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#轻量化专栏#揭开“新材料之王”碳纤维的神秘面纱
发布:lee_9124   时间:2015/5/25 11:39:21   阅读:1253 
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碳纤维,江湖雅号“新材料之王”,轻质高强,在很多场合已有应用。材料人网已有多篇文章介绍过碳纤维,但并不系统。这一期的轻量化专栏,就专门为大家讲讲“新材料之王”的风采。
 
碳纤维,材如其名,就是纤维状的碳材料,含碳量超过90%,而当碳含量超过99%后,这时候我们就得改名叫石墨纤维了。首先,我们简单了解下碳纤维的发展历史

 
发展历史
 
十九世纪末:爱迪生将棉线和竹子碳化,以制作灯泡丝。
 
二十世纪50年代: 人造纤维被用来制造碳纤维,但很快被聚丙烯腈所替代。
 
二十世纪60年代早期:第一种可以被应用的商业化碳纤维问世。
 
二十世纪60S、70S、80S:碳纤维主要在国防方面应用。
 
二十世纪末:冷战的结束和苏联的垮台,导致碳纤维的需求下降。
 
二十一世纪初至今:工业界、能源、体育用品、航天、风能行业的需求使碳纤维的产量大幅提升。
 
2008年以后:受技术原因和世界经济疲软,碳纤维需求发展增速变缓。
 
碳纤维可以用不同的原材料制备,主要有聚丙烯腈(PAN)、沥青(可以分别称之为PAN基或者沥青基碳纤维)。其中以聚丙烯腈最为常见,大约90%的碳纤维由它而制造(不特别说明的话,碳纤维指的就是PAN基碳纤维)。下面我们就以PAN原丝制造碳纤维的原理图(来自日本帝人集团官网介绍)来介绍PAN的加冕之路
 
制作过程
 
本来想自己作图的,发现作图能力实在是渣,放上日本帝人集团的制作流程图吧
 
  
 
图1:碳纤维制作流程图
 
图1大致描述了碳纤维的制作过程,不过不够形象。我们再来看看下面这张:

 
 
 
图2:碳纤维制作示意图
 
图2描绘了从原丝(precursor)到碳纤维,经历了氧化(Oxidzation Furance)、碳化(Carbonization Furance)、石墨化(Graphitization Furnace)、表面处理 (surface treatment)以及最终的(CarbonFibers)碳纤维化的整个过程。
 
由于PAN原丝的玻璃化温度低于100度,因此不能直接碳化,其需要先经过氧化过程(有的书称之为预氧化,很贴切)。所谓碳化,是指去除非碳元素,使其碳含量超过90%。
 
如果将原丝经过碳化之后,继续石墨化的话,就可以得到石墨纤维。具体方法是在2500-3000度、保护气氛(一般是高纯氩)、施加压力下维持几十秒,其目的是进一步去除杂质,让结晶碳的结构朝石墨结构转变。
 
 
  
图3:碳纤维各道工序和各个阶段的成本
 
由图3可以看到原丝大约占50%以上的成本,每磅造价10美元左右(数据是2010年的)。
 
碳纤维的性能
 
既然称之为“新材料之王”,性能方面自然有过人之处。口说无凭,我们将从几个具体的指标来对比其他材料,看看碳纤维“过人”之处。
 
表1:几种材料的比强度对比
 
材料 比强度(KN.m/kg)
光谱纤维 3619
卡拉夫 2514
碳纤维 2457
玻璃纤维 1307
蜘蛛丝 1069
碳纤维复合材 785
钢合金 254
铝合金 222
聚丙烯 89
橡木 87
尼龙 69
 
所谓比强度,是指强度与密度的比值。比强度高,代表材料既强度高又质量轻,是轻量化材料最重要的指标之一。从表1我们可以看到,碳纤维的比强度比钢、铝高出一个数量级,所以它才有可能在航空航天、汽车等领域替代钢构、铝构配件。
 
表2:材料的抗拉强度对比
 
材料 抗拉强度(Mpa)
碳钢1090 3600
高密度聚乙烯 37
聚乙烯 19.7-80
不锈钢AISI 302 860
铝合金2014-T6 483
铝合金6063-T6 248
无碱玻璃 3450
层压无碱玻璃 1500
碳纤维 4127
层压碳纤维 1600
卡拉夫 2700
松木(顺纹方向) 40
 
抗拉强度是指材料在拉断前所能承受的最大载荷,是结构材料重要的力学性能指标。显然,碳纤维的抗拉强度非常高,而且表2的数据并不是碳纤维产品中最高值,可以说碳纤维是人类制造的抗拉强度最高的三维材料。
 
表3:著名碳纤维生产企业帝人旗下的产品性能表
 
 
 
表3主要基于碳纤维的力学性能,碳纤维还有很多其他优秀的性能,简要总结如下
 
表4:碳纤维的其他优异性能
 
热膨胀系数 (-0.5—1.5)X10-6/K,远低于钢
导热性 接近钢
抗化学腐蚀性 除强氧化酸外,抗酸、碱
耐高温 400度以下性能稳定,甚至可抗1000度
抗疲劳性 应力疲劳试验百万次后,强度保留60%,钢仅40%、铝30%
 
应用场景及公司
 
虽然碳纤维成本并不是很低,但已经不是什么稀罕物件。总体来说,碳纤维主要应用在航空航天、风能、汽车、体育、医用设备、家居、个人用品等等。
 
碳纤维制造企业非常集中,据说全球前6的企业供应了93%的碳纤维。这六家企业是日本的Toray(东丽)、Toho(东邦)、mitsubishi(三菱)、美国的Zoletk(卓尔泰克,好像是被东丽给收购了)、Hexcel(赫氏)、Cytec(西泰克)。这些公司的简介材料人网曾有介绍,可以参考这里:http://www.cailiaoren.com/article-2269-1.html
 
 
本文参考了大量外文文章如下:
 
关于碳纤维的性能:http://www.christinedemerchant.com/carboncharacteristics.html
 
帝人的碳纤维性能:http://www.tohotenax.com/cn/products/products_pro.html
 
碳纤维成本:http://www.rmi.org/RFGraph-carbon_fiber_cost_breakdown



来源: 材料人网
 
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