碳纖維技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用分析

胡春燕 王方麗 閆桂林(山東晨陽(yáng)新型碳材料股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

0 引言

碳纖維材料具有極高的使用性能。此類物體通過(guò)其性能的不同，有不同的用途。其特點(diǎn)主要呈現(xiàn)在耐腐蝕，耐高溫，材質(zhì)輕盈，高比模量，超高強(qiáng)度以及出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象的可能性較低等。上世紀(jì)50 年代初期，碳纖維材料作為軍用物品制作原料出現(xiàn)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提升，碳纖維制作用品逐漸實(shí)現(xiàn)在航空領(lǐng)域以及生活用品中，并且還滲透進(jìn)了能源生產(chǎn)、交通、工業(yè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。基于此，在我國(guó)社會(huì)不斷發(fā)展的如今，碳纖維技術(shù)在國(guó)家戰(zhàn)略新型材料的研發(fā)與使用中具有頗高的地位，享有材料之王的稱號(hào)。

1 碳纖維的產(chǎn)品形式

1.1 碳纖維編織材料

目前，市場(chǎng)上對(duì)碳纖維的生產(chǎn)形勢(shì)總共分為四種形勢(shì)體現(xiàn)。主要包括布料、短切纖維與預(yù)浸料坯、纖維。其中，布料主要是指利用碳纖維制成的產(chǎn)品。

1.2 碳纖維產(chǎn)品性能

碳纖維可以增強(qiáng)的復(fù)合材料主要包括陶瓷基復(fù)合材料、C/C 復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和樹(shù)脂基復(fù)合材料等，它們的主要用途，詳見(jiàn)表1。

表1 碳纖維的主要用途及應(yīng)用形態(tài)、種類

(1)陶瓷基復(fù)合材料中的碳纖維可以有效的增強(qiáng)陶瓷韌性，能增加陶瓷的易脆性，能有效的防止陶瓷中的裂紋快速蔓延、擴(kuò)散。陶瓷材料也使用碳纖維來(lái)增強(qiáng)碳化硅材料這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外是比較成熟的，大量用于航空事業(yè)中如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航空飛行器可以重復(fù)使用應(yīng)用比較廣泛。

(2)由碳纖維或織物、編織物等增強(qiáng)碳基復(fù)合材料構(gòu)成得復(fù)合材料，主要組成成分為各類碳，也就是纖維碳、樹(shù)脂碳和沉積碳。這種材料在具備高強(qiáng)度、高剛性，尺度穩(wěn)定以外，也有抗氧化、耐磨損得特性，在有較高的斷裂韌性和假塑性的同時(shí)，也具備了在高溫環(huán)境中，強(qiáng)度高、不溶不燃。因此被應(yīng)用到導(dǎo)彈彈頭，固定火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和飛機(jī)剎車盤(pán)等重要領(lǐng)域。

(3)針對(duì)所需材料的耐沖擊能力、韌性等所需條件為出發(fā)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)碳纖維在增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料有一定的作用。

(4)碳纖維增強(qiáng)聚合物具有重量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕和熱力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)材料和高溫?zé)g材料中得到了廣泛的應(yīng)用。碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料的樹(shù)脂基體主要包括熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂。碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料是以碳纖維為分散體，熱塑性塑料為基體的纖維增強(qiáng)塑料。碳纖維增強(qiáng)熱塑性擁有屬性具有強(qiáng)度高、剛性好、蠕變小、熱穩(wěn)定性好、線膨脹系數(shù)小、抗摩擦磨損性能好、對(duì)磨損零件無(wú)損傷、阻尼性能優(yōu)異等特點(diǎn)。

2 碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 宇航領(lǐng)域

宇航領(lǐng)域中，碳纖維的重量輕，剛性比較好、整體穩(wěn)定性和散熱性能比較好，所以碳纖維很早就被用于人造衛(wèi)星中了。由于碳纖維耐高溫被用于航空火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體和噴管上，并且運(yùn)用到衛(wèi)星的天線、構(gòu)架、衛(wèi)星和火箭的結(jié)合部分、太陽(yáng)能的底板上；還用到航天飛機(jī)機(jī)翼前緣和機(jī)艙門(mén)、飛機(jī)機(jī)頭等部分。

2.2 航空領(lǐng)域

碳纖維作為民用飛機(jī)和軍用飛機(jī)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。比如空客A380 飛機(jī)35t 材料中的碳纖維復(fù)合材料約占20%以上，這其中包含機(jī)尾組件和受壓艙壁、中央翼盒。在新一代的飛機(jī)中碳纖維復(fù)合材料增加。以及，在中小型噴氣飛機(jī)中的碳纖維需求明顯在增加。

2.3 土木建筑領(lǐng)域

由于碳纖維成本降低以及復(fù)合材料制造技術(shù)得迅速發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料在土木建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。元鋼被碳纖維復(fù)合材料棒替代，由于碳纖維復(fù)合材料的特殊性，使用碳纖維維復(fù)合材料層板加固、修復(fù)橋梁和建筑物取得了良好的成效，后期，如果將碳纖維合理應(yīng)用增強(qiáng)混凝土技術(shù)作業(yè)中，將會(huì)取得更大的發(fā)展空間。

2.4 工業(yè)領(lǐng)域

相對(duì)于宇航和體育休閑用品相比，目前在工業(yè)中對(duì)碳纖維的需求在不斷的增加。包括油氣的開(kāi)采、復(fù)合材料的輥?zhàn)印⒒A(chǔ)設(shè)施、壓力容器、以及航海設(shè)施的不斷發(fā)展，在這個(gè)領(lǐng)域中大量運(yùn)用碳纖維使碳纖維在不斷的增長(zhǎng)。碳纖維主要用于計(jì)算機(jī)的制造、手機(jī)生產(chǎn)、辦公用品等，并且在靜電消散和電磁屏蔽方面的運(yùn)用在不斷的增加[1]。

2.5 交通運(yùn)輸領(lǐng)域

針對(duì)交通運(yùn)輸行業(yè)中的碳纖維應(yīng)用，主要寄希望于汽車行業(yè)的大力推廣使用。現(xiàn)如今，我國(guó)國(guó)內(nèi)的各大主要汽車生產(chǎn)廠家，將碳纖維復(fù)合材料立志為最新開(kāi)發(fā)的節(jié)能材料，并且出現(xiàn)了一種爭(zhēng)先開(kāi)發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)局面。這種局面的出現(xiàn)，意味著我國(guó)未來(lái)的汽車在節(jié)能環(huán)保方面更具競(jìng)爭(zhēng)性。

2.6 能源領(lǐng)域

當(dāng)前，電阻率為10-3～10-2Ω/cm 的碳纖維紙是一種高性能的碳纖維紙，通常稱為高導(dǎo)電碳纖維紙。被進(jìn)行大范圍的推廣與使用。

2.7 體育休閑領(lǐng)域

在亞洲，用于制造運(yùn)動(dòng)休閑產(chǎn)品的碳纖維比世界上任何其他地區(qū)都多。在亞洲，特別是在中國(guó)，碳纖維越來(lái)越多地用于制造管狀復(fù)合材料物體，如高爾夫俱樂(lè)部和網(wǎng)球拍，其他體育用品包括釣魚(yú)桿、箭頭、滑雪裝備、賽車、自行車架、球拍、棒球棒和運(yùn)動(dòng)墻。

3 未來(lái)碳纖維技術(shù)發(fā)展前景

3.1 堅(jiān)持自主創(chuàng)新是發(fā)展我國(guó)碳纖維的唯一出路

因此，美國(guó)于20 年前就已頒發(fā)了針對(duì)碳纖維進(jìn)口的相關(guān)規(guī)定。規(guī)定本國(guó)國(guó)防與工業(yè)生產(chǎn)方面所需的碳纖維材料必須自己生產(chǎn)。隨后，德國(guó)與法國(guó)等多個(gè)國(guó)家進(jìn)入自主研發(fā)階段，但是，針對(duì)核心技術(shù)的把握仍待精細(xì)化。針對(duì)此方面的核心技術(shù)仍然把握在日本國(guó)家。截止到目前，導(dǎo)致許多國(guó)家在面對(duì)原絲核心技術(shù)的開(kāi)發(fā)時(shí)，仍然力不存心。國(guó)內(nèi)技術(shù)的發(fā)展無(wú)法得到研發(fā)技術(shù)的有效支持，只能依靠進(jìn)口來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此可以說(shuō)，我們國(guó)家不能單單依靠引進(jìn)的相關(guān)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)制造行業(yè)的發(fā)展，更要自立自強(qiáng)，自給自足，刻苦鉆研新的技術(shù)。

3.2 堅(jiān)持“產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合的原則

目前，碳纖維研發(fā)在我國(guó)多所高校、研究院所的實(shí)驗(yàn)室中，小試以及中試中的成果，都有非常明顯的進(jìn)步，但是卻沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)像。因此，將高校以及研究所所研究的成果與企業(yè)研究成果結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)共同開(kāi)發(fā)的目的。將社會(huì)資源進(jìn)行充分利用，以“產(chǎn)、學(xué)、研”為研發(fā)基礎(chǔ)，在攻關(guān)合作的模式下，從根本上將產(chǎn)業(yè)化與碳纖維之間存在的問(wèn)題進(jìn)行有效解決，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)各方技術(shù)實(shí)現(xiàn)互通，最終實(shí)現(xiàn)科研工作與生產(chǎn)環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系。

3.3 研發(fā)要從源頭抓起

聚丙烯腈基碳纖維材料，必須要從聚丙烯腈基碳纖維的原絲質(zhì)量抓起。聚丙烯腈基碳纖維表面光潔無(wú)暇和好強(qiáng)化致密化、原絲高純化是制造高性能碳纖維的主要任務(wù)。碳纖維的質(zhì)量受原絲的質(zhì)量影響，使得生產(chǎn)成本增加，在聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)中炭化比率一般占45%左右，聚丙烯腈基碳纖維原絲卻要占總成本的50%～65%。好的聚丙烯腈基碳纖維原絲是制造高性能的碳纖維中不可缺少的條件之一。

3.4 建立適合我國(guó)市場(chǎng)特點(diǎn)的技術(shù)和產(chǎn)品體系

國(guó)內(nèi)的碳纖維需要研發(fā)出符合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)特點(diǎn)的產(chǎn)品體系和相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確保一般工業(yè)運(yùn)用和體育用品不同技術(shù)上的需求、并且要滿足航天航空需要。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于碳纖維被廣泛使用從航天航空領(lǐng)域不斷擴(kuò)展到人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，便逐漸適應(yīng)市場(chǎng)的需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不斷的自主創(chuàng)新能力，并且在產(chǎn)品研發(fā)和對(duì)標(biāo)式技術(shù)的自主品牌創(chuàng)新的過(guò)渡，目前研發(fā)專用碳纖維技術(shù)在市場(chǎng)上有很大的發(fā)展前景，不斷改進(jìn)碳纖維中的不足，提升碳纖維材料的整體的性價(jià)比，以及提升復(fù)合材料的綜合性能等等，國(guó)產(chǎn)碳纖維在技術(shù)發(fā)展需要尋求技術(shù)突破。