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碳纤维复合材料的发展和应用

文章出处:网络责任编辑:编辑人气:发表时间:2018-09-04【


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  一、碳纤维复合材料的发展和战略地位
碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料,具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能,正逐步征服和取代传统材料。现已广泛(extensive)应用于航天、航空和军事领域。世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要应用外,在民品的发展上有着更加广阔的空间,并已经开始深入到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。
碳(C)纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的。80年代期,高性能及超高性能的碳纤维相继出现,这在技术上是又一次飞跃,同时也标志着碳纤维的研究和生产(Produce)已进入一个高级阶段。经过二十多年的发展,碳纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期,其工业地位已基本确立,美、日、英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分,并已逐步形成垄断优势。 123456
我国对碳纤维的研究由于起步较晚,技术力量薄弱,虽然碳纤维及其复合材料(Material)在我国已被纳入国家 ;863 ;和 ;973 ;计划,但总体情况(Condition)不尽理想,我国仍不具备成熟的碳纤维工业化生产技术,国防和民用碳纤维产品基本依赖进口。

  二、碳纤维复合材料的性能和用途
碳(C)纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨(化学式C )化等工艺制成的。其含碳量随种类不同而异,一般90以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性,如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等,但与一般碳素材料不同的是,其外形有显著的各向异性、柔软、可加工性好,沿纤维轴方向表现出很高的度,且碳纤维比重小。
1、碳纤维的化学性能
碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性(The stability of)极好的物质之一。这是历史上最早就被人类认识的碳素材料的特征之一。除强氧化性酸等特殊物质外,在常温常压附近,几乎为化学惰性。可以认为在普通的工作温度≤250℃环境下使用,很难观察到碳纤维发生化学变化。根据有关资料介绍,从碳素材料的化学性质分析,在≤250℃环境下,碳素材料既没有明显的氧化发生,也没有生成碳化物(carbide)和层间化合物生成。由于碳素材料具有气孔结构,因此气孔率高达25%左右,在加热过程易产生吸附气体脱气情况,这样的过程更有利于我们稳定电气性能和在电热领域的应用。 123,123
2、碳(C)纤维的物理性能
(a)热学性质:碳素材料因石墨晶体的高度各向异性,而不同于一般固体物质与温度的依存性,从工业的应用角度来看,碳素材料比热大体上是恒定的。几乎不随石墨化度和碳素材料的种类而化
(b)导热性质:碳素材料热传导机理并不依赖于电子,而是依靠晶格振动导热,因此,不符合金属所遵循的维德曼—夫兰兹定律。根据有关资料介绍,普通的碳素材料导热系数极高,平行于晶粒方向的导热系数可与黄铜媲美(比美)。
(c)电学性质:碳素材料电学性质主要与石墨晶体的电子行为和不同的处理温度(temperature)有关,石墨的电子能带结构和载流子的种类及其扩散机理决定了上述性质。碳素材料这类电学性质具有本征半导体所具备的特征,电阻率变化主要与载流子的数量变化有关。
3、碳纤维的主要用途
与树脂、金属、陶瓷等基体复合,做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。在刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都颇具优势。 copyright 123456
由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料,由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。碳纤维生产传统的玻璃纤维相比,杨氏模量是其3倍多;它与凯夫拉纤维相比,杨氏模量是其2倍左右,在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性突出。
最神奇的应用是采用长碳(C)纤维制成的 ;纳米绳 ;可以将 ;太空电梯 ;由理想变为现实,太空电梯将可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上,也可以用这种 ;纳米绳 ;将太空中发射平台与地面固定在一起,在这样的发射平台上发射人造卫星和太空探测器(detector)就可以大大降低发射成本。总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面:

  (1)宇航工业用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层;卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件;航天飞机机头,机翼前缘和舱门等制件;哈勃太空望远镜的测量构架,太阳能电池板和无线(wireless)电天线。
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  (2)航空工业用作主承力结构材料(Material),如主翼、尾翼和机体;次承力构件,如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等,此外还有c/c刹车片。

  (3)交通运输用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件;船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇巡逻艇,以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆;海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。

  (4)运动器材用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。碳纤维配件一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

  (5)土木建筑幕墙、嵌(qiàn)板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料(Material)。 copyright 123456

  (6)其它工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐;催化剂,吸附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、x光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。

  三、碳纤维复合材料在电线电缆中的应用
碳(C)纤维以其固有的特性赋予了其复合材料优异的性能,它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能,从而为其在电线电缆(Cable)行业中的应用提供了可能和必然。

  (一)碳(C)纤维加热电缆的开发和应用
人们早就知道,以金属材料为发热体的电加热技术已在各个领域得到了广泛的应用。但是金属丝在高温状态下表面易氧化,由于氧化层不断的增厚,造成了有效通过(tōng guò)电流的面积减小,增大了电流的负荷,因此易烧断。在相同的允许的电流负荷面积下,金属丝的强度比碳纤维低6-10倍,在使用过程中易折断。 123,123
碳纤维是一种石墨的六方晶格层状结构组成,是一种全黑体材料,因此在电热应用中,表现出来的电热转换效率高。在特定的条件下,高温不氧(Oxygen)化,单位面积的电流(Electron flow)的负荷强度和机械强度不发生改变。
目前碳纤维加热电缆的应用如下:
低温辐射发热电缆地板采暖系统。
恒温育雏箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保温采暖。
道路化雪、机场跑道化雪:用于混凝土(Concrete)结构中楼面加热的理想产品,也可以用在融雪装置中,对屋面雨水和排水管进行防霜,还可以用于土壤加热。
管道、罐体保温防冻:电伴热产品近几年在中国得到了大力的推广和广泛的应用。其应用领域主要集中在石油、化工、电力、铁路和民用或商业建筑等。随着中国电力工业的发展,以清洁、无二次污染的电能为主要能源的电伴热产品市场(shì chǎng)前景非常广阔,同时,也为电伴热产品的性能提出了更高的要求。

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足球场草坪、公共绿地土壤保温:太阳能热水器电能补充加热器,主要用于在长期阴雨天或寒冬季节,因光照不足而导致太阳能热水器水温不能满足生活、工程需要时,为补充热能而设计的。碳纤维生产传统的玻璃纤维相比,杨氏模量是其3倍多;它与凯夫拉纤维相比,杨氏模量是其2倍左右,在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性突出。它具有较强的耐酷暑、严寒和高温潮湿环境的性能,并具有防干烧的功能。即使偶尔水箱缺水误通电,也不至于烧坏电加热器和水箱,故能确保安全使用。

  (二)碳纤维复合芯导线的开发和应用
我国是个缺电的国家,不仅发电业的发展滞后,输电业的弊端也凸现出来,输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求,由于过负荷造成的停电、断电故障频频发生,电力传输成为电力工业发展的 ;瓶颈 ;各国均在研究新型架空输电路用导线,以取代传统的钢芯铝绞线,碳纤维复合芯导线由此应运而生。与钢芯铝绞线相比,碳纤维复合芯导线具有以下优点:

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1、和同样直径的acsr电缆相比,可以提供双倍的载流容量。
2、有效解决电缆下垂问题。
3、可以在更高的温度下工作,最高可达200摄氏度。
4、线芯可以抗腐蚀,而且没有双金属间腐蚀问题。
5、因为可以提供更高的载流容量,所以同时也有效的降低了工程成本。
6、与相同直径传统电缆相比可以多容纳28%的导体。
7、高强度线芯可以有效减少电缆架的数量,或降低电缆架的高度。
8、有效减少电缆下垂,使地面生物更加安全。
除了上述提及的优点外,还可减少传输中电力的损耗,减少20%的塔杆,节省用地,减少有色金属资源消耗,有助于构造安全、环保、高效节约型输电网络。目前世界上只有美国和日本开发出这种新型导线,他们还达成默契:不向第三国输出,日本一家碳纤维导线企业的产量就占到世界40%左右。目前我国电线电缆研究所、电力建筑研究院以及国家电网有限公司都已经开始了对accc导线的试验研究工作。国内电缆厂家也加大与外方合作,将这种新型电缆引进到中国生产,积极推动我国架空输电线路的技术革命。最近福建电网已经将该新型导线架设运行。 123456

  (三)在高低温、腐蚀等苛刻环境应用的可能碳纤维细如蛛丝,三型碳纤维比强度是钢的62倍以上,成形工艺性好,是一代新型工程材料,其弹性量高,抗变性能力比钢大2倍多,抗拉强度30~40t/cm2pa,而比重还不到钢的四分之一,是铝合金的二分之一,高弹模量比钢铁大16倍,比铝合金大12倍。且碳纤维比钢等柔软。因此,碳纤维可用于要求能承重、不易损伤内部元件的电缆的加强芯,如海底光缆等。
碳纤维可以耐-180℃的低温,在此条件下,许多材料都变的很脆,连坚固的钢铁也变的比玻璃还容易碎,而碳纤维在此条件下依旧很柔软。因此,碳纤维复合芯可用于极地(如南极考察研究等)条件下输电载体的设计和制造。碳纤维又可以耐3000℃~3500℃的高温,在此高温下最好的耐热钢也变成钢水,但在没有氧(Oxygen)气的情况下,碳纤维没有变化。
碳纤维即使从3000℃的高温快速冷却到室温也不会炸裂,因而可在急冷急热的环境中工作。这为钢铁、冶金、锅炉等行业中高温特高温场合电缆的设计提供了可能。此外,碳纤维纱、碳纤维绳、碳纤维布都可用于消防电缆产品的设计选用。
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碳纤维有超强的耐腐蚀性。金属中耐腐蚀性最强的是黄金和铂,在一份硝酸(浓%)和三份硫酸(浓度39%)配成的称 ;王水 ;的溶液中黄金、铂会被腐蚀的千疮百孔,而 ;王水 ;中的碳纤维却安然无恙。为各种化学环境下轻型耐化学腐蚀电缆(Cable)的设计提供了新的思路。 
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