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纤l是一U纤l状x料。它是一U强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀性强、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导?sh),h许多宝贵的电(sh)学、热学和力学性能的新型材料。碳U维主要被制成碳U维增强塑料q种复合材料来应用?nbsp;
每一根碳U维由数千条更微的纤l所l成Q直径大U?滋m?滋m。在原子层面的碳U维跟石墨很相近Q由一层层以六角型排列的碳原子构成。碳U维与石墨两者的差别在于层与层之间的q接。石墨是晶体l构Q它的层间连接松散,而碳U维不是晶体l构Q层间连接是不规则的Q这样可防止滑移Q增强物质强度?nbsp;
一般碳U维的密度ؓ1750kg/m3Q导热能力高但传?sh)能力低Q碳U维的比热容量亦比铜低。当加热的时候,纤l会变厚、变短。虽然碳U维的天焉色是黑色Q但U学家可以把它染成不同的颜色?nbsp;
我国纤l品市场现?nbsp;
我国纤l的生和用尚处于h阶段,Q国内碳U维生能力仅占世界高性能纤lM量的0.4Q左叻I国内用量?0Q以上靠q口。而PAN原丝质量一直是制约我国纤l工业规模化生的瓶颈。另外,纤l长期以来被视ؓ战略物资Q发辑֛家一直对外实行封锁。因?业内专家认ؓQ强化基研究是创C本,是发展国内碳U维工业的根本出路?nbsp;
我国早在上世U六七十q代开始了纤l的研究工作Q几乎与世界同步。经q?0多年的努力,已经研制出接q日本东丽公司T300水^的碳U维产品Q但产量和品质都q不能满_内需求,与国外差距甚q。与国际先进水^相比Q国产碳U维的突出问题是纤l强度低Q均匀性和E_性都较差Q发展水qx发达国家落后了近20q_30q_而且生规模,技术设备落后,生效益不理惟?nbsp;
目前全球纤l能约3.5万吨Q我国市场年需求量6500吨左叻I属于纤l消费大国,但我国碳U维2007q量仅200吨左叻I而且主要是低性能产品Q没有Ş成规模化产业Q绝大部分依赖进口,h非常昂贵Q比如标准型T300市场h每千克曾高达4000元~5000元。由于缺具有自ȝ识权的技术支撑,国内企业目前未掌握完整的碳U维核心关键技术。我国碳U维的质量、技术和生规模与国外差距很大,其中高性能纤l技术更是被日本及西方国家垄断和锁。因此碳U维要真正实现国产化需要一个O长的q程。由于市场短~,q年来国内出C“碳U维热”,众多U研院所和企业纷U启动了纤l研I或千吨U业化目。虽然当前国内市场对纤l品需求较大,但盲目发展低于ơ品cd在很大风险,其现有产品研发停滞不前Q不能开发出新型配套pd产品Q这些千吨目实施后,市场产能出现q剩势成为必然?nbsp;
从h(hun)D度分析,目前纤l国际市Z不应求,国内h居高不下Q而且在我国,纤l应用领域越来越q泛Q已从军用向民用领域快速渗透。从投资角度分析Q大量资本,特别是民营资本的高度xQ在很大E度上激zMq一产业Q极大地提高了碳U维产业的活跃程度,民营资本的进入ؓ加快纤l业化q程发挥了积极而重要的作用Q国内纤l的产业化研I不断深入。到目前为止Q我国已建立L对完整的十分U、百分甚至千分U碳U维产业研发的配套体pR?976q在中科院山西煤炭化学研I所建成我国重要条PAN基碳U维扩大试验生U,生能力?t/aQ?0世纪80q代开展了高强型碳U维的研IӞ?998q徏成一条新的中试生产线Q规模ؓ40t/a。中U院p煤化所、上合U所、北京化工大学、山东工业大学、东华大学、安徽大学、浙江大学、长春工业大学等U研机构及院校参与了纤l项目的研究与开发。目前,国内规模PAN基碳U维生企业和科研院所?0余家
国内企业不再照搬国外现成的技术,关键讑֤也在加快研发Q某些关键设备的研发已取得了H破性成果,而且原材料供应充뀂我国碳U维产业技术特点十分明显,技术多元化来受到重视。从2000q开始,我国已完全放弃了酸法原丝技术,采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法UZ技术。目前,国纤l百分产品能与日本东丽的T700相媲。可以说Q我国多q来纤l、学、研相结合研发的技术成果已不逊色于东丽的相应技术。在我国完整的碳U维研发链条下的纤l工E化研发出现了加速发展的势头。吉林、山东、江苏、山ѝ辽宁、安徽是我国传统的碳U维工程化研发的基地Q而近q来Q河北、上陕襉K步成ؓ新兴的碳U维工程化研发基圎ͼ有越来越多的企业加入到工E化研发与徏设中来。同Ӟ北京、广东、浙江、江苏也U极参与了碳U维的业化?nbsp;
我国纤l主要生产企?nbsp;
华皖纤l_国家已批准在安徽蚌埠建立500tQaPAN原丝?00tQa纤l生产线QL资过亿元。PAN原丝采用亚砜一步法Q技术由国外引进Q品以12K的T300U碳U维ZQƈ准备引进成熟的预料生Uѝ华皖集?原蚌埠灯芯绒集团公司)二期规模ɼ纤l量翻一番,辑ֈ400tQaQ下品的开发也列入发展规划?nbsp;
中宝纤l责L限公司在江嘉兴。拟?00tQa大丝束碳U维生U,部分引进技术和讑֤Q投资数亿元Qƈ配套300万m2预浸料。该目国家已批准,q积极开展了前期和考察工作。根据国内外市场动向及投资与回报{因素,暂缓建立纤l生产线Q而集中力量开发预料{下品。同Ӟq成立了江省碳U维工程技术研I开发中心,全面推进纤l事业?nbsp;
׃威v光威渔具集团有限公司主要从事钓竿生Q碳U维预浸布的规格?0余种Q根据发展趋势,有可能向上游即PAN基原丝和纤l发展。此外,׃省东营生产力促进中心也在考虑招商引资建立纤l生产线Q认为石油等工业是碳U维的潜在市场?nbsp;
北京化工大学与吉化公司树脂厂Q将依靠自己的技术徏?00t/a原丝?00t/a纤l生产线。放弃硝酸法Q采用亚砜一步法技术\U生产原丝。目前,正在q行中试实验?nbsp;
中钢集团吉林炭素股䆾有限公司是我国小丝束纤l生产基圎ͼ已向用户提供50余吨丝束碳U维。目前,该厂正在建立新的丝束碳U维生U,扩大产量Q以满市场需求?nbsp;
中科院山西煤化所研制纤l已?0多年历史Q上世纪70q代中期Q徏成我国重要条U维中试生U;?0q代末期Q又建成我国重要条吨U粘胶基纤l生产线。目前该所与扬州聚酯责L限公司共建碳材料联合实验室,研制高性能PAN基碳U维Qƈ准备在扬州徏立业化基地。此外,p榆次化纤厂是我国用亚砜一步法生PAN基原丝达数十q的单位Q目前仍在生产?nbsp;
从以上信息可以看出,当前发展态势有以下几个特点:投入力度大;规模大;参与单位多,特别是大企业的参与;L高,采用多项新技术、新工艺Q自动化E度高,工控、程控在UK套用;逐步建立赯量控制和质量方法,特别是在U检?nbsp;
纤l新产品开?nbsp;
骨骼l织ȝ材料利用l过化学Ҏ(gu)处理q的素U维Q修补或|换骨骼l织一D|间后Q碳素纤l会被一层具有类似真正Y骨机能特点的l织所覆盖Q可降低人造骨骼或l织在植入h体后的排斥问题,但是较脆易断问题仍有待解冟뀂另一Ҏ(gu)产品Z液压为动力的素U维人工膝关节,虽然其外表不太美观,但在速度、力量与灉|性方面ƈ不比真的肌肉与骨骼差?nbsp;
?sh)脑断层扫描机的感应器是由内?0大气压氦气的密封所构成Q利用X线氦气激发成늦子,?sh)脑再由氦?sh)d数量的计描l出Z的断面媄像。氦气压力愈高,断面影像愈清晎ͼ但机器壁愈厚QX线的减衰愈大,所能激发的氦气也愈,影像效果因而变差。如果压力容器由素U维复材制成QYX线领域的减衰可降ؓ1/10Q性能大为提升?nbsp;
现行锂电(sh)池的集电(sh)体大都采用金属铝或铜Q因而在~绕使用时容易发生破裂。ؓ了解册一问题Q采用在素U维中加入金属来刉集?sh)?三菱材料)。其正极的集?sh)体采用铝与素U维Q负极的集电(sh)体采用铜与碳素纤l的混合物。其ơ,二次锂电(sh)池中膜是正极或负极的重要材料Q因膜的U类军_了二ơ锂甉|的功率、充攄(sh)效率及寿命?nbsp;
燃料甉|使用氢气作ؓ燃料Q其关键材料在于U米管(NanotubesQ或UCؓU米素U维Nanofi鄄bres)。纳c碳是q墨中一?单壁)Q或若干层碳原子(多壁)h而成的管状纤l_比重只有钢的1/6Q而强度却是钢?00倍,若连接成l烦Qƈ不会被自w重量所拉断Q管内可以充填其他物质或吸收氢气Q也可以用来发射?sh)子Q运用于二极体?997q由NortheasternUniversityBoston合成的纳c碳,据称可以储存相当自n重量70%的氢气,但因刉资料没有公布出来而广受质疑。燃料电(sh)池用的纳c碳只?0U米宽,使得甉|体积可羃?yu)至普通电(sh)池的1/16Q却是目前世界上大U功率的甉|。现在的?sh)动汽R使用普通电(sh)池,充电(sh)一ơ可?44kmQ且产品寿命只能充电(sh)200ơ,而纳c碳素纤l电(sh)池充?sh)一ơ至可以跑4000kmQ且可充?200ơ以上?nbsp;
以有碳素纤l和ȝU维的树脂,来制造移动电(sh)话、个人数位助理等携带式资讯器材机x料,以取代镁材质之机I已是?sh)子产品新趋势之一。而较先利用碳U维材料于笔记本?sh)脑机壳上的是IBM公司的ThinkPad600?70?40与A20Q其资料昄Q碳U维强韧性是铝镁合金的两倍,且散热效果良好?nbsp;
预测未来10q碳U维的需求量持l增加,工业用与q动休闲用领域依然ؓ市场LQ而呈两极化发展的纤l品中(高弹性率产品及高强力产品)Q以高强力纤l的成长较ؓ看好。但׃厂商间竞争激烈,低h(hun)格化已成势?nbsp;
纤l品国外市场概?nbsp;
世界纤l的主要生商ؓ日本的东丽、东邦h造丝、三׃h造丝三大集团Q以及美国的卓尔泰克QZOLTEKQ、阿克苏QAKZOQ、阿_拉(ALDILIQ和德国的SGL公司{。其中日本三大集团占世界纤l生产能力的75%。世界CT型碳U维ȝ产能力ؓ22100t/aQLT型碳U维ȝ产能力ؓ9550t/aQ实际生产量Uؓ7000t/a?nbsp;
当前世界上PAN基炭U维正处于迅速增长的发展期,产品性能向于高性能化,T700S加快取代T300作通用U碳U维Q量增加较快,1996q_2000q增?8.1%Q航天航I和体育用品用量增加E_Q民用工业用量增q较大,已超q前两者,特别是随着大丝束碳U维的大规模生Qh(hun)格的降低Q民用工业需求增加迅猛?nbsp;
日本东丽、东邦h造丝和三׃h造丝公司的小丝束纤l量占世界M量的75Q左叻I而这3个公司发表的也相当多。例如,东丽公司目前生的碳U维T1000Q抗拉强度较?7.02GPa)、单丝直径较l?5.3滋m)Q可代表世界先进水^Q但该公司较新报道,其实验室已研制出C代碳U维Q抗拉强度已辑ֈ9.03GPaQ比T1000提高?8.6Q;单丝直径降到3.2滋mQ比T1000l了39.6Q。同Ӟ该公司还开发截面Ş状ؓ三叶形的PAN原丝及碳U维Q以拓宽其用途?nbsp;
纤l的h
1880q_国发明家爱q生首先竹子纤l碳化成丝,作ؓ늁泡内发光灯丝Q开启了纤l_CarbonFiberQ简UCFQ的先河。碳U维用于l构材料的者,则以国UnionCarbide公司QU.C.C.Qؓ代表Q于1959q以U维为原料,l过数千癑ֺ的高温碳化后Q得到弹性率U?0GPaQ强度约?.7GPa的碳U维Q?965q该公司又用相同原料?000℃高温下延Q开发出丝状高弹性石墨化U维Q弹性率U?00GPaQ强度约?.8GPa?nbsp;
1961q_日本大阪工业技术试验所q藤召男博士Q以PolyacrylonitrileQ简UPANQ聚丙烯腈ؓ原料Q经q氧化与数千度的_工序后,得到Ҏ(gu)率?nbsp;
160GPa、强度ؓ0.7GPa的碳U维?nbsp;
1962q_日本_公司QNipponCarbonCo.Q用PAN为原料,制得低弹性系敎ͼL.M.Q碳U维。东丽公怺以PANU维为原料,开发了高强度CFQ弹性率Uؓ230GPaQ强度约?.8GPaQƈ?966qv辑ֈ每月量1吨的规模Q与此同时他们还开发了_温度2000℃以上的高弹性率CFQ弹性率U?00GPaQ强度约?.0GPa。PANpȝU维产量?992q已?500吨/q_?000q已过1万t/a以上?nbsp;
虽然纤l需求量逐渐扩大Q但?991q冷战结束后Q军事用途用量萎羃Q又因经萧条,供需失去qQ业受到冲凅R然而,国波音公司新锐机型B777的生产,加上土木、徏{、汽车与复合材料应用领域的扩大,使得纤l业逐渐~步成长?nbsp;
纤l的U类
l高温处理后Q其含碳量超q?0Q以上的U维材料Q称之ؓ纤l。碳U维的分cL许多Ҏ(gu)Q可依原料、性能、Ş态来q行分类。若依原料可分ؓ聚丙烯腈QPolyacrylonitrileQ系纤l_沥青QPitchQ系纤l。其中聚丙烯腈(PolyacrylonitrileQ系纤l具有高强度、高Ҏ(gu)率的性质Q在航空器材、体肌Ӏ休闲娱乐等领域大范围用。沥青(PitchQ系纤l具有的高弹性模量、高导热性等Ҏ(gu)是聚丙烯腈pȝU维所达不到的Q通常以长U维形态被利用。由于沥青系纤lؓ高模量U维Q比Ҏ(gu)模量显著优良,故适合于支配刚性结构物轻量化ƈ赋予其结构刚性。另外,沥青pȝU维h高导热性、低?sh)阻、低热线性膨胀率及化学E_性好{特性?nbsp;
依机械性能可分高弹性率纤l?UHMcd)Q弹性率600GPa以上Q强?500MPa以上Q高Ҏ(gu)率纤l?HMcd)Q弹性率350GPa?00GPaQ强?500MPa以上Q中Ҏ(gu)率纤l?IMcd)Q弹性率280GPa?50GPaQ强?500MPa以上Q标准弹性率cd纤l?HTcd)Q弹性率200GPa?80GPaQ强?500MPa以上Q低Ҏ(gu)率纤l?LMcd)Q弹性率200GPa以下Q强?500MPa以下?nbsp;
纤l特点及性质
纤l呈黑色Q坚,h强度高、重量轻{特点,是一U力学性能优异的新材料Q它的比重不到钢?/4Q碳U维树脂复合材料抗拉强度一般都?5000MPa以上Q是钢的7.9倍,抗拉Ҏ(gu)模量ؓ230000MPa?30000MPaQ高于钢。因此CFRP的比强度Q即材料的强度与其密度之比可辑ֈ20000MPa/(g/cm3)以上Q而A3钢的比强度仅?90MPa/(g/cm3)左右Q其比模量也比钢高。材料的比强度愈高,构g自重愈小Q比模量愈高Q构件的刚度愈大。从q个意义上已预示了碳U维在工E上的广阔应用前景。纵观多U新兴复合材料,如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料的优异性能Q众多专安料,人类在材料应用上正从钢铁时代q入C个复合材料广泛应用的时代?nbsp;
PAN纤l及其复合材料具有以下特征(其中括号内ؓ纤l的U维轴方向的特征Q:Q?Q机械特性,与金属相比,密度,质轻Q模量高Q高刚性;强度高;疲劳强度高;耐磨耗性、润滑性优良;振动衰减性优良;Q?Q耐热性、安定性,热膨胀pL,寸E_性好Q具有导热性;在惰性气体中耐热性优良;Q?Q电(sh)传导及电(sh)L屏蔽性,h导电(sh)性;h늣波屏蔽性;Q?QX线透过性优良;属多U导性材料,针对其目的可设计出适当的结构体?nbsp;
2007q_日本主要纤l生产商东丽公司与日产汽车等企业联手开发出了用碳U维的尖端材料,可大q减L车主要部Ӟ如底盘的重量。新技术可使汽车整体重量减?成,提高燃效性能4%?%。另外,耐冲L可辑ֈ原来?.5倍。这些厂家计?q后在市售R上应用此新技术。在全球为减排温室气体而强化燃效规定的背景下,q一新技术有望加快以钢铁Z的汽车原材料的{变?nbsp;
底盘是汽车底部的骨架Q是与发动机{同{重要的基础部g。此前,曑֜发动机的动力传导给车轮的传动u上采用过纤l。如果新技术达到实用水qI则是首次在汽车主要部件上采用纤l。以高乘用车ؓ例,目前的钢铁底盘重量约?00kgQ如果改用碳U维与树脂合成的纤l强化塑料,则可降低?50kg左右Q?.5t左右的汽车总重量由此可减轻1成。另外,在发生碰撞事故时Q底盘会发生变ŞQ从而吸收冲d。假定在旉?0km下发生碰撞事故,底盘的能量吸攉可提高到1.5倍,从而可减轻Z所受的冲击?nbsp;
纤l的应用
纤l是含碳量高?0%的纤l的ȝQ因含碳量高而得名。碳U维既具有元素碳的各U优良性能Q如比重、耐热、耐热冲击Q耐化学腐蚀和导늭Q又有纤l的可绕性和优异的力学性能。特别是它的比强度和比模量高Q在l氧条g下,可?000℃的高温Q是一U重要的工业用纤l材料,适用于作增强复合材料、烧蚀材料和绝热材料。它?0世纪60q代初发展v来的一U新型材料,现已成ؓCC会不可~少的一U新颖材料?
休闲产品中,较早应用PAN纤l的是钓鱼竿。现在世界上纤l钓鱼竿的年生量ؓ1200万根左右Q相当于纤l用量约1200吨。碳U维在高夫球杆的应用是?972q开始的Q现在世界上纤l高夫球杆的年生量约4000万根左右Q相当于2000吨碳U维的用量。网球拍的应用是?974q开始的Q目前世界上q生产碳U维球拍U?50万个Q需纤l用量约500吨。在其他斚wQ碳U维q广泛应用于滑雪ѝ雪舏V滑雪杆、棒球棒、公路赛以及船舶cM育用品?nbsp;
Z认识C纤l轻量化、耐疲x和耐腐蚀性等性能Q因而开始广泛应用于航空航天行业。在宇航领域Q由于高模量纤l的轻量性(刚性)、尺寸稳定性的导热性,早已应用于h造卫星等斚wQ近q来已开始应用于铱星{通信卫星?nbsp;
造型复合物主要是以短U维的Ş式入用于热塑性树脂中Q由于具有补强、抗静电(sh)、电(sh)L屏蔽效果Q可q泛应用于家用电(sh)器、办公室机器、半g及其相关领域?nbsp;
压力容器主要用在压羃QCHGQ罐和消防员用的I气呼吸器,包括用CF长丝~绕所生的所有罐cR其他燃料容器,如CNG|,若采用以往的金属制造是很重的,Z使其q行距离加长Q必轻量化。因此,采用金属加上U维~绕或塑料衬里的全复合材料容器正q行实用化生产应用。空气呼吸器是去q在国受到DOT认定的CF制品Q今后其市场需求将急剧增长?nbsp;
q几q在土木建筑领域Q靠纤l进行抗震补修和补强的施工法Q在日本得到划时代的普及。以阪神大震灾ؓ开端的抗震补强Q以及伴随着与施工时相比Q因交通量和积载量{大q度增加而造成的劣化所q行的道路桥梁等补强Q都开始渗透碳U维片材的施工法。这U施工法是将单向排列的碳U维片材或织物状材料Q用常温固化型的环氧树脂贴服于结构物表面而进行的补修与补强。公路桥的地面、横梁、徏{物和梁、构架以及烟{等的弯曲补ZQ碳U维的模量变得格外重要?nbsp;
除前文所q日本东丽在汽R领域中的大幅研制与应用外Q近q来以欧zؓ中心Q在渡轮、大型快艇和其他舟艇cL面,纤l的市场需求量正在增长?nbsp;
在能源及相关领域Q包括风力发甉|叶片、燃料电(sh)池电(sh)极、飞轮等用途,纤l的成长势更是强劲。虽焉力发는途目前尚待进一步推q,但这些应用领域都能充分发挥碳U维的特ѝ?nbsp;
纤l的应用Q除涉及C往X线ȝ器械、电(sh)子器械等相关领域Q除羃铀的旋转筒外)、各U机械部件、电(sh)器部件、伞c骨架、头盔等与生zȝ关的用品Q以及卡车的构架、R辆的l构体、冷ȝ、家用电(sh)梯等新项目?