7m,CFRP主梁重5t,葉片重量28t;完全采用GFRP制造,該葉片重量為36t;減重:8t。

    美國GE公司哈利亞德X型12MW海上風力發電機:

    高度:260m;葉輪直徑:220m;葉片長度:107m;葉輪掃掠面積:38,000m2。容量系數:63%;年發電量:67GWh;供1.6萬戶歐洲家庭使用。

    No.2 用于壓力容器

    纖維增強金屬或塑料容器,提高其耐壓性并保證安全,以貯存更多的氣態或液態燃料,供航空航天器、艦船和車輛使用。

    通過設計和控制纖維含量、張力、纏繞軌跡等參數,充分發揮纖維性能,使全纏繞纖維增強壓力容器的爆破壓力離散差盡可能小。

    氫燃料電池動力汽車的高壓儲氫氣瓶,抗壓性能可達70MPa。

    No.3 用于磁懸浮列車

    工作原理:超導電磁鐵相斥原理,以磁的吸力和排斥力為動力。

    工作狀態:運行時,軌道磁斥力將車體懸浮在空中,只需提供克服大氣阻力的動力。

    最高速度:可達500Km/h。

    No.4 超高速離心機轉子

    超高速下穩定旋轉、加速和剎車,且環境適應性好,可精密安裝、長壽命使用、低成本維護:高速離心機用轉子,以及制膜、造紙和印刷等設備用輥等。

    力學性能優異,重量輕、慣性小、偏轉低、固有頻率高。

    2、碳纖維應用的三大新興領域

    No.1 驅逐艦的上殼

    朱姆沃爾特級驅逐艦是美國海軍的下一代主戰艦艇,其集成了當今最尖端的海軍艦船技術,該艦上層建筑采用了一體化模塊式復合材料結構,質量輕、強度高、耐銹蝕、透波性好,具有極佳的隱身性能,被發現概率低于10%。

    No.2 樂器

    碳纖維復合材料由于具有比模量高,彎曲強度大,耐疲勞性能好,受環境溫度濕度影響小等特點。

    應用于樂器中,不僅音色好不掉漆、對濕熱環境不敏感,而且相對于普通木質樂器來說,制作效率更高,可以降低生產成本。著名大提琴演奏家馬友友就有一把碳纖維材質的大提琴。

    No.3 時尚奢侈品

    碳纖維的質量比金屬鋁輕,但強度卻高于鋼鐵,既有碳材料的固有特性,又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,說它“外柔內剛”也是名副其實。還常常應用在衛浴產品,行李箱中。

    高性能碳纖維技術科學發現距今已有60年,產業技術起步距今已有50年,形成產業能力已有40年;傳統應用領域的競爭力靠學習、靠技術,前沿應用領域的競爭力靠想象力、靠創新。

    過硬的技術結合創新的實力,高性能碳纖維技術高速發展,相信未來還會應用到更廣泛的領域中。

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    來源:中國纖維流行趨勢
     關鍵詞:碳纖維
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