碳纖維的發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀

張健 揣雪冰(吉林石化公司碳纖維廠聚合車間，吉林 132000)

碳纖維的發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀

張健 揣雪冰(吉林石化公司碳纖維廠聚合車間，吉林 132000)

碳纖維以其優(yōu)異的性能被世界各個(gè)國(guó)家所重視，相關(guān)研究結(jié)果表明，碳纖維的強(qiáng)度、模量以及密度等方面相對(duì)金屬材料，其優(yōu)勢(shì)十分巨大。本文介紹了目前碳纖維國(guó)外以及國(guó)內(nèi)的發(fā)展歷史與生產(chǎn)現(xiàn)狀，并分析了目前碳纖維材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楹教旌娇?、體育用品以及汽車三大領(lǐng)域，同樣在其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)如今碳纖維材料的應(yīng)用已經(jīng)成為重要替代材料之一。

碳纖維；發(fā)展現(xiàn)狀；應(yīng)用

碳纖維指的是通過將有機(jī)母體纖維經(jīng)過高溫（1000℃-3000℃）、惰性氣體保護(hù)下，以高溫分解與碳化的方式形成含碳量在90%以上的一種無機(jī)高分子材料。其有著優(yōu)秀的力學(xué)性能，雖然其比重只有鋼材的四分之一，但其抗拉伸強(qiáng)度可達(dá)到鋼的7倍以上，并且其有著巨大的耐高溫性能，在2000℃并運(yùn)用惰性氣體對(duì)材料進(jìn)行保護(hù)環(huán)境下，碳纖維是目前已知所有材料中強(qiáng)度唯一不下降的材料，碳纖維的優(yōu)勢(shì)是鋼以及其他合金金屬無法比擬的。另外碳纖維還具備高度耐腐蝕、減震等效果。目前碳纖維已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)以及國(guó)防建設(shè)必不可少的材料之一，其在國(guó)際上也有著“黑色黃金”之稱。

1 碳纖維的發(fā)展歷史

1.1 碳纖維的國(guó)外發(fā)展歷程

碳纖維的發(fā)現(xiàn)最找起源于18世紀(jì)中期，英國(guó)著名發(fā)明家斯旺與美國(guó)發(fā)明家愛迪生通過利用竹子以及纖維素制造了最早的碳纖維，并且將之用于電燈的燈絲中。直到上個(gè)世紀(jì)50年代，美國(guó)科學(xué)家開始對(duì)粘膠基碳纖維進(jìn)行深入研究，并且于1959年生產(chǎn)出了“T hormei-25”粘膠基碳纖維。同年日本科學(xué)家藤昭男在全球范圍內(nèi)第一個(gè)發(fā)明了聚丙烯晴基碳纖維。1962年日本東麗公司開始從碳纖維原絲的角度進(jìn)行研究，于1967年研制成功了T300聚丙烯晴機(jī)碳纖維。1966年，英國(guó)著名材料研究所，皇家航空研究所通過對(duì)碳纖維技術(shù)進(jìn)行改良，從而研發(fā)了一套完整的高強(qiáng)度、高模量的PAN基碳纖維的全新途徑，直到1969年，如本動(dòng)力公司世界率先研發(fā)了特殊單體共聚而成的PAN基碳纖維原絲，并結(jié)合當(dāng)時(shí)美國(guó)的碳纖維生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)出當(dāng)時(shí)具備最高強(qiáng)度、模量的碳纖維。由此在世界范圍內(nèi)激發(fā)了研究碳纖維的浪潮。同期，美、德等國(guó)家也通過引進(jìn)其他國(guó)家先進(jìn)碳纖維技術(shù)自主進(jìn)行原絲以及碳纖維的研發(fā)。但從目前國(guó)際對(duì)碳纖維的研發(fā)以及生產(chǎn)實(shí)際情況來看，東麗公司依然是世界碳纖維研發(fā)與制造的領(lǐng)導(dǎo)者。

1.2 國(guó)內(nèi)碳纖維的發(fā)展歷程

相對(duì)與碳纖維研發(fā)與制造發(fā)達(dá)國(guó)家，碳纖維在我國(guó)的發(fā)展相對(duì)較晚，并且無論是研發(fā)成果還是制造工藝，同發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定差距。我國(guó)碳纖維的研發(fā)開始于上個(gè)世紀(jì)60年代，并且在1976年成功建設(shè)了年生產(chǎn)在2t/a的碳纖維實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線，其坐落在山西煤化所。直到80年代，我國(guó)開始注重高強(qiáng)度、高模量的碳纖維研究。在1988年我國(guó)成功建設(shè)成產(chǎn)能在40t/a的中試線。目前在國(guó)內(nèi)PAN基碳纖維生產(chǎn)水平相對(duì)較高的企業(yè)主要有大連興科碳纖維有限公司以及中石油吉化公司等。

2 碳纖維的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 航空領(lǐng)域

截止2015年末，航空航天對(duì)碳纖維的需求增長(zhǎng)了90%，達(dá)到11.3萬噸，預(yù)計(jì)到2020年，僅航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求將達(dá)到2萬噸。碳纖維成為航空航天多部件的主要材料，廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪等部位。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在小型直升飛機(jī)以及小型商務(wù)飛機(jī)中，碳纖維材料占飛機(jī)材料比重的45%左右，運(yùn)用飛機(jī)碳纖維材料占比達(dá)到35%左右。在民用航天中，空客在A380大型飛機(jī)中所使用的碳纖維材料占據(jù)整個(gè)飛機(jī)比重的20%左右。我國(guó)商務(wù)飛機(jī)C919中碳纖維所占比重也達(dá)到25%。在航天領(lǐng)域上，碳纖維材料的應(yīng)用更加廣泛，在導(dǎo)彈、火箭等發(fā)射筒以及發(fā)動(dòng)機(jī)、防熱層中都出現(xiàn)碳纖維的身影。大大降低了航天器的質(zhì)量，提升了航天器的運(yùn)輸能力。

2.2 體育領(lǐng)域

體育領(lǐng)域目前是碳纖維的第二大消耗領(lǐng)域，近年來體育領(lǐng)域每年消耗碳纖維達(dá)到5千噸，自2006年到2015年之間，體育領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求每年保持3%的增長(zhǎng)速度。碳纖維在體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于高爾夫球桿、魚竿、自行車、滑雪板等高檔體育用品。相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料用品，碳纖維材料可減重最高達(dá)50%以上。目前我國(guó)于2009年建設(shè)成第一家碳纖維自行車廠商，相對(duì)鋁金屬材質(zhì)，碳纖維自行車降低總體質(zhì)量40%。

2.3 汽車領(lǐng)域

隨著人們對(duì)汽車要求的越來越高，汽車的輕量化與安全化、發(fā)動(dòng)機(jī)效率的高效化已經(jīng)成為當(dāng)代汽車消費(fèi)的主要參考因素之一，碳纖維材料則成為了理想的結(jié)構(gòu)材料。目前碳纖維廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的推桿、連桿、傳動(dòng)軸等多部件中，另外在汽車加速器、底盤懸置件、車門等多部件也有很大應(yīng)用。2015年全年，僅我國(guó)汽車行業(yè)對(duì)碳纖維材料的需求便已經(jīng)達(dá)到3.5千噸，預(yù)計(jì)到2020年，汽車行業(yè)對(duì)碳纖維的需求將達(dá)到一萬噸。

2.4 其他領(lǐng)域

除上述三大領(lǐng)域外，碳纖維材料由于其強(qiáng)大的物理性能廣泛應(yīng)用于其他行業(yè)中，例如在風(fēng)力發(fā)電中，碳纖維廣泛應(yīng)用于分離發(fā)電機(jī)的葉片的制造。在建筑領(lǐng)域，體碳纖維應(yīng)用于屋頂、混凝土、橋梁等建筑物。在石油領(lǐng)域中應(yīng)用于石油抽油桿、石油運(yùn)輸管道、鉆井平臺(tái)等領(lǐng)域?？傊?，碳纖維由于其眾多優(yōu)勢(shì)在各行各業(yè)中都有著巨大引用前景，碳纖維材料必然將成為未來主要材料。

[1]李建利,張新元,張?jiān)?王海濤,趙領(lǐng)航.碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及開發(fā)應(yīng)用[J].成都紡織高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2016(2).

[2]趙碎彬,魯盈.碳纖維的發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J].求知導(dǎo)刊, 2016(1).