碳纤维工程结构材料的研发

发布时间:2014年11月25日 已经有331个人看过
碳纤维工程结构材料的研发

        碳纤维是上世纪末发展起来的一种十分重要的结构材料,它具有高比强度、高比模量、质轻、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳和热膨胀系数小等一系列优点。它的比重不到钢的四分之一,而碳纤维复合材料的抗拉强度却达钢的7~9倍,抗拉弹性模量也远高于钢。因此其比强度和比模量都比钢高。不仅如此,碳纤维复合材料在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性出类拔萃。众所周知,材料的比强度愈高,则构件自重愈小;比模量愈高,则构件的刚度愈大,因此,碳纤维材料已经被广泛应用于航天航空、战略武器、汽车、交通、能源、建筑和体育用品等领域,显示出碳纤维在工程上的广阔应用前景。

碳纤维材料中最重要的是聚丙烯腈(polyacrylonitrile,pan)基碳纤维,其研发与生产起步于20世纪60年代,在90年代得到飞速发展。在世界上,日本一直垄断着pan基碳纤维的核心技术。日本东丽公司在成功开发强度为3.0gpa的t300级碳纤维基础上,又相继率先成功开发出强度为5.5gpa的t800级碳纤维和强度为7.1gpa的t1000碳纤维产业化技术;同时,还开发出了高模碳纤维的产业化技术,其拉伸模量从392gpa提高至700gpa,在碳纤维领域确保了其国际领先地位,并已成为美国波音公司和法国空中客车公司的碳纤维产品定点企业。

由于国外对碳纤维的技术和产品实施全面封锁,因此,我国碳纤维的研发与产业化必须坚持独立自主的道路。

碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨,是乱层石墨结构。pan基碳纤维是将pan纤维经氧化、环化和低温、高温碳化后获得的一种无机纤维材料。小丝束碳纤维通常用于织成碳布后再与树脂复合制备成复合材料,大丝束碳纤维主要用于树脂预浸带或预浸料。根据纤维的性能,碳纤维可分为高强型和高模型,高强型碳纤维的强度为3.5~9.0gpa,但模量较小;而高模型碳纤维在此基础上还需在2800℃左右进行石墨化牵伸处理,使碳纤维的晶粒进一步细化和重排,其模量可达到400~700gpa,而拉伸强度仍能保持3.5~4.0gpa。目前所制备的碳纤维强度仅为其理论强度的5%,影响其强度的关键因素在于制备过程中形成的结构缺陷。因此,碳纤维工程结构材料在性能上还有很大的提升空间。

中国石油天然气公司在2009年投资6亿元在吉林石化公司建成了百吨级碳纤维及其配套pan原丝的工业生产装置。目前,吉林石化公司碳纤维复合材料制品的性能已达到日本东丽公司t300的水平。吉林石化公司通过在中试装置上开展工程化技术研究,开发出百吨级碳纤维及配套原丝工业生产装置的工艺软件包。在突破t300碳纤维关键制备技术基础上,实现了碳纤维产品质量的稳定化和产品规格的系列化,自主开发出百吨级碳纤维及原丝的成套生产技术,这标志着我国向碳纤维的产业化迈出了坚实的步伐。预计到2015年,该公司碳纤维的生产规模将可达到年产5000吨。

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