1、碳纖維復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料的制備及其應(yīng)用的制備及其應(yīng)用國家碳纖維工程技術(shù)研究中心碳纖維及功能高分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碳纖維及復(fù)合材料研究所趙東林 教授 博士生導(dǎo)師電話：64434914E-mail: 目目 錄錄 三、碳纖維復(fù)合材料及其應(yīng)用三、碳纖維復(fù)合材料及其應(yīng)用 二、碳纖維分類及其制備方法二、碳纖維分類及其制備方法 一、國家工程中心概況一、國家工程中心概況一、國家碳纖維工程技術(shù)研究中心一、國家碳纖維工程技術(shù)研究中心北京化工大學(xué)北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院理學(xué)院文法學(xué)院職業(yè)技術(shù)學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院學(xué) 院 設(shè) 置生命科學(xué)與技術(shù)

2、學(xué)院化 工 資 源 有 效 利 用 國 家 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室國 家 碳 纖 維 工 程 技 術(shù) 研 究 中 心可 控 化 學(xué) 反 應(yīng) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 教 育 部 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室教 育 部 納 米 材 料 先 進(jìn) 制 備 技 術(shù) 與 應(yīng) 用 科 學(xué) 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室北 京 市 生 物 加 工 過 程 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室北 京 市 新 型 高 分 子 材 料 制 備 與 加 工 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室教 育 部 超 重 力 工 程 技 術(shù) 研 究 中 心化 工 行 業(yè) 系 統(tǒng) 仿 真 工 程 技 術(shù) 中 心化 工 行 業(yè) 膜 工 程 技 術(shù) 研 究 中 心化 工 安 全 教 育 部

3、 工 程 研 究 中 心北北 京京 化化 工工 大大 學(xué)學(xué)國國 家家 級級 、 省省 部部 級級 科科 研研 機(jī)機(jī) 構(gòu)構(gòu)化化學(xué)學(xué)工工 程程與與 技技 術(shù)術(shù) 研研 究究 所所高高分分子子 材材 料料 研研 究究 所所材材料料保保 護(hù)護(hù) 研研 究究 所所碳碳纖纖維維 及及復(fù)復(fù) 合合 材材 料料 研研 究究 所所塑塑料料機(jī)機(jī) 械械 與與塑塑 料料 工工 程程 研研 究究 所所自自動(dòng)動(dòng)化化 研研 究究 所所計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī) 應(yīng)應(yīng) 用用 研研 究究 所所近近代代化化 學(xué)學(xué) 研研 究究 所所橡橡塑塑機(jī)機(jī) 械械 研研 究究 所所植植物物化化 學(xué)學(xué) 物物 理理 研研 究究 所所計(jì)計(jì)算算化化 學(xué)學(xué) 研研 究究 所所

4、工工業(yè)業(yè)化化 學(xué)學(xué) 研研 究究 所所金金融融工工 程程 研研 究究 所所科科學(xué)學(xué)技技 術(shù)術(shù)與與 社社 會(huì)會(huì) 研研 究究 所所法法學(xué)學(xué)與與 知知識識 產(chǎn)產(chǎn) 權(quán)權(quán) 研研 究究 所所高高等等教教 育育 研研 究究 所所功功能能材材 料料 研研 究究 所所化化工工設(shè)設(shè) 備備 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 研研 究究 所所測測控控技技 術(shù)術(shù) 研研 究究 所所催催化化科科 學(xué)學(xué) 研研 究究 所所電電化化學(xué)學(xué) 研研 究究 所所現(xiàn)現(xiàn)代代藥藥 物物 研研 究究 所所政政治治與與 行行 政政 學(xué)學(xué) 研研 究究 所所北北 京京 化化 工工 大大 學(xué)學(xué)校校 級級 研研 究究 所所八系：八系： 聚合物科學(xué)系聚合物科學(xué)系 聚合物工程系聚合

5、物工程系 生物材料系生物材料系 有機(jī)功能材料系有機(jī)功能材料系 復(fù)合材料系復(fù)合材料系 無機(jī)功能材料系無機(jī)功能材料系 金屬表面工程系金屬表面工程系 現(xiàn)代大分子工程系現(xiàn)代大分子工程系一所：一所： 碳纖維及復(fù)合材料研究所碳纖維及復(fù)合材料研究所一中心：一中心： 材料分析與評價(jià)中心材料分析與評價(jià)中心材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 機(jī)構(gòu)設(shè)置機(jī)構(gòu)設(shè)置“化工資源有效利用化工資源有效利用”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“新型高分子材料制備與加工新型高分子材料制備與加工”北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碳 纖 維 研 究 所高強(qiáng)碳纖維研究室高模量碳纖維研究室碳纖維工程與技術(shù)研究室碳納米及功能材料研究室先進(jìn)碳材料

6、研究室l納米碳纖維及碳納米管的制備及應(yīng)用開發(fā)l新型功能碳材料的開發(fā)，如：導(dǎo)電發(fā)熱用碳纖維復(fù)合紙，碳纖維遠(yuǎn)紅外保健品，具生物活性的碳纖維及微生物膜 l納米碳及復(fù)合材料研究與開發(fā)l功能陶瓷和納米氧化物粉體材料的研究l煤焦化重油、石油渣油的綜合加工利用材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 科研領(lǐng)域科研領(lǐng)域碳材料碳材料二、碳纖維分類及其制備方法二、碳纖維分類及其制備方法l是主要以煤、石油或它們的加工產(chǎn)物等有機(jī)物質(zhì)有機(jī)物質(zhì)作為主要原料經(jīng)過一系列加工處理過程得到的一種非金屬材料非金屬材料，其主要成分是碳。l廣義上看：金剛石、石墨、咔賓都屬于炭材料，這是一個(gè)廣義的定義，但由于金剛石和咔賓在自然界存在非常少，

7、結(jié)構(gòu)也單一，不象石墨那樣具有眾多的過渡態(tài)中間結(jié)構(gòu)（如焦炭、CF、煤炭、炭黑、木炭等）。l狹義上看：炭材料一般是指類石墨材料，即以SP2雜化軌道為主構(gòu)成的炭材料，從無定形炭到石墨晶體的所有中間結(jié)構(gòu)物質(zhì)（過渡態(tài)碳），它是由有機(jī)化合物炭化制得的人造炭。1、碳材料定義l2、新型炭材料、新型炭材料l根據(jù)使用的目的，通過原料和工藝的改變，控制所得材料的功能，開發(fā)出新用途的炭及其復(fù)合材料。大谷杉郎認(rèn)為：新型炭材料可大致分為三類，l一是強(qiáng)度在100MPa以上，模量在10GPa以上使用時(shí)不必后加工的方法制得的新型炭成型物；l二是以炭為主要構(gòu)成要素，與樹脂、陶瓷、金屬等組成的各種復(fù)合材料；l三是基本上利用炭結(jié)構(gòu)的

8、特征，由炭或炭化物形成的各種功能材料。l3、“炭”與“碳”的區(qū)別l Carbon as elementl Carbon as material“碳碳”與與“炭炭”的區(qū)別的區(qū)別 “降低煤炭消耗，提倡低碳生活”，同樣都是“tan”為什么一個(gè)用“碳”另一個(gè)用“炭”兩者有什么區(qū)別呢？為什么有時(shí)有“炭材料”，有時(shí)又有“碳材料”見諸報(bào)章雜志？對于從事“炭材料”的專業(yè)人員來說，這些已不是問題，但一些普通讀者卻常感到困惑，有時(shí)一頭霧水，因此研炭翁在說“碳”之前先給大家一個(gè)交代。 其實(shí)，“炭”“碳”區(qū)分早在上世紀(jì)80年代，我國煤炭科學(xué)界老前輩黃啟震就經(jīng)過仔細(xì)考證，追本溯源，對炭與碳的起源，用法以及當(dāng)時(shí)存在的兩者

9、混用的原因做了詳盡地論述，提出了正確區(qū)分使用的建議，（見“炭素技術(shù)”1986No.429）隨后國內(nèi)炭材料界的同仁大多數(shù)認(rèn)同了這一建議，特別是國內(nèi)重要學(xué)術(shù)刊物“新型炭材料”在上世紀(jì)末改版時(shí)更明確了這一點(diǎn)（”新型炭材料” 1998 No.3.63） “炭”是古已有的漢字，早見于后漢“說文解字中”，在“碳“字出現(xiàn)之前，不管是天然炭（煤炭）還是人造炭（木炭、煤炭）都用的是“炭”字?！疤肌弊謩t是在上世紀(jì)30年代，隨著近代自然科學(xué)發(fā)展，特別是化學(xué)元素的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展才在我國出現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)民國政府教育部在“化學(xué)命名原則”中，明確將元素周期表中原子序數(shù)第6號的“C”命名為非金屬類中的“碳”。“碳碳”與與“炭炭”的區(qū)

10、別的區(qū)別 英語“Carbon”和日語“炭素”一詞概指碳元素，又指炭材料。材料和元素屬兩種不同概念，用同一詞表示必然性常引起混亂?！皣H碳術(shù)語與表征委員會(huì)”曾建議將元素碳（Carbon as element）和材料類（Carbon as Solid）加以區(qū)分，并提出一些辦法，但仍不能解決問題。我國的漢字恰好有對應(yīng)的“炭”和“碳”兩字，因此我們應(yīng)很好地沿用這兩個(gè)漢字的文化優(yōu)勢。 基于上述原則“全國科學(xué)名詞審定委員會(huì)”早在2003年4月便提出了征求意見稿，將“炭”“碳”二字的用法予以明確區(qū)別。2006年“中國科技術(shù)語”（當(dāng)時(shí)為“科技術(shù)語研究”2006 No.3）進(jìn)一步規(guī)范了這兩字的用法。 簡而言之，

11、凡對應(yīng)元素C及其相關(guān)的衍生詞派生詞均用“碳”,如碳元素，碳鍵，二氧化碳，滲碳等，而以含碳元素為主的其他物質(zhì)和材料則用“炭”，如煤炭、焦炭、炭黑、炭纖維等。 “碳化”是指溶液中通過CO2生成碳及碳酸鹽的過程而“炭化”指有機(jī)物熱解后生成“炭”的過程； “炭材料”一般指有機(jī)物炭化后形成的材料，如炭纖維、炭電極、活性炭等；“碳材料”則指含碳元素在99.9%以上的物質(zhì)，如碳納米管、碳60等。 這樣也就不難理解本文第一句話中煤炭要用“炭”，而低碳生活是指倡導(dǎo)在日常生活中降低溫室氣體二氧化碳的排放量，當(dāng)然就要用“碳”字了。碳的起源碳的起源-“big bang”-“big bang”理論理論宇宙巨大的能量塊宇

12、宙巨大的能量塊150億年前發(fā)生大爆炸億年前發(fā)生大爆炸宇宙空間充滿高能的光宇宙空間充滿高能的光光轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，各種光轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，各種粒子開始形成粒子開始形成膨脹膨脹 溫度降低溫度降低粒子凝聚成氫粒子凝聚成氫溫度升高溫度升高Ne Na Mg O S Si PC 的存在的存在 溫度降低溫度降低溫度升高溫度升高l和金屬一樣具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性；l和陶瓷一樣耐熱、耐腐蝕；l和有機(jī)高分子一樣質(zhì)量輕，分子結(jié)構(gòu)多樣；l另外，還具有比模量、比強(qiáng)度高，震動(dòng)衰減率小，以及生體適應(yīng)性好，具滑動(dòng)性和減速中子等性能。這些都是三大固體材料金屬、陶瓷和高分子材料所不具備的。因此，炭及其復(fù)合材料被認(rèn)為是人類必須的第四類原材料。碳原

13、子在電子結(jié)構(gòu)上可形成碳原子在電子結(jié)構(gòu)上可形成SPSPn n雜化，能鍵合眾多原子和分雜化，能鍵合眾多原子和分子，在納米及微米尺度上以不同方式和取向進(jìn)行堆疊和聚集，子，在納米及微米尺度上以不同方式和取向進(jìn)行堆疊和聚集，形成粒子、孔狀、纖維狀、薄膜狀及塊體材料。各種類型炭形成粒子、孔狀、纖維狀、薄膜狀及塊體材料。各種類型炭物質(zhì)具有的性質(zhì)幾乎包括地球上所有的性質(zhì)，有的甚至是完物質(zhì)具有的性質(zhì)幾乎包括地球上所有的性質(zhì)，有的甚至是完全對立的性質(zhì)全對立的性質(zhì)最硬（金剛石）最硬（金剛石） 軟（石墨）軟（石墨）絕緣體絕緣體 （金剛石金剛石） 半導(dǎo)體（石墨）半導(dǎo)體（石墨） 良導(dǎo)體（熱解石墨）良導(dǎo)體（熱解石墨）絕熱體

14、（石墨層間）絕熱體（石墨層間） 良導(dǎo)熱體（良導(dǎo)熱體（金剛石、石墨層內(nèi)金剛石、石墨層內(nèi)） 全吸光（石墨）全吸光（石墨） 全透光（全透光（金剛石金剛石） 碳納米管有可能將碳元素的獨(dú)特性發(fā)揮到及至碳納米管有可能將碳元素的獨(dú)特性發(fā)揮到及至 炭材料的發(fā)展史炭材料的發(fā)展史l1、第一代（5千1萬年前） l2、第二代（十九世紀(jì)） 燒結(jié)型炭材料（人造石墨）l3、第三代（第二次世界大戰(zhàn)后）l4、二十世紀(jì)八十年代中葉以后第一代第一代 炭材料炭材料l天然物質(zhì)加熱，利用炭的化學(xué)性質(zhì)，作燃料和還原劑煉銅和煉鐵lCuO + C Cu + CO2lFe2O3 + C Fe + CO2第二代第二代 炭材料炭材料l 燒結(jié)炭材料l

15、 利用炭的物理性質(zhì)（導(dǎo)電、耐熱、耐腐蝕、耐摩擦等），用于炭磚、煉鋼、煉鋁等（電極、電刷、各種機(jī)械、化工用炭、原子反應(yīng)堆用炭等）第三代第三代 炭材料炭材料以炭纖維（CF）為代表的新型炭材料(結(jié)構(gòu)和功能材料)紛紛出現(xiàn)，是炭材料的大發(fā)展時(shí)期，也是炭科學(xué)形成的時(shí)期第四代第四代 炭材料炭材料l富勒烯l碳納米管l碳納米洋蔥（富勒洋蔥）l碳包覆納米金屬晶l碳?xì)饽zl多孔炭l石墨烯l.炭材料的發(fā)展史炭材料的發(fā)展史人類起源人類起源木炭為熱能的來源木炭為熱能的來源銅器時(shí)代銅器時(shí)代 炭還原銅炭還原銅十八世紀(jì)初十八世紀(jì)初 焦炭作還原劑。煉鋼工業(yè)焦炭作還原劑。煉鋼工業(yè)十九世紀(jì)中十九世紀(jì)中 電爐煉鋼炭電爐煉鋼炭 電極工業(yè)

16、化電極工業(yè)化18951895年年電極，電刷和電極糊電極，電刷和電極糊木木炭炭焦炭焦炭19071907年年活性炭用于環(huán)境活性炭用于環(huán)境2020世紀(jì)世紀(jì)40-5040-50年代年代高純高密石墨高純高密石墨2020世紀(jì)世紀(jì)50-6050-60年代年代熱解石墨和熱解炭熱解石墨和熱解炭2020世紀(jì)世紀(jì)60-7060-70年代年代C60碳納米管碳納米管.金剛石薄膜金剛石薄膜中間相炭微球中間相炭微球膨脹石墨膨脹石墨炭纖維復(fù)合材料炭纖維復(fù)合材料高性能炭纖維高性能炭纖維人類文明時(shí)代人類文明時(shí)代 煙炱做染料和墨汁煙炱做染料和墨汁石墨石墨2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代年代l1、碳纖維定義及其分類l1）描述以碳元素為主

17、組成的纖維，是一種以有機(jī)高分子為原料，而最終是以無機(jī)高分子纖維為成品的一種特殊材料。 l四類： l PAN-CF：PAN（纖維）為原料 l Pitch-CF：瀝青（纖維）為原料 l Rayon -CF：纖維素（纖維）為原料l 納米-CF：高碳烴類有機(jī)化合物為原料碳纖維按碳含量分按性能分按制備原材料分按模量分按強(qiáng)度分碳纖維（含C95%）石墨纖維（含C99%）中模量型(220300GPa)高模量型(300400GPa)超高模量型(400GPa)高強(qiáng)型(2.5GPa)PAN系瀝青系粘膠系碳纖維碳纖維 種類種類 密度密度 纖維直徑纖維直徑 強(qiáng)度強(qiáng)度 模量模量 比強(qiáng)度比強(qiáng)度 比模量比模量通用碳纖維 1.

18、60 10 1.00 40 6.4 2.6PAN-高強(qiáng) 1.80 7.0 4.41 250 25.0 14.2PAN-高模 1.81 6.5 2.77 390 15.6 22.0PAN-超高強(qiáng) 1.82 5.0 7.06 295 39.5 16.5瀝青-超高模 2.10 10 3.50 800 17.0 38.9 炭纖維近十年來應(yīng)用的發(fā)展概況炭纖維近十年來應(yīng)用的發(fā)展概況 項(xiàng)目項(xiàng)目T300T300T700T700T800HT800HT1000T1000超超T1000T1000拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度3.533.53G Gpapa4.94.9G Gpapa5.495.49G Gpapa7 7G Gpapa

19、9.259.25G Gpapa拉伸模量拉伸模量230230G Gpapa220-240220-240G Gpapa294G294Gpapa290G290Gpapa300G300Gpapa斷裂伸長率斷裂伸長率1.5%1.5%2.1%2.1%1.9 %1.9 %2.3%2.3%3%3%體密度體密度1.76g/cm1.76g/cm3 31.80g/cm1.80g/cm3 31.81g/cm1.81g/cm3 31.81g/cm1.81g/cm3 31.82g/cm1.82g/cm3 3線密度線密度66g/km66g/km（1k1k） 66g/km66g/km（1k1k）碳含量碳含量93%93%93%

20、93%93%93%93%93%93%93%纖度纖度8m8m7.3m7.3m5.3m5.3m4.5m4.5m3.2m3.2m碳絲表面溝碳絲表面溝槽信息槽信息嚴(yán)重嚴(yán)重幾乎光滑幾乎光滑較重較重幾乎光滑幾乎光滑幾乎光滑幾乎光滑PANPAN原絲平原絲平均孔度均孔度202030nm30nm5nm5nm 10nm10nm 既要重視拉伸強(qiáng)度，也要重視斷裂伸長率既要重視拉伸強(qiáng)度，也要重視斷裂伸長率日本東麗公司日本東麗公司CFCF指標(biāo)的考察指標(biāo)的考察2.2 2.2 從表上特別關(guān)注的若干問題從表上特別關(guān)注的若干問題 2.2.12.2.1不同強(qiáng)度碳纖維表面溝槽形態(tài)及紡絲法之間有關(guān)系不同強(qiáng)度碳纖維表面溝槽形態(tài)及紡絲法之

21、間有關(guān)系T300（典型濕法）（典型濕法）T700（據(jù)信息屬干濕法）（據(jù)信息屬干濕法）T800H（據(jù)信息屬接近濕法）（據(jù)信息屬接近濕法）T1000（據(jù)信息屬干濕法）（據(jù)信息屬干濕法）l 2）特點(diǎn) l 高強(qiáng)度、高模量 l 質(zhì)輕l 耐高溫 l 耐化學(xué)腐蝕 l 導(dǎo)電、導(dǎo)熱 l 可編織、可纏繞等l 性脆、 色黑l碳纖維及其復(fù)合材料是軍民兩用的高新材料：碳纖維及其復(fù)合材料是軍民兩用的高新材料：l性能：性能：l 密度小、強(qiáng)度大、剛度好、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、抗輻射、抗疲勞、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、耐燒蝕、熱膨脹小、生理相容性好l應(yīng)用：應(yīng)用：l 宇航、航空、潛艇、原子能、運(yùn)動(dòng)器材、密封材料、剎車材料、音響材料及高檔民品

22、等先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)體l和國外對比：和國外對比：l 國外已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用l 我國正處于研制、生產(chǎn)和應(yīng)用階段l 3）發(fā)展概況 l1880年 愛迪生 棉、亞麻 l1950年 美國空軍 提出研究計(jì)劃l1959年 美國聯(lián)合炭化物公司，人造絲為原料 l1962年 日本大阪技術(shù)研究所 進(jìn)騰昭男 PAN為原料l1963年 日本大谷杉郎 瀝青為原料 l1964年 英國皇家研究所 高強(qiáng)度、高模量碳纖維 l1970年 日本東麗公司 美國聯(lián)合碳化物公司 l 八十年代初 強(qiáng)度3.5GPa左右的PAN碳纖維 l八十年代中期 強(qiáng)度5.5GPa的PAN碳纖維 l八十年代末期 強(qiáng)度7.06GPa的P

23、AN碳纖維l 九十年代初世界冷戰(zhàn)結(jié)束l 碳纖維軍工需求下降l 軍民用應(yīng)用技術(shù)開發(fā)l碳纖維強(qiáng)度的潛力l 7GPa的碳纖維= 2倍同樣直徑鋼絲強(qiáng)度l 8倍同樣重量鋼絲的強(qiáng)度 l 性能的發(fā)展空間 l 按石墨單晶作為理想的碳結(jié)構(gòu)材料 l 理論強(qiáng)度=180GPal 理論模量=1000GPa l PAN-UHTCF：強(qiáng)度=5%（理論強(qiáng)度） l PAN-HMCF： 模量=70%（理論模量） 表1-1 世界主要廠家的PAN基炭纖維生產(chǎn)能力（小絲束）碳纖維的產(chǎn)量及應(yīng)用碳纖維的產(chǎn)量及應(yīng)用CF類型生產(chǎn)廠家炭 纖 維 生 產(chǎn) 能 力(t/a)2008年2009年2010年2011年2012年2013年2014年小絲束

24、(1、3、6、12K)東麗集團(tuán)17660179001890018900189001890018900東邦集團(tuán)11800135001350013500135001350013500三菱人造絲集團(tuán)760076001030010300103001030010300臺灣塑膠5000600070008000800080008000Hexcel3900515070007000700070007000蘇泰克1950200030004000400040004000其它1000160026003600450050005000小計(jì)49150537506230065300662006670066700表1-2 世界

25、主要廠家的PAN基炭纖維生產(chǎn)能力（大絲束）CF類型生產(chǎn)廠家炭 纖 維 生 產(chǎn) 能 力(t/a)1997年1998年1999年2000年大絲束（24、48、360K）ZOLTEK360086001460018500AKZO-FORTAFIL2100210035003500SGL2400270027002700ALDILA040010001000小計(jì)8100138002180025700表2 世界主要瀝青基炭纖維生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)能力(單位：t/a)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)基地商品名2008年2009年2010年2012年原料瀝青類型產(chǎn)品種類吳羽化學(xué)（日）福島縣Kureca1000110014501800石油系各

26、向同性短纖維 直線大阪瓦斯化學(xué)（日）大阪府Donacarbo300600600煤系各向同性短纖維卷曲狀鞍山塞諾達(dá)碳纖維（中）鞍山市200300400石油系各向同性短纖維 直線三菱樹脂（日）香川縣Dialead50010001300煤系各向異性長絲 直線日本石墨纖維（日）兵庫縣Granoc60180180煤系各向異性長絲 直線 Cytec Engineered Materials（美）密執(zhí)安州Thornel230230400石油系各向異性長絲 直線合計(jì)229034104330 圖圖2 碳碳 纖纖 維維 在在 各各 領(lǐng)領(lǐng) 域域 的的 用用 量量 比比 例例 碳纖維的應(yīng)用幾乎涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門

27、；從體育器材、密封材料、吸附劑、催化劑、汽車部件、電磁干擾屏蔽罩、電池電極、骨骼、韌帶，直到建筑方面的暖房、波形瓦和炭纖維各種增強(qiáng)水泥件以及補(bǔ)強(qiáng)加固片材等，不一而足。炭纖維將越來越與各科技領(lǐng)域、生產(chǎn)部門乃至人們的生活息息相關(guān)。 以炭纖維為主體的新型復(fù)合材料開創(chuàng)了一個(gè)新的碳材料新世界，必將成為工業(yè)用第四代原材料。1987年4500噸1998年13000噸1990年6000噸2000年16000噸工業(yè)60航天航空22體育休閑18工業(yè)59體育休閑17航天航空23工業(yè)62體育休閑16航天航空22工業(yè)62體育休閑16航天航空222009年40700噸2010年45900噸2011年50500噸2012年

28、55100噸原原料料單單體體聚聚合合紡紡絲絲原原絲絲預(yù)預(yù)氧氧化化2 0 0 -300預(yù)預(yù)氧氧絲絲炭化炭化7 0 0 -18002 0 0 0 -3000石墨石墨化化表表面面處處理理上上漿漿炭纖炭纖維維石墨石墨纖維纖維成成品品加加工工堿性纖維素堿性纖維素 NaOHCS2纖維素磺酸鈉鹽纖維素磺酸鈉鹽 纖維素磺酸鈉溶于堿液纖維素磺酸鈉溶于堿液 粘膠液粘膠液粘膠基粘膠基人造絲人造絲氧化氧化、1000炭化炭化2800牽伸石墨化牽伸石墨化纖維素纖維素炭纖維炭纖維表表4 不同原料、不同品種高模、高強(qiáng)高模碳纖維的性能不同原料、不同品種高模、高強(qiáng)高模碳纖維的性能類型牌號拉伸模量GPa抗拉強(qiáng)度GPa斷裂伸長熱膨脹

29、系數(shù)（106/K）導(dǎo)熱率W/mK比電阻m密度g/cm3聚丙烯腈基美國GY-705171.860.36-1.101426.01.92GY-805271.860.32-日本M403922.740.6-1.28581.81M504902.450.5-8981.91M60J5883.920.7-0.97581.94中國BHM34003.200.8-1.83瀝青基美國P-100S7242.20.31-1.455202.52.15P-120S8272.20.27-1.456402.22.18K-800X8672.30.28-8001.2-1.5-K-11009333.00.32-10001.1-1.3-日

30、本HM-706892.940.43-1.42093.92.18XN-706903.330.49-1.420042.16K-1397352.750.37-2.14FT7007003.30.50-1.536052.16中國BH1*8983.20.36-BH2*5402.50.46-BMK*9733.20.33- * 小試中間相石墨單絲試樣(見863驗(yàn)收資料) * 500米連續(xù)中間相石墨化長絲 國內(nèi)現(xiàn)狀國內(nèi)現(xiàn)狀 國內(nèi)約有十幾家企業(yè)投入了數(shù)億元以上，實(shí)施碳纖維產(chǎn)業(yè)化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)市場需求量約為6000-7000t/a，2010年CF需求量約為8700t/a，而國內(nèi)的產(chǎn)能遠(yuǎn)大于需求，且性能僅達(dá)到T300

31、水平，產(chǎn)品毛絲率較多。為適應(yīng)民用需求，應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)品均勻穩(wěn)定化的改進(jìn)。另外我國碳纖維尚不能滿足高性能CF的急需，如高強(qiáng)型T700、T800，高強(qiáng)高模型如M55J等產(chǎn)品。 例如，空客A380和波音B787的結(jié)構(gòu)材料有50%是用CFRP。但所用CF是高強(qiáng)中模T800級CF，因?yàn)門800增強(qiáng)增韌改性環(huán)氧樹脂3900-2復(fù)合材料（P2302）的抗沖擊壓縮強(qiáng)度（CAI）和抗?jié)駸釅嚎s強(qiáng)度（CHW）高，可滿足起飛、飛行和降落時(shí)各種環(huán)境的要求。 復(fù)合材料破壞應(yīng)變能W與碳纖維的和E關(guān)系： W=2/(2E) W和2成正比，和E成反比；但E值小達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的撓度值，加大厚度又達(dá)不到減重目的，故CF的模量必須在210G

32、Pa以上。表5 3種CF的主要性能如下： W40沖擊后易破壞，故T300不可能用作飛機(jī)一次結(jié)構(gòu)件使用。 我國商用大飛機(jī)C919已正式啟動(dòng)，無疑需要T700、T800配套使用，不得已只好進(jìn)口，從長遠(yuǎn)眼光看，還需立足于國內(nèi)生產(chǎn)，必將促進(jìn)我國CF工業(yè)向多品種、高品質(zhì)方向發(fā)展。品種品種(GPa)E(GPa)W（MJ/m3）T8005.8329453T7004.9023552T3003.5323527l復(fù)合材料具有比強(qiáng)度大、比剛度高、抗疲勞性能好、各向異性、以及材料性能可設(shè)計(jì)的特點(diǎn),應(yīng)用于航空領(lǐng)域中,可以獲得顯著的減重效益,并改善結(jié)構(gòu)性能。 l目前,復(fù)合材料技術(shù)已成為影響飛機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一 ；特別是

33、先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用尤為值得注意 碳纖維復(fù)合材料當(dāng)前背景三、碳纖維復(fù)合材料及其應(yīng)用三、碳纖維復(fù)合材料及其應(yīng)用l復(fù)合材料的定義：復(fù)合材料的定義：l復(fù)合材料是一個(gè)在化學(xué)上或物理上完全不復(fù)合材料是一個(gè)在化學(xué)上或物理上完全不同的相分布于一個(gè)連續(xù)相中的材料。同的相分布于一個(gè)連續(xù)相中的材料。l這個(gè)連續(xù)相就被稱為基體（這個(gè)連續(xù)相就被稱為基體（Matrix），分），分開的相則稱之為增強(qiáng)相（開的相則稱之為增強(qiáng)相（Reinforce-ment）。）。復(fù)合材料分類復(fù)合材料分類l 按增強(qiáng)相的形狀：顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、纖維按增強(qiáng)相的形狀：顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)復(fù)合材料（長纖維或短纖維）、層狀復(fù)

34、長纖維或短纖維）、層狀復(fù)合材料和表面增強(qiáng)復(fù)合材料。合材料和表面增強(qiáng)復(fù)合材料。l 按復(fù)合效果和用途：力學(xué)型復(fù)合材料（結(jié)構(gòu)按復(fù)合效果和用途：力學(xué)型復(fù)合材料（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和功能型復(fù)合材料（功能材料）。復(fù)合材料）和功能型復(fù)合材料（功能材料）。一般是根據(jù)基體材料來分類：一般是根據(jù)基體材料來分類：l 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料l 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料l 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料 44221010106108比強(qiáng)度比模量先進(jìn)復(fù)合材料高鎳合金鋼木材 鋁合金 鋼鐵先進(jìn)復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料復(fù)合材料本身期望力學(xué)性能的低限：復(fù)合材料本身期望力學(xué)性能的低限： 一種典型的復(fù)合材料介紹 l 碳纖維復(fù)合材

35、料組成特點(diǎn) （1）組成類型-填充劑+基體材料（2）填充劑為碳纖維-短或長纖維l單向排列、多向排列 l 編織或非編織物 （3）基體聚合物、金屬、碳、陶瓷或混合物 三明治式外，一般為三維連續(xù)式 （1）碳纖維/樹脂基復(fù)合材料：l 彌補(bǔ)了高分子樹脂強(qiáng)度、鋼度等方面的缺陷， 可制成有廣泛用途的高性能材料 （2）碳纖維/金屬基復(fù)合材料： l碳纖維降低了金屬材料的熱膨脹系數(shù)， l 增加了材料的強(qiáng)度和模量，降低了密度，有可能促進(jìn)復(fù)合材料的導(dǎo)電性 （3）碳纖維/陶瓷基復(fù)合材料： l很佳的抗氧化性 l碳纖維改善陶瓷材料的脆性等弱點(diǎn) l拓展了陶瓷材料在高溫環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用面（4）碳纖維/碳基復(fù)合材料 l具有最高的比強(qiáng)

36、度、最高的比模量、最高的比熱導(dǎo)系數(shù) l熱膨脹系數(shù)幾乎為零l既具有碳物質(zhì)的全部特點(diǎn)，又具有更高強(qiáng)度、更致密、更好的抗熱沖擊性 l復(fù)合材料具有比強(qiáng)度大、比剛度高、抗疲勞性能好、各向異性、以及材料性能可設(shè)計(jì)的特點(diǎn),應(yīng)用于航空領(lǐng)域中,可以獲得顯著的減重效益,并改善結(jié)構(gòu)性能。 l目前,復(fù)合材料技術(shù)已成為影響飛機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一 ；特別是先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用尤為值得注意 碳纖維復(fù)合材料當(dāng)前背景軍機(jī)發(fā)展目標(biāo)高機(jī)動(dòng)性能高隱身性能超聲速巡航超視距空戰(zhàn)短距起降高比強(qiáng)可設(shè)計(jì)抗疲勞多功能耐腐蝕先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料輕量化高可靠長壽命高效能結(jié)構(gòu)/功能結(jié)構(gòu)要求飛機(jī)先進(jìn)性與碳纖維復(fù)合材料民機(jī)發(fā)展要求安全性抗疲勞可設(shè)計(jì)耐腐蝕高比強(qiáng)經(jīng)濟(jì)性舒適性環(huán)保性先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料輕量化高可靠長壽命高效能吸能強(qiáng)結(jié)構(gòu)要求高阻尼飛機(jī)先進(jìn)性與碳纖維復(fù)合材料F16 2%碳纖維復(fù)合材料用量成為軍機(jī)先進(jìn)性重要標(biāo)志F22 24%F/A18 12%F35 35%