科技进展高性能碳纤维的性能及其应用张新元 何碧霞 李建利 张 元(陕西省纺织科学研究所)摘要: 探讨高性能碳纤维的性能及其应用领域。

介绍了碳纤维的分类、制备、性能特征、应用以及国内外产业发展状况,分析了国际碳纤维产业的情况和我国碳纤维产业的现状及发展趋势。

碳纤维应用涉及航空航天、体育运动、一般制造业、土木建筑、能源开发等领域。

随着科技的发展和碳纤维应用技术的不断完善,碳纤维产业的发展空间必将越来越广。

关键词: 碳纤维;强度;比电阻;结晶度;聚丙烯腈;碳纤维机织物中图分类号:TS102.52+7 2 文献标志码:A 文章编号:1001 7415(2011)04 0065 04Property and Application of H igh perfor m ance Carbon FiberZhang X i n yuan H e B i x ia L i J i a nli Zhang Y uan(Shaanx iT extil e Sc i ence and T echno logy Instit ute)A bstrac t H igh perfor m ance carbon fi ber prope rty and appli cati on we re d i scussed .C l assifi cation and m anu fact ure o f carbon fiber w ere i ntroduced ,carbon fi ber property ,appli cation ,deve l op m ent at hom e and abroad w ere i n troduced as w ell as .The applica ti on fie l d i nc l udes aerospace field ,spo rts field ,genera l m anufacturi ng field ,civ il constructi on fi e l d and energy dev elopment fi e l d et a.l Interna ti ona l carbon fi ber i ndustry situati on ,current situati on and deve lop m ent trend o f dom estic carbon fi be r industry w ere ana l y sed .carbon fiber i ndustry dev elopment w ou l d be m ore and mo re w i de l y as the deve lopment o f techno logy and the perfection o f carbon fibe r app licati on technology .K ey W ords Carbon F i ber ,Strength ,Specific R esistance ,Cry sta lli nity ,Po l yacrylon itr ile ,Carbon F i ber W oven F abr i c高性能纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐气候、耐化学试剂等特性,是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。

高性能纤维品种较多,目前已规模化生产的有碳纤维、芳纶纤维等,既可作为结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用,是性能优越的战略性新型材料。

目前,高性能纤维中碳纤维是大规模生产的一个品种,具有较高的比强度、比模量和较小的体积质量。

碳纤维既具有碳材料的固有特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,具有优异的力学性能,近年来被广泛应用于航空、航天、汽车、化工、能源、交通、建筑、电子、体育运动器材等领域。

1 碳纤维的制备及分类碳纤维的制备目前是采用一些含碳的有机纤维(如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等)做原料,将有机作者简介:张新元(1962-),男,高级工程师,西安,710038收稿日期:2010 12 23纤维与塑料树脂结合在一起,放在稀有气体的环境中,在一定张力、温度、压强下,经过一定时间的预氧化、碳化和石墨化处理等强热过程制成。

碳纤维按原丝类型可分为聚丙烯腈(P AN )基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维和酚醛基碳纤维4类。

P AN 基碳纤维是目前制备碳纤维的第一大原料,其产量约占世界总产量的95%左右。

沥青基碳纤维约占4%,粘胶基碳纤维约占1%,酚醛基碳纤维尚处于实验室研究,未形成产业化。

碳纤维按形态可分为长丝、短纤维和短切纤维。

长丝应用在工业结构件和宇航结构件中,短纤维主要应用在建筑行业,如短碳纤维石墨低频电磁屏蔽混凝土、工业用碳纤维毡等。

碳纤维按力学性能分为通用型和高性能型。

通用型碳纤维强度为1000M Pa 、模量为100GPa 左右。

高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000MPa 、模量250GPa )和高模型(模量300GPa 以上)。

强度大于4000MPa 的又称为超高强型;模量大于450GPa 的称为超高模型。

碳纤维按用途可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维。

小丝束以1K 、3K 、6K 为主,逐渐发展为12K 和24K;大丝束在48K 以上,包括60K 、120K 、360K 和480K 等。

2 碳纤维的性能特征碳纤维的抗拉强度一般都在3500MPa (1 2N /tex~1 9N /tex)以上,比钢材(0 35N /tex )大4倍~5倍,比强度为钢材的10倍左右,高模碳纤维抗拉强度比钢材大68倍左右。

碳纤维的弹性模量在230GPa 以上,比钢材(200GPa )大1 8倍~2 6倍。

日本东丽的高强型T1000系列碳纤维,其模量为295GPa ,强度达7 05GPa ,而高强高模M 55J 型碳纤维,模量达540GPa ,强度为4 02GPa 。

碳纤维的体积质量为1 50g /c m 3~2 16g /c m 3,相当于钢材(7 8g /c m 3)的l/4、铝合金体(2 72g /c m 3~2 82g /c m 3)的1/2,钛合金(4 5g /c m 3)的1/3,即便是制作成复合材料,其体积质量仅为1 70g /c m 3左右。

碳纤维性能独特,例如其热膨胀系数较小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂。

同时碳纤维导电性好,25 时高模量碳纤维电阻率为7 75 10-2m ,高强度碳纤维为1 5 10-1m 。

碳纤维耐高温和低温性也较好,在3000 非氧化环境下不融化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,不脆化;在600 高温下其性能保持不变,在-180 低温下仍很柔韧。

碳纤维的耐酸性较好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等腐蚀,此外还耐油、抗辐射、抗放射,具有吸收有毒气体和使中子减速等特性。

碳纤维的可加工性能较好,由于碳纤维及其织物质量轻又可折可弯,可适应不同的构件形状,成型较方便,可根据受力需要黏贴若干层,而且施工时不需要大型设备,也不需要采用临时固定,而且对原结构又无损伤。

不同品种,高模、高强碳纤维的性能如表1所示。

表1 不同品种高模、高强碳纤维的性能项目牌号抗拉强度/GP a 拉伸模量/GP a 断裂伸长/%热膨胀系数/K -1导热率/W (m K )-1电阻率/ m 体积质量/g c m -3美国聚丙烯腈基美国聚丙烯腈基日本聚丙烯腈基日本聚丙烯腈基日本聚丙烯腈基中国聚丙烯腈基GY 70GY 80M 40M 50M 60J BHM 31.861.862.742.453.923.205175273924905884000.360.320.60.50.70.8-1.1 10-6-1.2 10-6-0.9 10-6142 8589756.010-6 8.0 10-68.0 10-68.010-61.92 1.811.911.941.833 碳纤维的应用目前,已经成熟的碳纤维应用形式有四种,即碳纤维、碳纤维织物、碳纤维预浸料坯和切短纤维。

碳纤维织物是碳纤维重要的应用形式。

碳纤维织物可分为碳纤维机织物、碳纤维针织物、碳纤维毡和碳纤维异型织造织物。

碳纤维主要以 缠绕成形法 应用为主。

碳纤维织物主要以 树脂转注成形法(RTM 也称真空辅助成型工艺) 应用为主。

预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列或碳纤维织物经树脂浸泡,加热和塑化,使其转化成片状的一种产品。

切短纤维是指将PAN 基碳纤维长丝切成数毫米长的短纤维,与塑料、金属、橡胶等材料进行复合,以增加材料的强度和耐磨性。

目前,国内碳纤维织物的应用形式主要以碳纤维机织物为主。

由于碳纤维轴向经编增强体中碳纤维完全平行伸直排列,纤维取向度高,纤维特性可以得到充分利用。

目前国际市场的碳纤维应用形式逐渐向碳纤维轴向经编织物转变。

随着碳纤维生产应用技术的不断提高,碳纤维的应用领域越来越广。

3.1 航空航天领域碳纤维复合材料广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天领域。

碳纤维由于其质量小,所以动力消耗少,可节约大量燃料。

例如2007年问世的A380超大型飞机,复合材料比重占25%左右,百公里油耗不到3L /人;2008年的B787飞机用复合材料占50%左右;将在2013年面世的A 350超宽客机,复合材料比重将达52%左右,预计百公里油耗只有2 5L /人,几乎可与小汽车媲美。

我国C919飞机提出了复合材料不低于25%的目标,每架飞机用碳纤维约8t~10t 。

专家预测:到2020年,只有复合材料才有潜力使飞机获得20%~25%的性能提升,复合材料将成为飞机的基本材料,用量将达到65%。

碳纤维增强树脂基复合材料也是生产武器装备的重要材料。

在战斗机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,可以起到明显的减重作用,较大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能,可比金属结构减轻质量31 5%左右,减少零件61 5%左右,减少紧固件61 3%左右。

目前,国外第四代军用飞机的结构重量系数已达到27%~28%。

以F 22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右,其中碳纤维复合材料将成为主体材料。

国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机,已实现了结构的复合材料化。

目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材料。

全球航空航天领域碳纤维用量统计如表2所示。

表2 全球航空航天领域碳纤维用量统计年份用量/t 增长率/%200220032004200520062007200810134117141196011480122261325313412111.9111.6102.196.1106.5108.4101.23.2 体育运动领域碳纤维最早的商业化应用就是体育运动休闲产品市场。