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碳纖維
閱讀：3423發(fā)布時間：2011-5-23
成分結構
碳纖維是由有機纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結構類似造石墨，是亂層石墨結構。
碳纖維是一種力學性能異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為230~430Gpa亦于鋼。因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/（g/cm3）以上，而A3鋼的比強度僅為59Mpa/（g/cm3）左右，其比模量也比鋼。材料的比強度，則構件自重小，比模量，則構件的剛度大，從這個意義上已預示了在工程的廣闊應用前景。
綜觀多種新興的復合材料（如分子復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料）的異性能，不少預料，類在材料應用上正從鋼鐵時代進入到一個復合材料廣泛應用的時代。
化學性質
碳纖維是含碳量于90的無機分子纖維。其中含碳量于99的稱石墨纖維。的軸向強度和模量，無蠕變，耐疲勞性好，比熱及導電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕性好，纖維的密度，X射線透過性好。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強酸作用下發(fā)生氧化，與金屬復合時會發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現(xiàn)象。因此，在使用前須進行表面處理。
的制備
可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經(jīng)碳化制得；按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維；按力學性能分為通用型和性能型。通用型強度為1000兆帕（MPa）、模量為100GPa左右。性能型又分為強型（強度2000MPa、模量250GPa）和模型（模量300GPa以上）。強度大于4000MPa的又稱為強型；模量大于450GPa的稱為模型。隨著航天和航空工業(yè)的，還出現(xiàn)了強伸型，其延伸率大于2。用量zui大的是聚丙烯腈PAN基。
目前應用較普遍的主要是聚丙烯腈和瀝青。的制造包括纖維紡絲、熱穩(wěn)定化（預氧化）、碳化、石墨化等4個過程。其間伴隨的化學變化包括，脫氫、化、氧化及脫氧等。
的強伸性能
由于原料、模量、強度和zui后的熱處理溫度不同，產(chǎn)生了特性不同的，前者硬而脆的常用于復合材料，軟而柔順的常用于紡織；后者多被用于工程用料。由于的應用來多兼之其特性，強力拉伸性能的緊迫性擺在了我們面前。強伸性能屬于破壞性的，完畢試樣沒有可恢復性，又因為分離成為單纖維以后非常脆弱，因此在每次過程中，需要細心、耐心，前不要對試樣造成損傷。一般需要得到的是CV值、平均值等。
的拉伸性能分單絲法和復絲法。分離成為單纖維以后非常脆弱，剪切強度，稍有不慎就會斷裂，因此在每次過程中，需要細心、耐心，不要對試樣造成損傷。單纖維強伸性能通常采用紙框法固定試樣，當然也不排除其他方法。單纖維強伸性能要采用能的強模纖維強力儀。
紙框法固定試樣，剪取適當長度的該樣品,用鋼針沿著纖維方向將其分離，使樣品蓬松便于抽取。用取樣盤來盛取試樣，為測得結果的準確性，不能對造成損傷。采用外制作襯紙麻煩，在過程中我用電腦制圖找到一個簡單易行的方法。取0.1mm左右厚的打印紙做基片；按圖1尺寸用Word制圖，劃出一個尺寸合適的框，復制滿A4紙打?。▓D1是25mm隔距拉伸尺寸。若50mm隔距拉伸時，裁切線的長度應增加一倍）；直尺放與裁切線吻合后用刀片沿裁切線將實線部分裁除，然后兩端貼上5mm寬的雙面膠紙；抽取分離的單根樣品，沿中心虛線放上，并用雙面膠紙固定。也可以用融化后的松香，將單根 “焊接”在紙框上，其“焊點”起到固定單根的作用（：采用“焊接”方式?jīng)]有雙面膠紙固定方式好用，而且夾持試樣時要離開“焊點”）；再用8～10mm寬的紙條，沿著裁切線寬度方向覆蓋雙面膠紙和樣品端頭，沿剪切線剪切，分離成固定在單個紙框上的待樣。注意：的取樣比較困難，尤其處理后的，細，也難分辨是一根還是兩根，根據(jù)實驗中曲線對比進行判斷如果記錄下的曲線斜率明顯大于其他試樣的有可能是兩根纖維，必要時可以用放大鏡配合取樣。
應用域
可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。使用中除用作熱保溫材料外，一般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構成復合材料。增強的復合材料可用作結構材料、電磁屏蔽除電材料、工韌帶等身體代用材料以及用于制造外殼、機動船、工業(yè)機器、汽車板簧和驅動軸等。
1994年2002年左右，隨著從短纖到長纖的學術，使用制作發(fā)熱材料的和也逐漸進入軍用和民用域?，F(xiàn)在內已經(jīng)有使用長纖制作電網(wǎng)電纜的使用案例多處。同時，發(fā)熱，采暖，遠紅外理療也來多的走入尋常百姓庭。
是軍民兩用新材料，屬于密集型和政治敏感的材料。以前，以美為的巴黎統(tǒng)籌委員會（COCOM）， 對當時的社會主義實行禁運封鎖政策，1994年3月，COCOM雖然已解散，但禁運封鎖的陰影仍籠罩在上空，的仍引不進來，是性能PAN基原絲，即使我進入WTO，形勢也不會發(fā)生大的變化。因此，除了繼續(xù)自力生工業(yè)外，別無其它選擇。因此，外尤其是生產(chǎn)的日韓等對的材料及制品的一直保持相當謹慎的態(tài)度，只有為數(shù)少的能夠與其建立合作關系，擁有其的渠道。
產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
目前產(chǎn)量達到4萬噸/，全主要是東麗、東邦造絲和三菱造絲三公司以及美的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三公司，以及德SGL西格里集團，韓泰光產(chǎn)業(yè)，我中國臺灣省的臺塑集團，等少數(shù)單位掌握了生產(chǎn)的核心，并且有化大生產(chǎn)。
目前，在祖大陸還沒有一個年產(chǎn)100t的化工廠，大多還處于中試放大階。一提的是我中國臺灣省的臺塑集團，在80代年中期從美Hitco公司引進百噸級生產(chǎn)線，經(jīng)消化、吸收和配套后得到迅速，臺塑產(chǎn)量增加快，但質量的提幅度并不大。
產(chǎn)
我對的開始于20世紀60，80開始強型。來進展緩慢，但也取得了一定成績。進入21世紀以來較快，安徽華皖公司引進了500噸/年原絲、200噸/年PAN基（只有東麗T300水平），使我工業(yè)進入了產(chǎn)業(yè)化。隨后，一些廠相繼加入生產(chǎn)行列。據(jù)不統(tǒng)計，目前，我已有12生產(chǎn)大小不一（5～800噸/年）的PAN基生產(chǎn)廠，合計生產(chǎn)能力為1310噸/年，規(guī)格為1K、3K、6K、12K。但由于一些沒有原絲可燒，實際內的總產(chǎn)量不足40噸/年，而且產(chǎn)量不太穩(wěn)定，大多數(shù)達不到T300水平。
可喜的是，從2000年開始我向多元化，放棄了原來的硝酸法原絲制造，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲獲得。目前利用自主的少數(shù)產(chǎn)T300、T700已經(jīng)達到同類水平。
生產(chǎn)線
隨著來我對的需求量日益增長，已被列為化纖重點扶持的新，成為內新材料的熱點。據(jù)不統(tǒng)計，目前擬建和在建的生產(chǎn)有11，合計生產(chǎn)能力為原絲7100噸/年、1560噸/年，其中在建為4，合計生產(chǎn)能力為原絲1100噸/年、470噸/年。
應用
盡管我生產(chǎn)緩慢，而消費量卻一直在逐漸增加，需求旺盛。主要用途包括體育器材、一般工業(yè)和航空航天等，其中體育休閑用品的使用量zui大，占消費量的約80～90。我的需求量已過3000噸/年，2010年將突破5000噸/年。主要應用域為：成熟有航空航天及防域（、、導彈、衛(wèi)星、雷達等）和體育休閑用品（爾夫球桿、漁具、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、箭桿、自行車、賽艇等）；新興有增強塑料、壓力容器、建筑加固、風力發(fā)電、摩擦材料、鉆井平臺等；待有汽車、醫(yī)療器械、新能源等。
現(xiàn)況
我復合材料的開始于20世紀70中期，經(jīng)過近40年的，已取得了長足進展，在航天主導（彈、箭、星、船）上得到了廣泛應用。來，我體育休閑用品及壓力容器等域對的需求迅速增長，航空航天的快速急需性能及其復合材料等，需求加旺盛。
為了滿足內對不斷增長的需求，應盡快實現(xiàn)我工業(yè)的產(chǎn)化和化。為此，加快創(chuàng)新，掌握核心；加速原絲，純度原絲；強化應用和，進一步擴大應用域。在我大有前途，但應總結滌綸等化纖的教訓，避盲目，實現(xiàn)健康。
為了的制造和航空航天事業(yè)的，我還盡快地實現(xiàn)強中模型的產(chǎn)業(yè)化。但是，因為性能是航空航天等必少的材料，受到以美為的巴黎統(tǒng)籌委員會的封鎖。雖然“巴統(tǒng)”在1994年3月解散了，但禁運的陰影仍然存在。即使對我解除了禁運，開始也只能是通用級，而不會向我們出售性能和設備。因此，性能要靠我們自己。
我化學纖維工業(yè)“十一·五”規(guī)劃中提出了“從以增加數(shù)量為主轉向大力新纖維”，是把事關產(chǎn)業(yè)安全的新纖維材料作為重中之重，而且被列為位，是迫切需要短期內突破的新纖維品種，為我的創(chuàng)造了條件，我們要抓住這一機遇，自力生、努力創(chuàng)新，具有自己知識產(chǎn)權的，以滿足不斷增長的需求。“863 計劃”以及有關部委都在關心我工業(yè)的及其產(chǎn)業(yè)化步伐，并給予強有力的支持，許多材料專也扎扎實實的做了許多工作。“十一五”期間，我又啟動了相關“973計劃”。相信“十一五”將是我工業(yè)產(chǎn)業(yè)化的時代。
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