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碳纤维材料及应用摘要本文简要介绍了碳纤维材料的生产工艺以及碳纤维的性能,从____与军事领域、体育运动领域、一般工业制造业领域以及土木工程建筑及新能源__领域总结了碳纤维材料的应用状况,并在此基础上对于我国的碳纤维应用前景进行了展望关键词碳纤维生产工艺分类性能应用发展对策碳纤维是一种新型非金属材料它一般不单独使用,多作为增强材料加入到树脂,金属,陶瓷,混凝土等材料中构成复合材料碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、传热和热膨胀系数小等优异性能既可作为结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用因此,近年来碳纤维的应用的发展十分迅速,在____、汽车、能源、建筑、运动器材等众多领域得到了广泛的应用1碳纤维的生产工艺碳纤维是纤维状的碳素材料,含碳量在90%以上目前人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维,只能采用一些含碳的有机纤维做原料将有机纤维跟塑料树脂结合在一起,放在稀有气体的气氛中,在一定压强下强热炭化而成到目前为止,制成碳纤维的主要原材料有三种
①人造丝粘胶纤维;
②聚丙烯腈PAN纤维,它不同于腈纶毛线;
③沥青,它或者是通过熔融拉丝成各向同性的纤维,或者是从液晶中间相拉丝而成的,这种纤维是具有高模量的各向异性纤维其中用的较多的是PAN和沥青无论用何种原丝纤维来制造碳纤维,都要经过五个阶段㈠拉丝湿法、干法或者熔融状态三种方法㈡牵伸在室温以上,通常是100-300℃范围内进行㈢稳定通过400℃的加热氧化的方法这种400℃的氧化阶段显著地降低所有的热失重,并保证高度石墨化和取得更好的性能㈣碳化在1000-2000℃范围内进行㈤石墨化在2000-3000℃范围内进行2碳纤维的分类按状态分为
①丝束;
②布料(由碳纤维制成的织物);
③预浸料坯(将碳纤维按照一个方向一致排列,并将碳纤维或布料用树脂浸泡使其转化成片状);
④切短纤维(短丝)按力学性能分为通用型和高性能型通用型碳纤维强度为1000兆帕(MPa模量为100GPa左右);高性能型碳纤维又分为__型(强度2000MPa、模量250GPa);高模型(模量300GPa以上)强度大于4000MPa的又称为超__型模量,大于450GPa的称为超高模型3碳纤维的性能
①轻质__,其比重为铁的四分之一,比强度为铁的10倍,尤其是高弹模量碳纤维,其抗拉强度比钢材大68倍,弹性模量比钢材大1.8~2.6倍
②化学性能非常稳定,耐高温和低温以及耐腐蚀性高,在600℃高温下其性能保持不变,在-180℃低温下仍很柔韧,不与恶劣环境下酸、碱、盐发生腐蚀性反应
③可__性能好例如,由于碳纤维布质轻又可折可弯,可适应不同构件形状,成型很方便,可根据受力需要粘贴若干层,而且施工时不需要大型设备,也不需要采用临时固定,对原结构无新的损伤此外,碳纤维的其他特性还包括__度的X射线穿透性、较高的抗热、导电性及抗磨蚀性能等4碳纤维的应用
4.1____领域由于碳纤维性能优越,其复合材料具有高比强度、设计性好、结构尺寸稳定、抗疲劳断裂性好和可大__整体成型,以及特殊的电磁性能和吸波隐身的特点,鉴于其在工业化生产初期,成本非常高,因此主要应用于少量的高科技的____及军事领域,如用于生产军用、民用飞机以及战略导弹和运载火箭等在__领域,碳纤维用于包括水平和垂直机尾,地板梁等材料,它们被称作基础结构材料,除了基础结构材料外,碳纤维还用于副翼、螺旋浆、升降梯、引擎和其他部件碳纤维也大量用于__器的制造材料,如在人造卫星中它们被用作构件、太阳能板、天线和其它部件等 2010年1月,采用碳纤维和钛材料制造的波音787梦幻客机试飞成功波音787机身80%由合成材料制造,其中碳纤维增强材料达到35吨,因此可大大减轻飞机重量这种客机油耗少,减少碳排放效果显著,维护方便,能够给__公司节省燃料和维护费用,一经试飞就引起世界各国的__但由于__性地使用碳纤维材料,如何与其它材料结合这个问题仍具有很大的风险性,也就是说,波音的新型787梦幻客机在空中飞行时将面临新的挑战图
4.1波音787的选材
4.2一般制造业领域在一般工业制造领域中,碳纤维材料现已成为汽车制造商青睐的材料,在汽车内外装饰中开始大量采用据悉,福特和保时捷生产的GT型赛车发动机机罩已全部采用碳纤维材料;奔驰的57S型轿车原来内装饰全部是木质材料,现在则以碳纤维替代;通用的雪佛莱轿车底盘的内装饰材料也采用碳纤维;宝马公司将M6型轿车的顶篷全部采用碳纤维,并进行技术处理,使其保持金属材料的光泽在工业领域,碳纤维还可应用于机器部件、家用电器、微机、及与半导体相关设备,用来起到提__度、防静电和电磁波防护的作用另外,在X射线仪中,碳纤维的应用可以减少人体在X射线下的暴露随着环保要求的提高,碳纤维开始被广泛应用于汽车尾部沸腾器、发动机、传动轴和燃料箱材料
4.3体育运动领域碳纤维在运动领域的三个主要用途是用于高尔夫球棒、钓鱼杆和网球拍框架的材料目前,据估计每年的高尔夫球棒的产量为3400万副,按照国家和地区分类,美国和__是高尔夫球棒的主要消费地,占80%以上全世界碳纤维钓鱼竿的产量约为每年2000万副,网球拍框架的市场容量约为每年600万副体育休闲用品是应用碳纤维复合材料的一个极重要领域,2003年和2004年世界碳纤维总消耗量分别为19210t和20680t,而用于体育休闲用品的碳纤维都超过5000t,占世界碳纤维总消耗量的25%左右而碳纤维复合材料高尔夫球杆简称碳纤维高尔夫球杆又是体育休闲用品中应用碳纤维复合材料最主要的产品,占应用于体育休闲用品碳纤维总量的50%左右,世界碳纤维总消耗量中约有
12.5%左右用于生产制造高尔夫球杆在全球汽车界将混合动力车型作为未来汽车发展的一个方向的同时,自行车也将向混合动力领域发展了,下面就是__汽车制造商雷克萨斯推出的一款混合动力版自行车,这款自行车融合了雷克萨斯先进的科技以及尖端的术 除了普通的脚蹬踏板来驱动自行车的行驶外,雷克萨斯混合动力自行车还在前车轮上配置了一个功率达240瓦的电动马达,所需能量是由
25.9伏的锂离子电池来提供的此外其还配置了动能回收装置用来对电池能量的补充图
4.3雷克萨斯混合动力自行车
4.4土木建筑领域20世纪80年代末_____在发达国家兴起了一种以碳纤维布加固修复钢筋混凝土的结构补强加固技术我国从20世纪90年代也开始研究和应用,现在已经取得一定的研究成果碳纤维加固包括碳纤维布加固和碳纤维板加固两种碳纤维补强的工艺原理是将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸成为复合增强材料(单向连续纤维)用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构上,形成一个新的复合体,使增强粘贴材料与原有钢筋混凝__同受力增大结构的抗裂或抗剪能力,提高结构的强度、刚度、抗裂性和延伸性碳纤维与传统的加大混凝土截面或粘钢混凝土补强相比,具有节省空间,施工简便,不需要现场固定设施,施工质量易保证,基本不增加结构尺寸及自重,耐腐蚀、耐久性能好等特点另外,采用该工法,可大大提高建筑物的使用寿命,降低加固成本因此,碳素纤维作为划时代的补强材料,而备受青睐和__阻碍碳纤维在建筑物补强中应用的主要因素是成本问题随着碳纤维产能的不断扩大,成本逐渐降低,加之碳纤维施工技术的不断完善,相信建筑补强用碳纤维材料将出现快速的增长
4.5能源__领域随着人类环保意识提高,大型风力发电产业正在迅速兴起叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件在发电机功率确定的条件下,叶片的材料越轻、强度和刚度越高,叶片抵御载荷的能力就越强,叶片就可以做得越大,它的捕风能力也就越强因此,轻质__、耐久性好的玻璃纤维和碳纤维混杂复合材料结构成为目前大型风力发电机叶片的首选尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位应使用碳纤维作为增强材料,不仅可提高叶片承载能力,也可因碳纤维具有导电性而有效避免雷击对叶片造成的损伤5碳纤维的发展对策碳纤维属高新技术,高附加值产品,具有其他材料不可比拟的优异性能,具有广泛的用途和良好的发展前景,随着我国经济的持续快速发展,碳纤维的市场需求与日俱增,发展我国的碳纤维工业具有重大的现实意义和深远的历史意义,因此,针对当前现状必须加快我国碳纤维发展进程
①尽快掌握核心技术我国自20世纪60年代开始碳纤维研究,但至今仍发展缓慢同时由于发达国家对我国的技术封锁,至今没能实现大规模工业化生产,尤其制约了____及国防军工事业的发展,发展我国碳纤维首先要解决工程化问题首先必须解决原丝质量问题,同时还需加强预氧化,炭化,石墨化设备及表面处理的研究__
②降低生产成本降低成本的主要措施有降低碳纤维用原丝成本以及新型节能技术及装备的采用
③加强应用研究和市场__重点着力于复合材料的修补技术,回收利用技术等____
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