《纤维材料改性》课程论文 题 目 碳纤维的改性技术与应用领域

学 院 ________ 专 业 _________ 年 级 ________________ 学 号 ______ ______ 姓 名 ____xxx___ 指 导 教 师 _____________ 成 绩 _____________________

2013年 11 月 25 日 1

碳纤维的改性技术与应用领域 xxxx 摘要：本论文是对于碳纤维进行的探讨，碳纤维现在常用的改性技术以及对于未来技术发展的展望。现在碳纤维主要应用于航空航天、工业应用、体育休闲等方面，而我国碳纤维在航空航天等高科技领域的应用还不如其他发达国家，所以为缩小与其他国家的差距，我国得加强对碳纤维改性技术的研发。 关键字：碳纤维；改性；应用；前景

The modification and application of carbon fiber xxxx Abstract: In this paper was conducted for the carbon fiber, carbon fiber is now commonly used modification technology and the outlook for future technology development. Now carbon fiber is mainly used in aerospace, industrial application, sports leisure, etc., and the application of carbon fiber in our country in the field of aerospace and other high-tech than other developed countries, so to narrow the gap with other countries, our country must strengthen the research and development of carbon fiber modification technology. Key word: Carbon fiber; The modification; Application; prospects

1 碳纤维简介 碳纤维是由无机纤维经一系列热处理方法转化而成的含碳量在百分之九十以上的高性能材料。碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、导电和导热等性能，是一种兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征的化工新材料，是新一代的增强纤维。它的密度不到钢的1/4，但抗拉强度却是钢的7～9倍，抗拉弹性也高于钢；与传统的玻璃纤维（GF）相比，杨氏模量（指表征在弹 2

性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量）是其3倍多；与凯芙拉纤维（K-49）相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。正是由于兼具优异性能，碳纤维在国防和民用领域均有广泛的应用前景。 2 碳纤维的改性技术和发展 碳纤维(ＣＦ)的表面改性主要是通过各种手段提高碳纤维的表面活性，改善其与树脂基体间的界面结合性能，从而达到提高复合材料相应性能的目的。 2.1 表面处理技术 现今国内外针对碳纤维改性的研究十分活跃，各种改性方法的主要目标有以下几点：1对ＣＦ表面造成刻蚀，形成微孔或刻蚀沟槽；2在ＣＦ表面引入极性基团或活性反应官能团；3形成与基体树脂间粘附力强的中间层；4从类石墨结构改性为碳状结构以增加表面能。 目前所采用的改性方法主要有氧化改性法和非氧化改性法，其中氧化改性法又包括气相氧化处理、液相氧化处理及氧化性等离子氧化，液相氧化处理中又包括电化学氧化和化学氧化；非氧化改性法包括晶须生长、表面涂敷、非氧化性等离子刻蚀及化学接枝。 2.1.1 电化学氧化 电化学改性处理方法又称为阳极电解氧化法，是利用碳纤维的导电性能，以碳纤维作为阳极，石墨、铜板或镍板等作为阴极，在直流电场的作用下，以不同的酸碱盐的溶液作为电解液，对碳纤维进行表面改性的方法。由于电化学氧化法拥有可连续生产、操作简单、易于控制且处理条件相对温和等优点，在工业上得到了广泛应用，是目前工厂生产中普遍应用的改性手段。 2.1.2 等离子体处理法 等离子体处理是指应用等离子体发生器产生的高能等离子体轰击碳纤维从而达到表面改性目的的改性方法。等离子体处理包括低温处理和高温处理两种，目前在纤维的表面改性中主要应用的是冷等离子体。 2.1.3 气液双效法 气液双效法是指先用液相涂层再用气相氧化，从而使ＣＦ自身的抗拉伸强度和复合材料的层间剪切强度都得到提高。研究发现，气液双效处理后ＣＦ的表面 3

含氧官能团增加，复合材料的剪切强度高达１００ＭＰａ，未处理的剪切强度仅为７０ＭＰａ。

2.1.4 偶联剂涂层 偶联剂是一类具有两不同性质官能团的物质，其分子结构的最大特点是分子中含有化学性质不同的两种基团，一种是亲有机物的基团，能与合成树脂或其它聚合物发生化学反应或生成氢键溶于其中；另一种是亲无机物的基团，易与无机物表面起化学反应。通过对偶联剂处理前后ＣＦ增强复合材料力学性能的研究发现，偶联剂处理后ＣＦ／ＰＡＡ复合材料的层间剪切强度提高到（２８±１．８）ＭＰａ，比未处理的增大了约７０％。在对碳纤维偶联剂处理前先用硝酸对纤维进行氧化处理，实验结果表明，先用硝酸氧化再用偶联剂处理的ＣＦ所增强的复合材料性能明显强于直接用偶联剂处理的。 2.1.5 表面电聚合 表面电聚合技术是近年发展起来的一项新的碳纤维表面处理技术，是在电场的引发作用下使物质单体在纤维表面进行聚合形成聚合物涂层，从而改善纤维表面性能，增强纤维与基体间的连接强度。研究发现，水相条件下，在ＣＦ表面通过电化学聚合吡咯后碳纤维的表面自由能提高了４０％，从而使ＣＦ在基体树脂（如环氧、尼龙）中的润湿性能大大改善。苯酚电解液对于提高酚醛树脂基复合材料的界面性能效果显著，而丙烯酸电解液对于提高环氧基复合材料的界面性能效果显著。 2.1.6 溶胶－凝胶法 溶胶－凝胶法是指先将碳纤维在涂层的溶胶中浸渍，然后在惰性气氛下高温焙烧使碳纤维表面获得涂层的处理方法。 2.1.7 化学接枝改性 化学接枝法是通过化学方法在纤维表面引入具有反应活性的活性点，然后再引发单体等在纤维表面聚合的改性方法。通常采用的聚合方式包括自由基聚合、阴离子聚合、等离子体引发聚合以及辐射引发聚合等。有时为了提高接枝效果，在进行化学接枝聚合前先在ＣＦ表面引入一定量的活性基团，如羟基（－ＯＨ）、羧基（－ＣＯＯＨ）等。 2.1.8 电子束（ＥＢ）改性 4

电子束改性是高能密度的改性方法，利用空间定向高速运动的电子束撞击纤维表面，从而引起纤维表面性能的改变。

2.2 碳纤维改性技术的发展 近日，国家工信部传达了关于印发《加快推进碳纤维行业发展行动计划》（以下简称《计划》的通知。 为实现发展目标，按照《计划》的部署，行业将重点组织实施四大行动，即关键技术创新行动、产业化推进行动、产业转型升级行动、下游应用拓展行动。其中，关键技术创新行动受人瞩目。《计划》提出要突破关键共性技术、加强研发服务平台建设与实施知识产权战略。 “干喷湿纺 GQ45 高性能碳纤维工程化关键技术及设备研发”项目就是由中复神鹰碳纤维有限责任公司、连云港鹰游纺机有限责任公司、中国复合材料集团有限公司以及江苏奥神集团有限责任公司联合研发成功的，这成为系统研究碳纤维及其复合材料全产业链的关键技术的典范。 由于高性能纤维产业链具有功能和结构一体化制造的特点，需要协同创新平台，这使得组建产业联盟显得极为迫切。《计划》指出，将积极推动碳纤维及其复合材料产业联盟建设，形成骨干企业与下游用户、科研院所联合开发、专利共享、示范应用、以及技术交流合作的平台。在这方面，日本碳纤维产业联盟的运行模式对于中国碳纤维产业具有借鉴意义。 3 碳纤维改性产品和应用领域 无论是国内外，碳纤维都被广泛的应用到。除了航空航天、国防军事和体育休闲用品外，待开发的有压力容器、医疗器械、海洋开发、新能源等新领域，如汽车构件、风力发电叶片、建筑加固材料、增强塑料、钻井平台等碳纤维新市场正在兴起。 3.1 航空航天 碳纤维复合材料以其独特、 卓越的理化性能，广泛应用在火箭、 导弹和高速飞行器等航空航天业 "例如采用碳纤维复合材料制造的飞机、卫星、火箭等宇宙飞行器，不但推力大、噪音小，而且由于其质量小，所以动力消耗少，可节约大量燃料。据报道，航天飞行器的质量每减少1kg，就可使运载火箭减轻50 kg。 3.2 汽车构件 由于目前碳纤维的价格偏高, 汽车只能说是"未来潜在的大市场"，但随着钢 5

价持续上扬将可缩小两者间的差距而。采用碳纤维材质将可改善车辆的燃料效能，并使二氧化碳排放减少30%。今后随着大丝束碳纤维价格的进一步下降及回收技术的确立，将应用于汽车的许多部件和结构材料。目前碳纤维复合材料传动轴、刹车片、尾翼和引擎盖已经在汽车行业广泛应用，虽然现在主要是用在豪华车型，但预计未来将在大众车型中推广。 3.3 风力发电叶片 风能发电成本低廉，己成为人类开发新能源的重要领域。预计未来5年，风能发电的市场需求都在增长。风电应用将推动大丝束(24k)碳纤维产量的增长"全球对清洁能源的需求还将促进终端产品制造商的持续投资。近年来，虽然风力发电产业发展很快，但风力发电装备的关键部件(叶片)都使用玻璃纤维复合材料制造，难于满足叶片尺寸加大对刚性的要求。碳纤维复合材料在叶片上的应用，无疑将促进风能发电产业的发展。 3.4 体育用品 三菱丽阳全资子公司格拉非尔 (Grafi l)的碳纤维市场营销总监表示，在30 年中，此公司掌握了很多加工过程的外延知识，而这些也正是生产高品质、高性能材料所必须的。 3.5 建筑补强材料 土木建筑领域，碳纤维在抗震修补和增强措施中使用，其主要应用是工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等结构体之加固补强，以及结构中梁、板、柱、墙等构件之加固补强。碳纤维密度小，强度高，耐久性好，抗腐蚀能力强，可耐酸、碱等化学品腐蚀，柔韧性佳，应变能力强，是桥梁加固和建筑物抗震补强的理想材料。近年来在发生日本阪神、淡路和台湾地区大地震后，海外的需求量大增，日本的碳纤维耐震补强材料和技术已向海外扩展。此外，用碳纤维管制的析梁构架屋顶，比钢制品轻50%，使大型结构物达到了实用化的水平，而且施工效率和耐震性能得到了大幅度提高。由于我国拥有世界上最大的土木建筑市场，碳纤维作为加固建筑结构材料的应用将面临良好的市场机遇。 4 碳纤维的发展前景 目前，碳纤维主要应用于航空航天、工业应用、体育休闲等方面。而我国碳纤维在航空航天、工业应用方面的应用比例远远小于发达国家。因此，突出重点