国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向概要

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romanceliu

2008-01-15 17:37

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一.国外情况

1996年世界碳纤维生产能力15000t,实际产量约10000t左右,其中日本约占60%。日本有三家大公司从事碳纤维的生产、研究和开发,东丽公司、东邦人造丝

公司和三菱人造丝公司是世界著名的碳纤维生产企业,它们都在积极扩展碳纤维生产,继续加强其在世界市场上的主导地位,并纷纷实现从原丝到下游复合材料一体化的配套生产体制,碳纤维及其下游产品己成为这些公司的支柱产业和新的经济增长点。

随着航空航天飞行器各项性能的不断提高,对结构件用材料的性能要求也越来越高。今后日本先进复合材料的发展方向是:在增强材料方面,进一步提高碳纤维的强度和模量,降低成本;在树脂基体方面,主要提高树脂的冲击后压缩强度和耐湿热性;在复合材料成型技术方面,进一步实现整体成型技术、固化监控、自动化技术及三维复合材料技术,从而同时提高复合材料性能降低制造成本。

美国是碳纤维生产大国,更是消费大国,世界碳纤维40%以上的市场在美国。美国199 6年碳纤维生产能力约为4500t,其中卓尔泰克(ZOLT E K公司1997年在美国德克萨斯州的亚平伦城和匈亚利的布达佩斯附近建了5条碳纤维生产线,1997年的总生产能力达3000t左右,一跃成为世界上生产碳纤维的最大集团之一。

它的产品有许多特色,最主要是低成本、低价格、大丝束、采用纺织用的丙烯酸原丝和开发工业级碳纤维等。该公司生产的碳纤维价格已降至17.64$/kg,而日本东丽同类产品大约30$/kg。在应用方面,美国摩里逊(Morison公司为达纳(Dcna公司生产汽车传动轴,供通用汽车公司用;采用碳纤维复合材料可使原来由两件合并成一个传动轴简化成单件,与钢材料相比,可减重60%。美国斯道顿复合材料公司(Stoug hton开发碳纤维复合材料集装箱,重量轻、耐磨,在碳纤维价格降至17.6$/kg 时,此集装箱的价格可与金属集装箱竞争。

目前,美国正在开发碳纤维复合材料的五大新市场,即清洁能源车辆、土木建筑工程、近海油田勘探和生产、风力发电机大型叶片、高尔夫球杆和球拍。这是推动美国和世界碳纤维复合材料大发展的动力。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的下降,在增强木材、机械和电器零部件、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用必将迅速扩大。

除日美之外,德国、英国和韩国也具有一定碳纤维复合材料生产能力。据预测,今后十年世界碳纤维及复合材料需求量将稳定高速增长。国外碳纤维及复合材料业已步入良性循环,而我国目前尚不具备国际竞争能力。我国当前及今后一个时期内最大的市场在体育用品方面。我国碳纤维及其复合材料业存在的几个问题为:原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、应用基础研究薄弱等。

二.国内情况

1.转自泰州市科协《科技快讯》总第110期:碳纤维取代钢筋

钢筋是混凝土不可缺少的材料,现在日本科学家开发出利用碳纤维取代钢筋制作钢筋混凝土的技术。根据这项新技术,先将1.2万根直径约7微米的碳纤维困在一起,制成30根碳纤维绳,然后呈螺旋状在骨架上缠绕碳纤维绳,只在连接处用树脂固定起来。整个工作由机器人按输入的设计完成。

连接处以外的碳纤维可以折叠,便于运输和保管。在施工现场,先将碳纤维绳拉直,使之恢复原状,然后浇注混凝土。但要注意的是如处理不当,就有可能损伤碳纤维。

碳纤维的强度大,相当于钢筋的10倍,其重量大约为钢筋的1/4,但弱点是与混凝土的附着性差。于是科学家们改变了碳纤维结构,使之能够很好地与混凝土附着在一起。作为混凝土的骨架材料的棒状碳纤维价格比钢筋贵,但采用这项新技术,可以减少利用树脂和电焊的工作量,因此可以降低成本。

2.转自南方纺织网:国内首套大型工业化聚丙烯腈基碳纤维工程开工

来自中国华源集团的消息说,由华源主投资的国内首套大型工业化聚丙烯腈基碳纤维工程日前正式开工。

这项工程由中国华源集团与安徽蚌埠灯芯绒集团共同投资建设,华源占90%的股份。工程位于蚌埠市高新技术开发区,占地197亩,其中一期工程为年产200吨聚丙烯腈基碳纤维及500吨原丝项目,总投资2.2亿元,全套装置和技术从国外引进,由英国艾麦克(A MEC公司总承包,预计2005年初建成投产。

据悉,碳纤维是国际上20世纪70年代发展起来的高性能材料,具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗蠕变、稳定性强等特点,既可作为结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用。鉴于此,碳纤维广泛应用于航空航天、现代国防、汽车制造、特种机械、新型建材、体育设施等领域,前景广阔。

目前,我国对碳纤维的研究还停留在小试、中试阶段。华源这一项目的建设成功将填补

我国碳纤维及原丝工业化生产的空白。

3.中国塑料机械网:聚丙烯腈基碳纤维前景喜人

目前,世界PAN基碳纤维约占各种碳纤维材料的80%以上,其中PAN基小丝束碳纤维的世界总需求约为10000t/a强。东丽、东邦和三菱人造丝三家公司提供了

70%以上的需求,而它们三者的总产能占了世界中产能的78%,其余由美国hexcel、英美的bp amoco和中国台湾的台塑三家分担。

在1998年底,世界小丝束PAN基碳纤维的生产能力为1875t/a,到1999年底增加为2055t/a,增幅8%,其中日本的增幅占42%;在大丝束PAN基碳纤维方面,1998年世界的总产能为7630t/a,到1999年底增至10080t/a,增长率高达32.1%,主要由美国akzo-fortafil、zoltek 和德国sgl集团3家独占。

在市场应用方面,全球的CFRP生产厂家约有100余家。从1997年至2005年,航空方面的需求增长149%,体育休闲用品为116%,工业用为252%,合计将增长175%。在飞机方面,美国f-18战斗机已采用10%的CFRP;新一代的战斗机yf-22a属雷达难以搜索型,CFRP占35%。在民航机方面,空中客车公司的新一代a3xx机,其ACM将扩大至60%。在体育休闲用品方面,高尔夫球杆自1993年起需求急速增长,在1995-1997年亚洲市场增长减速,到1999年后美国市场也趋于饱和。网球拍曾在1993-1995年红火一时,目前台湾和国外厂家都已转移至我国生产,其芯部结构为聚氨酯泡沫,外包缠CFRP、GFRP、硼纤维或kevlar纤维等。

在工业领域,有六大方面正在推广应用:

(1土木建筑领域主要是桥梁和抗震补强材料,特别是发生阪神、淡路、tolco和台湾省大地震后,海外的需求量大增,日本的耐震补强材料和技术已向海外扩展。另外,伴随着信息社会的发达,出现了机密泄露和通过内外部的各种情报、通信设备而相互干扰等社会问题,其对策便是利用CFRP网格混入混凝土中形成电磁波屏蔽墙加以解决。此外,CFRP管制的桁梁构架屋顶,比钢制品轻1/2,使大型结构物达到了实用化的水平,而且施工效率和耐震性能得到了大幅度提高。

(2汽车由于目前碳纤维的价格偏高,只能说是未来潜在的大市场。日产汽车公司的“skylinegt-r”的外装材料已使用CFRP;丰田汽车公司自1996年秋起已将CFRP 用于“mark ii ”等3种车的内装材料,这两家公司都正与东丽共同开发CFRP制车体,应用于卡车上。现最引人注目的是美国的压缩天然气(cng压力容器和消防车的氧气

压力容器。今后随着大丝束碳纤维价格的进一步下降回收技术的确立,预期将应用于汽车的许多部件和结构材料。

(3PAN系活性碳纤维由东邦人造丝首先产业化和上市,具有起吸附作用的微孔,吸脱附速度快,在低浓度下的吸附性能优良,可用于清酒的脱色、净化器滤材等。

(4海底油田上的油管等作为深海海底油田的输送管,具有轻量、强、耐腐蚀等特性。此外,平台支架、钻井套管等也需CFRP材料。

(5风力发电用翼片欧洲的风力发电翼片都采用CFRP材料,而随着其大型化,考虑到

20-40m长的翼片其强度和质量,已开始采用CFRP。

(6其它CFRP和CFRPT(碳纤维增强热塑性树脂可用于印刷轴承、凸轮、壳体、vtr、cd部件、ic托架、齿轮、制动器、泵、照相机部件、眼镜架等,目前CFRPT还用得很少。

在新工艺和新技术方面,日本三大公司和韩国cheil合成工业公司继承系统发表了PAN原丝至碳化等的新技术,其中三菱人造丝公司提出相当于T700性能水平碳纤维的PAN原丝指标。美国wilkinson公司也在研制PAN原丝,而英国国防安全部在研制中空碳纤维原丝及碳纤维。在预氧化、碳化方面,东丽最近发表了30k-100k PAN大丝束的烧成方法,可以使长度较短的大丝束进行连续碳化。三菱人造丝发明的新型碳化炉,可抑制碳化反应生产的分解物附着和堆积于炉壁和纤维上,从而稳定高效地生产高强度模的碳纤维。

东丽公司则研制一种三叶形断面的PAN原丝及碳纤维,可改进与树脂的粘合性、压缩强度和抗弯强度。

4.中国玻璃纤维及绝热材料网:碳纤维在国内外土木建筑中的应用

碳纤维及其复合材料是伴随着军工事业的发展而成长起来的新型材料,属于高新技术产品,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,它既可作为结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用。因此其近年来发展十分迅速,在航空、航天、汽车、环境工程、化工、能源、交通、建筑、电子、运动器材等众多领域得到了广泛的应用,被誉为是21世纪的新材料。

在土木建材领域中,水泥的用量最大,但水泥有脆性大、抗拉强度低等缺点。为了改善这些弊端,人们利用碳纤维的力学特性,用混凝土或水泥做基体制成碳纤维增强复合材料。由于碳纤维和芳纶纤维等其有强度高、模量大、比重小、耐碱腐蚀,对人畜无害等特点,在土木建筑应用中日益受到人们的青睐。本文重点介绍短切沥青基碳纤维复合材料在土木建筑领域的应用动向。

(1碳纤维增强混凝土

碳纤维增强混凝土指的是短纤维或长纤维增强的混凝土材料。它主要用作高层建筑的外墙墙板。碳纤维增强混凝土的主要特征为;具有普通增强型混凝土所不具备的优良机械性能、防水渗透性能、耐自然温差性能,在强碱环境下具有稳定的化学性能、持久的机械强度和尺寸的稳定性。用碳纤维取代钢筋,可消除钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用,使建筑构件重量减轻,安装施工方便,缩短建筑工期。碳纤维还具有震动阻尼特性,可吸收震动波,使防地震能力和抗弯强度提高十几倍。短切碳纤维增强水泥所用碳纤维的长度为3、6mm,细度或宽度范围在7~20 m,抗拉强度范围在0.5~0.8GPa。

纤维增强材料历史悠久,早在吉埃及文明时代,就曾经使用过稻草增强晒干土砖,日本很早就将稻草或麻丝与黏土混合后用于土墙或抹灰墙中。到了近代,于1900年开发了石棉板, 20世纪70年代则开发了钢纤维增强混凝土(SFRC和玻璃纤维增强水泥(CRC,它们已经作为现代建材被广泛应用。将力学性能优异,化学性能稳定的碳纤维用于土木建筑用的纤维复合材料是伴随着碳纤维的工业化而发展的。开始用作建筑材料时,由于价格非常高,实用

化受到影响。然而到了80年代,由于石棉被强制限制使用,以及较便宜的沥青基碳纤维(短纤维的开发,在土木、建筑方面开始得到实质性应用。到了80年代后期

采用长纤维碳纤维增强的各种FRP长条、网及预浸带来代替钢筋和PC钢材的研究日益增多,部分技术和产品于90年代得到实际应用。自1984年由Kajima,在伊拉克首次使用后,到目前为止,已有30多座大型建筑使用碳纤维增强混凝土外墙墙板。日本东京ArkHollMori-Building使用了32000m2的碳纤维增强混凝土墙板,每块墙板的尺寸为1.47m×3.76m。这些以重量3%的纤维增强混凝土外板可承受630kgf/m2的风压。且外墙可实现减轻40%的重量,大楼钢架整体重量减轻400t。

(2复合材料棒材

建材工业中最广泛使用的结构材料有钢材和中碳钢增强混凝土,钢材的腐蚀会导致建筑物的灾难性破坏。碳纤维树脂基复合材料棒材便成为人们开发出替代建材用钢材的新型高性能建材的重要品种。混凝土增强用碳纤维增强树脂基复合材料棒材最近在美国已经商品化。据悉,商品名称为CBARTM,由美国Marshall Industries Composites of Lima开发和生产的这种复合材料棒材,不腐蚀、不导电,重量是钢材的1/4,热膨胀系数与钢材比较更接近混凝土,价格大约比环氧涂覆保护的钢材贵20%左右。使用复合材料棒材增强比使用中碳元钢增强,其弯曲强度增加%%。复合材斜棒材和水泥的粘结强度比元钢和水泥的粘结强度高约50~O%。因此它可以在海堤、造纸厂、化工厂、高速公路护栏、房屋地基和桥梁等易腐蚀场合使用。在美国West virgine的一座跨度为52m的桥上共使用了3Okm碳棒复合材料棒材。

(3.纤维增强胶接层板

最近几年Wood Composites Engineering已经成功地开发了纤维增强胶接层板技术和产品。这种纤维增强胶接层板是在木板的一面或二面胶粘一层或二层纤维增强胶接层板,以承受拉伸或压缩载荷。纤维增强胶接层板制造技术的关键是纤维增强层板和木板之问的应变匹配。纤维增强胶接层板表面的纤维增强复合材料层板具有良好的阻燃性能,一般采用拉挤工艺制备。所使用的增强材料为混杂的碳纤维和其它纤维(玻璃纤维,基体为环氧树脂体系。由于使用纤维增强胶接层板比使用钢桁架的天花板系统价格低8%,比使用传统木桁架价格低25%,以及可明显减少重量和减少木材的需求,纤维增强胶接层板目前发展很快,应用日趋广泛。

(4.碳纤维复合材料片

碳纤维复合材料片是采用常温固化的热固性树脂(通常是环氧树脂将定向排列的碳纤维束粘结起来制成的薄片。把这种薄片按照设计要求,贴在结构物被加固的部位,充分发挥碳纤维的高拉伸模量和高拉伸强度的作用,来修补加固钢筋混凝土结构物。日本、美国、英国将该材料用于加固震后受损的钢筋混凝土桥板,增强石油平台壁及耐冲击性能的许多工程上,获得了突破性进展。碳纤维复合材料片具有轻质(比重是铁的I/4~1/5,拉伸模量比钢高十倍以上,耐腐蚀性能优异,可以手糊,工艺性好等优点。因此,碳纤维复合材料片在修补加固已劣化的钢筋混凝土结构物(约束裂纹发展、防止混凝土削落和提高结构物耐力以及对用旧标准设计建成的钢筋混凝土结构物的补强、加固应用将越来越多。

(5.其它应用

短碳纤维还可以以下几种形式应用于土木建筑领域：①制作帘墙板（非承重墙）。日本鹿岛公司在 160℃和 0.98MPa 压力下高压蒸汽固化 8 小时制作这种产品，是一种具有优良耐老化性和突出机械特性的轻量板，此板可应用于高层建筑和海边耐腐蚀建筑。②防水房顶涂层。水对.CFRC 的透渗性非常低，因此可将碳纤维水泥混合物用于涂覆平坦的房顶，作为耐风化和不透水的表面，且此涂层表面外观优美。短碳纤维的含量越高，耐擦伤和耐腐蚀性越高。③电磁屏蔽板和导电板。由于碳纤维的高导电性，可消除来自大气的放电和雷击的静电。 CFRC 可用作防止电磁辐射的屏蔽板、地下管线和地下结构。④墙和防腐蚀涂层。⑤耐磨铺地材料。⑥耐化学腐蚀性地板。三．结语碳纤维在土木建筑领域的应用还是一个全新的技术。过去因碳纤维的价格高、产量少，在航空航天领域以外的应用有一定难度，但近年来碳纤维的应用越来越多，并随产量的增加而使成本下降。与传统方式相比，在土木建筑领域中应用碳纤维，虽然纤维强化材料的价格较高，但综合材料成本、施工成本、使用成本，就比较相近了；在施工结果的防腐性、轻量化方面，纤维增强材料更好，这样就拓展了高性能纤维的应用领域。

碳纤维复合材料芯导线在新建与改造线路应用技术经济分析

碳纤维复合材料芯导线 在新建与改造线路应用技术经济分析[摘要]碳纤维复合材料芯导线的出现为线路增容和减少输电走廊等问题的解决提供了一种途径。本文分析了其优点并调研了其在国内外的科研、应用情况。本文结合我国220kV改造线路和500kV新建线路的典型参数，计算分析了应用碳纤维复合材料芯导线的技术经济性，从结果可见碳纤维复合材料芯导线的应用从技术上讲是可行的，从经济上讲是合理的。 [关键词] 碳纤维复合材料芯导线，500kV新建线路，220kV改造线路，技术经济比较； 1.前言 随着我国经济的快速发展，电力需求不断增长，电力负荷不断增加。在土地资源日益稀缺、用电需求持续增长的情况下，如何使输电走廊尽可能少地占用土地资源，又能提高电网的输电能力，已经成为日益重要、亟待解决的难题，提高新建线路的单位输送容量和实施现有线路的扩容改造是两条有效的途径。 相比于同规格的钢芯铝绞线，碳纤维复合材料芯导线具有质量轻、抗拉强度大、线膨胀系数小、弧垂小、载流量大、耐高温、耐腐蚀等特点。[1]碳纤维复合材料芯导线的共同特点是芯主要由碳纤维和热硬化性树脂构成。碳纤维是由含碳量较高且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、碳化处理及石墨化等工艺制成的特种纤维。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，同时沿纤维轴方向表现出很高的强度，具有很高的比强度。碳纤维增强环氧树脂复合材料比重

小、刚性好、强度高，其比强度、比模量等综合指标在现有结构材料中是最高的，能够满足输电导线在强度、刚度、重量、疲劳特性等方面的严格要求。 [2]碳纤维复合材料芯导线技术的工程应用推广，符合国家电网公司推动“两型三新”线路建设的精神，不仅对于提高输电线路的输送容量和电网的安全可靠性，以及降低架空输配电工程总造价具有非常重要的意义;还将促进新技术、新工艺、新材料的研究;也势必推动国内相关产业的技术升级与进步。 碳纤维复合材料芯导线能否在新建线路和扩容改造工程中应用，不仅要在技术上可行还要在经济上合理，因此要结合具体的工程进行技术经济比较。 2 国内外研究和应用现状 2.1 日本的概况 20世纪90年代，日本昭和电线电缆株式会社、东京制纲株式会社和东北电力株式会社共同开发了一种称为ACFR(碳纤维芯铝绞线)的低驰度导线，主要用于解决既有架空输电线路导线弧垂过大、对地净距不足的问题。其基本思想是用相同直径的碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)代替一般钢芯铝绞线(ACSR)中的钢芯，结构和外观如图2-1所示。复合材料芯的质量是常规钢芯的约1/5，线膨胀系数约为1/12。试验证明，这种新型复合材料芯导线的抗拉强度远远超过了ACSR，在常温下的应力——伸长特性呈现弹性体，没有塑性变性，断裂时的伸长量比钢绞线小，约为1.6%。耐热性基本与ACSR相同。ACFR在提高导线强度、降低导线重量和驰度方面具有突出的优点，其迁移点温度约为70℃，运行温度达150℃，重量比相同直径的ACSR导线轻30%。当导电体采用耐热铝时，可以得到耐热性能更好的TACFR导线，在降低导线驰度的同时，提高导线的载流量[3]。ACFR是ACSR 一对一的材料替换，导线外形、结构构造形式和尺寸与传统导线完全一样。

碳碳复合材料概述

碳/碳复合材料概述 摘要本文介绍了碳碳复合材料的发展、工艺、特性以及应用。 关键词碳碳复合材料制备工艺性能应用 １前言 C/C复合材料是指以碳纤维或各种碳织物增强，或石墨化的树脂碳以及化学气相沉积（CVD）所形成的复合材料。碳/碳复合材料在高温热处理之后碳元素含量高于99%, 故该材料具有密度低,耐高温, 抗腐蚀, 热冲击性能好, 耐酸、碱、盐,耐摩擦磨损等一系列优异性能。此外, 碳/碳复合材料的室温强度可以保持到2500℃, 对热应力不敏感, 抗烧蚀性能好。故该复合材料具有出色的机械特性, 既可作为结构材料承载重荷, 又可作为功能材料发挥作用, 适于各种高温用途使用[1]。因而它广泛地应用于航天、航空、核能、化工、医用等各个领域。 ２碳碳复合材料的发展 碳碳复合材料是高技术新材料，自1958年碳碳复合材料问世以来，经历了四个阶段： 60年代——碳碳工艺基础研究阶段，以化学气相沉积工艺和液相浸渍工艺的出现为代表； 70年代——烧蚀碳碳应用开发阶段，以碳碳飞机刹车片和碳碳导弹端头帽的应用为代表； 80年代——碳碳热结构应用开发阶段，以航天飞机抗氧化碳碳鼻锥帽和机翼前缘的应用为代表； 90年代——碳碳新工艺开发和民用应用阶段，致力于降低成本，在高性能燃气涡轮发动机航天器和高温炉发热体等领域的应用。 由于碳碳具有高比强度、高比刚度、高温下保持高强度，良好的烧蚀性能、摩擦性能和良好抗热震性能以及复合材料的可设计性，得到了越来越广泛的应用。当今,碳碳复合材料在四大类复合材料中就其研究与应用水平来说,仅次于树脂基复合材料,优先于金属基复合材料和陶瓷基复合材料,已走向工程应用阶段。从技术发展看，碳碳复合材料已经从最初阶段的两向碳碳复合材料发展为三向、四向等多维碳碳复合材料；从单纯抗烧蚀碳碳复合材料发展为抗烧蚀—抗侵蚀和抗烧蚀—抗侵蚀—稳定外形碳碳复合材料；从但功能材料发展为多功能材料。目前碳碳复合材料面对的最主要问题是抗氧化问题[2]。 ３碳碳复合材料的制备加工工 艺[3] C/ C 复合材料的制备工艺: 碳 纤维的选择→胚体的预制成型→胚体 的致密化处理→碳碳复合材料的高温 热处理(如图[4]) ３.１碳纤维的选择 CF 的选择可以改变碳碳复合材 料的力学和热力学性能。纤维的选择 主要依赖于成本、织物结构、性能及 纤维的工艺稳定性。 常用CF 有三种, 即人造丝CF, 聚丙烯腈( PAN ) CF 和沥青CF。 ３.２坯体的预制成型 坯体的成型是指按产品的形状和性能要求先把CF 预先成型为所需结构形状的毛坯, 以便进一步进行C/ C 复合材料的致密化处理工艺。

ACCC碳纤维复合芯导线

ACCC碳纤维复合芯导线 ACCC碳纤维复合导线是目前全世界电力输变电系统理想的取代传统的钢芯铝铰导线、铝包钢导线、铝合金导线及进口殷刚导线的新产品，ACCC碳纤维复合导线与传统导线相比具有重量轻、强度大、低线损、弛度小、耐高温、耐腐蚀、与环境亲和等优点，实现了电力传输的节能、环保与安全。 ACCC碳纤维复合芯导线系列主要优点是： 1.强度为普通导线的2倍。普通钢丝的抗拉强度为1240Mpa-1410Mpa，而AC CC导线的碳纤维混合固化芯棒，是前者的两倍。 2.导电率高，节能6%。由于ACCC导线不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，而且在输送相同负荷的条件下，具有更低的运行温度，可以减少输电损失约6%。 3.低弧垂，降低2倍以上垂度。ACCC导线与ACSR导线相比具有显著的低弛度特性，在高温条件下弧垂不到钢芯铝绞线的1/2，能有效减少架空线的绝缘空间走廊，提高了导线运行的安全性和可靠性。 4.重量轻10-20%。碳纤维复合芯导线的比重约为钢的1/4，在相同的外径下,A CCC的铝截面积为常规ACSR导线的1.29倍。ACCC导线单位长度重量比常规AC SR导线轻10-20%，显示了ACCC导线重量轻的优点。 5、耐腐蚀，使用寿命高于普通导线的2倍。碳纤维复合材料与环境亲和，同时避免了导体在通电时铝线与镀锌钢线之间的电化腐蚀问题，有效地延缓导线的老化，使用寿命高于普通导线的2倍。 6、同样容量线路投资成本低于普通导线。由于ACCC碳纤维复合导线倍容量运行，而且抗拉强度高、弛度小、重量轻等特点，可使杆、塔之间的跨距增大，高度降低，同样容量线路成本比普通导线低。 7、节约一半铝材的消耗。按每年电力电路200万吨铝用量计算，能节约铝材近100万吨。从保护环境、改善人类生态环境方面来说，具有划时代的意义

碳纤维及其复合材料的发展及应用_上官倩芡

第37卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.37,N o.3 2008年6月J ou rnal of ShanghaiNor m alUn i versity(Natural S ci en ces)2008,J un 碳纤维及其复合材料的发展及应用 上官倩芡,蔡泖华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘要:叙述了碳纤维的结构形态、分类以及在力学、物理、化学方面的性能,介绍了碳纤维增强复合材料的特性,着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择和应用,指出了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势. 关键词:碳纤维;复合材料 中图分类号:O636文献标识码:A文章编号:1000-5137(2008)03-0275-05 碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、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.此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1~3].碳纤维既可用作结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用.因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速.本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍. 1碳纤维特性、结构及分类 碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000e以上的高温下碳化形成,且含碳量在90%以上的高性能纤维材料.碳纤维主要具备以下特性:1密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5~2g/c m3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;o强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复为100%;?热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂;?摩擦系数小,并具有润滑性;?导电性好,25e时高模量碳纤维的比电阻为775L8/c m,高强度碳纤维则为1500L8/c m;?耐高温和低温性好,在3000e非氧化气氛下不熔化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;?耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀[4~7].除此之外,碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性. 碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向.用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构[8],如图1所示.构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面.在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为0.1421n m;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360~0.3440n m之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边缘参差不齐.处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同.层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性 收稿日期:2008-01-04 基金项目:上海市教委科研基金项目(06D Z034). 作者简介:上官倩芡(1974-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.

碳纤维复合材料结构设计要点

强度与刚度 既然是结构部件，那么设计者首先要考虑的是强度和刚度。部件在外力载荷的作用下，有抵 抗变形与破坏的能力，但是这个能力又是有限度的。 如何4定部件的使用载荷，不会超出部件的能力极限，是通过材料力学计算得出。而部件的 这个能力极限，就是碳纤维复合材料结构设计者需要考虑的问题。 通过合理的搭配纤维和树脂，优化纤维排布，用最少的材料，满足设计需求，体现了复合材 料设计者精湛的技巧。不过决定复合材料强度与刚度的因素，不但与纤维和树脂的种类有关，还与碳纤维的铺层方向以及层与层之间结合搭配有关。 所以，设计者在设计碳纤维复合材料结构部件时，需要考虑三个层级结构的力学性能。 由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各 相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能。 由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的 厚度、铺设方向、铺层序列) 。 最顶层结构是指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结 构几何。 稳定性 除了强度与刚度要求，设计者还需考虑复合材料部件的失稳，尤其是对一些细长杆结构，在 受压时，应该能够保证其原有的直线平衡状态。对于一些框架结构部件，如果铺层不均匀， 也会产生翘曲失稳，所以在制造过程中尤其注意。最好采用对称铺层，以防变形不均匀。 一般情况下，在部件没有达到极限载荷之下，不允许产生失稳现象。但是如果对于一些特殊 要求，可以产生失稳现象，那么设计过程中，要考虑失稳过程不会因此影响极限载荷。 铺层结构 铺层结构是碳纤维复合材料结构设计的关键，如何把单层结构的优异性能传递到复合材料结 构部件上，铺层结构起到承上启下的作用。关于复合材料铺层应注意以下几点： 1. 树脂是碳纤维复合材料力学性能的短板，所以尽量避免将载荷直接加到层间或者树脂之间。也就是说，0°、±45°、90°的纤维都要有，否则载荷会将部件从没有纤维排布的方向撕裂。 2. 为了防止层合板边缘开裂，尽量避免重复单一方向的铺层，设计时最多不超过5层。 3. 为了防止最外层铺层的剥离，在部件的主载荷方向，应铺放±45°纤维，而不能铺放0°和90°纤维。另外，避免最外层铺层间断或不完整。 4. 若使用非对称铺层，每层因同方向上热膨胀系数不同会出现翘曲，因此，一般要采用对称 铺层。 5. 当增加补强铺层时，每层阶梯最少要3.8- 6.4mm，附加铺层也应尽量采用对称铺层。

碳纤维增强复合材料概述

碳纤维增强复合材料概述 摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituent materials），它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8 μm 内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、

碳纤维复合材料

碳纤维复合材料 碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料。 碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。 (1)密度低(1.7g/cm3左右)在承受高温的结构中，它是最轻的材料;高温的强度好，在2200oC时可保留室温强度;有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性;而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现"假塑性效应"即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。 (2)热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。 (3)耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。 复合原理它以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。 复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。 碳纤维增强尼龙的特色 碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特色，与玻璃纤维比较，模量高3?5倍，因而是一种取得高刚性和高强度尼龙资料的优秀增强资料。碳纤维复合资料可分为长（接连）纤维增强和短纤维增强两大类。纤维长度可从300~400m 到几个毫米不等。曩昔10年中，大家在改善不一样品种的碳纤维复合资料加工办法和功能方面投入了许多的研讨。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型，在碳纤维复合资料及制品制造方面积累了许多成功的经历。当前普遍认为，长（接连）纤维有高强、高韧方面的优越性，短切纤维有加工性好的特色。因而，长碳纤维复合资料在加工上完善成型技术、短碳纤维复合资料进一步进步力学功能是碳纤维复合资料开展的方向。 依据碳纤维长度、外表处理方式及用量的不一样，还能够制备归纳功能优秀、导电功能各异的导电资料，如抗静电资料、电磁屏蔽资料、面状发热体资料、电极资料等。碳纤维增

碳纤维复合材料

碳纤维的研究现状与发展 摘要：碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，分子结构界于石墨和金刚石之间，含碳体积分数随品种而异，一般在0.9以上。 关键词：碳纤维复合材料性能与应用 正文 一、碳纤维的性能 1.1分类 根据原丝类型分类可分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基和粘胶基3种碳纤维，将原丝纤维加热至高温后除杂获得。目前，PAN碳纤维市场用量最大；按力学性能可分为高模量、超高模量、高强度和超高强度4种碳纤维；按用途可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维，其中小丝束初期以1K、3K、6K（1K为1000根长丝）为主，逐渐发展为12K和24K，大丝束为48K以上，包括60K、120K、360K和480K等。 1.2性能 碳纤维的主要性能：(1)密度小、质量轻，密度为1.5～2克/立方厘米，相当于钢密度的l/4、铝合金密度的1/2；(2)强度、弹性模量高，其强度比钢大 4-5倍，弹性回复l00%；(3)具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂；(4)导电性好，25。C时高模量纤维为775μΩ/cm，高强度纤维为1500μΩ/cm；(5)耐高温和低温性好，在3000。C非氧化气氛下不融化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，也不脆化；(6)耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。

通常，碳纤维不单独使用，而与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料，该复合材料也具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质，已在现代工业领域得到了广泛应用。 1.3应用领域 由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性，因此被广泛应用于土木建筑、航空航天、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域。此外，碳纤维在电子通信、石油开采、基础设施等领域也有着广泛的应用，主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极，在生化防护、除臭氧、食品等领域种也有出色的表现。碳纤维复合材料片。碳纤维复合材料片是采用常温固化的热固性树脂（通常是环氧树脂）将定向排列的碳纤维束粘结起来制成的薄片。把这种薄片按照设计要求，贴在结构物被加固的部位，充分发挥碳纤维的高拉伸模量和高拉伸强度的作用，来修补加固钢筋混凝土结构物。日本、美国、英国将该材料用于加固震后受损的钢筋混凝土桥板，增强石油平台壁及耐冲击性能的许多工程上，获得了突破性进展。碳纤维复合材料片具有轻质（比重是铁的1/4～1/5），拉伸模量比钢高10倍以上，耐腐蚀性能优异，可以手糊，工艺性好等优点。因此，碳纤维复合材料片在修补加固已劣化的钢筋混凝土结构物（约束裂纹发展、防止混凝土削落）和提高结构物耐力以及对用旧标准设计建成的钢筋混凝土结构物的补强、加固应用将越来越多。 二、生产工艺 通常用有机物的炭化来制取碳纤维，即聚合预氧化、炭化原料单体—原丝—预氧化丝—碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝，其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料，干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法。 2.1干喷湿纺法 干喷湿纺法即干湿法，是指纺丝液经喷丝孔喷出后，先经过空气层(亦叫干段)，再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条，纺出的纤维体密度较高，

《碳纤维复合材料》阅读练习及答案

阅读文章，回答问题。 碳纤维复合材料 ①2018年11月6日，两年一度的珠海航展上，中俄合作研制的280座远程宽体客机CR929，以1：1的展示样机首次亮相国际航展。在这款最新一代的大型飞机上，复合材料的使用比例有望．．超过50%。同样，在去年5月5日首飞的C919大客机上，使用的复合材料占到飞机结构重量的12%。这里的复合材料，主要就是碳纤维复合材料。 ②碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必 不可少的战略基础材料。它不存在腐蚀生锈的问题。由于使用碳纤维材料可以大幅降低结构重量，因而可显著提高燃料效率。采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的卫星、火箭等宇宙飞行器，噪音小，质 量小，动力消耗少，可节约大量燃料。 ③碳纤维还是让大型民用飞机、汽车、高速列车等现代交通工具 实现“轻量化”的完美材料。航空应用中对碳纤维的需求正在不断增多，新一代大型民用客机空客A380和波音787使用了约为50%的碳纤维复合材料。这使飞机机体的结构重量减轻了20%，比同类飞机可节省20%的燃油，从而大幅降低了运行成本、减少二氧化碳排放。碳 纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻、强度大。它的重量仅相当 于钢材的20%到30%，硬度却是钢材的10倍以上。所以汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化取得突破性进展，并带来节省能源的社会效益。 ④随着航空航天、汽车轻量化、风电、轨道交通等行业领域对碳

纤维的需求爆发，碳纤维工业应用开始进入规模化生产。业内预测， 预计到2020年，全球碳纤维需求量将超过16万吨，到2025年，将超过33万吨。面对如此巨大而重要的市场，国内企业既要通过掌握 关键技术来实现碳纤维的稳定批量生产和大规模工程化应用，同时也要瞄准国产新一代碳纤维及其复合材料及早研发和布局，2016年2月15日，中国突破日本管制封锁研制出高性能碳纤维。2018年2月，中国完全自主研发出第一条百吨级T1000碳纤维生产线，这标志着我国已经牢牢站稳全球高端碳纤维市场的一席之地。 101．阅读选文第①段和第③段，回答问题。 （1）选文第①段加点词“有望”能删去？请说出理由。 （2）选文第③段画线句运用了哪些说明方法？有何作用？ 102．随着科学技术的发展，请你设想一下生活中将会有哪些碳纤维 复合材料的产品。 【答案】 101．（1）不能删去，“有望”是有希望的意思，说明“在这款最新 一代的大型飞机上，复合材料的使用比例”未来有希望超过“50%”，该词体现了说明文语言的准确性和科学性。 （2）列数字、作比较，具体准确地说明了碳纤维作为汽车材料，最 大的优点是质量轻、强度大。 102．碳纤维复合材料制成的羽毛球拍、登山器械等体育休闲用品； 汽车、地铁等交通工具；以及碳纤维复合材料制成的衣服、家具等日

碳纤维复合材料芯导线规模化应用工程 复合材料芯软铝型线绞线及配套金具-技术规范通用部分-16.09.07

国家电网公司集中规模招标采购 碳纤维复合材料芯导线规模化应用工程复合材料芯软铝型线绞线及配套金具 招标文件 (技术规范通用部分) 国家电网公司 二〇一六年九月

1总则 1.1一般规定 1.1.1投标人应具备招标公告所要求的资质，具体资质要求详见招标文件的商务部分。 1.1.2投标人须仔细阅读包括本技术规范（通用部分和专用部分）在内的招标文件阐述的全部条款。投标人提供的复合材料芯软铝型线绞线（以下简称导线）及其配套金具应符合招标文件所规定的要求。 1.1.3本技术规范提出了对导线及其配套金具的技术上的规范和说明。 1.1.4本技术规范提出的是最低限度的技术要求，并未对一切技术细节作出规定，也未充分引述有关标准和规范的条文，投标人应提供符合本技术规范引用标准的最新版本和本技术规范要求的全新产品，如果所引用的标准之间不一致或本技术规范所使用的标准与投标人所执行的标准不一致时，按要求较高的标准执行。 1.1.5如果投标人没有以书面形式对本技术规范的条文提出差异，则意味着投标人提供的产品完全符合本技术规范的要求。如有与本技术规范要求不一致的地方，必须逐项在投标人技术偏差表中列出。 1.1.6本技术规范将作为订货合同的附件，与合同具有同等的法律效力。本技术规范未尽事宜，由合同签约双方在合同谈判时协商确定。 1.1.7本技术规范中涉及有关商务方面的内容，如与招标文件的商务部分有矛盾时，以商务部分为准。 1.1.8本技术规范通用部分各条款如与技术规范专用部分有冲突，以专用部分为准。 1.2投标人应提供的资格文件 投标人应按下列内容和顺序提供详实的文件。投标人应保证所提交文件的真实性。 1.2.1 投标人应提供所投产品制造所依据的技术规范和工艺标准。 1.2.2 除以上内容外，投标人应对本技术规范书要求的其他内容明确应答或明确承诺。如果需要的话，投标人应免费提交招标人要求的供合理评标用的补充数据和资料。 1.2.3 投标人应提供有效期为5年（指试验报告出具日期至开标日小于或等于5年）的复合材料芯软铝型线绞线型式试验报告。型式试验报告的导线截面不小于所招标导线截面（型式试验报告中的复合材料芯棒厂家与本次投标的复合材料芯棒供应商应一致，大截面可代替小截面、高耐热等级可代替低耐热等级、高强度级别可代替低强度级别）。投标时应提供配套金具的制造商名称。 1.2.4投标人应承诺在供货前提供所招标导线型号规格一致的有效期为3年（指试验报告出具日期至开标日小于或等于3年）的导线、耐张线夹、接续管制造单位型式试验报告,。投标人应在供货前提供有效期为5年（指试验报告出具日期至开标日小于或等于5年）的悬垂线夹、间隔棒、防振锤、连接金具等配套金具制造单位的有效型式试验报告。耐张线夹、接续管、悬垂线夹、间隔棒、防振锤、连接金具等配套金具允许外购外协。 （a）复合材料芯软铝型线绞线型式试验包括绞线试验、芯棒试验和软铝型线试验。 绞线试验项目包括：常温拉断力、高温拉断力、应力-应变试验、线膨胀系数、弧垂-温度、常温蠕变、高温蠕变、过滑轮、振动疲劳、20℃直流电阻、截面积、外径、线密度、载流量、表面质量、节径比和绞向、平整度、紧密度、电晕及无线电干扰试验。 芯棒试验包括：外观、直径公差及f值、抗拉强度、线膨胀系数、密度、卷绕、扭转、固化度、径向耐压试验、玻璃化转变温度Tg、高温抗拉强度、弹性模量、耐荧光紫外老化、盐雾试验、玻纤层厚度。 铝单线试验项目包括：外观、尺寸偏差、机械性能、电性能。 （b）耐张线夹及接续管型式试验。

碳纤维增强复合材料概述(精编文档).doc

【最新整理，下载后即可编辑】 碳纤维增强复合材料概述 摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituent materials），它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之

间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8 μm 内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、氧等元素得以排出，成为一种接近纯碳的材料，含碳量一般都在90%以上，而本身质量却大为减轻；由于碳化过程中对纤维进行了沿轴向的预拉伸处理，使得分子沿轴向进行取向排列，因而碳纤维轴向拉伸强度大大提高，成为一种轻质、高强度、高模量、化学性能稳定的高性能纤维材料。用碳纤维和高性能的树脂基体复合而成的先进树脂基复合材料是目前用得最多，也是最重要的一种结构复合材料。此外，用天然纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维作增强体的树脂基复合材料也在快速发展。 碳纤维增强复合材料( CFRP) 是目前最先进的复合材料之一。它可以兼顾碳纤维和基体的性能而成为综合性能更为优异的工程结构材料和具有特殊性能的功能材料。它以其轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用林德春潘鼎高健陈尚开 （上海市复合材料学会）（东华大学）（连云港鹰游纺机集团公司） 碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性,纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。 可以明显看出，在航空航天领域碳纤维的用量有大幅度增加，2006年比2001年增长约40%，2008年增长约76%，2010年和2001年相比增长超过100%。 本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天领域应用的新进展。 1 航空领域应用的新进展 T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的 为拉伸强度达到5.5GPa，断裂应变高出T300 碳纤维的30％的高强度中模量碳纤维T800H 纤维。 （1）军品 碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材。 美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料：F-22的结构重量系数为27.8%，先进复合材料的用量已达到25%以上，军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人

碳纤维复合芯导线

1、前言 现代经济的飞速发展加速了电力工业的发展，也大大推动了输电线路的技术进步。架空输电导线作为输送电力的载体，在输电线路中占有极为重要的地位。为了安全可靠地多送电，各国有关科技工作者一直不断努力地寻求架空输电线路用导线，以取代各种传统的导线。长期以来，传统的架空输电导线主要使用钢芯铝绞线，为了提高防腐性能，开发了铝包钢芯铝绞线等。为了提高强度，开发了钢芯铝合金绞线，全铝合金绞线，铝包钢芯铝合金绞线等，为了提高导线的耐热性能和输送容量，开发了各种耐热铝合金导线；为了降低导线弛度，开发了用殷钢芯代替普通钢芯的低弛度导线等。 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。随着材料科学的不断进步，在上世纪90年代，人们尝试用碳纤维复合材料代替金属材料来制作导线的芯材，并取得了一定的成果，已开发出几种复合材料合成芯导线。 这种新型复合材料合成芯导线充分发挥了有机复合材料的特长，与现有各种架空导线相比，具有重量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、线损低、弛度低等优点。可以说，新型复合材料合成型导线是一种全新概念的架空输电线路用导线，它实现了电力传输的节能、环保与安全。 2、国际复合材料芯电缆产业现状及发展趋势 目前国际上在已取得一定成果的碳纤维复合材料芯导线中，日本的碳纤维芯铝绞线和美国的碳纤维和玻璃纤维混合芯铝绞线较为典型。其中日本一家碳纤维导线企业的产量就占到世界40%左右 日本是开发架空线路特种导线品种较多的国家。在新型复合合成芯导线方面，最早是作为一种改进型低弛度导线而提出的；而实际上新型复合材料合成芯导线的优点，远止低弛度一个方面。在架空输电线路中，由于周边环境的变化，有时会发生输电导线与线下被跨越物之间电气隔离距离不够的情况。为了确保隔离距离，通常需要迁移铁塔、改建或改造铁塔。但是，由于用地的制约以及铁塔造价等原因，解决电气隔离距离不够问题最好的办法是更换导线。早在20世纪70年代，在城网改造中，为了增加输电容量，对于架空送电旧线路导线对地距离和相间距离不够的问题，根据殷钢的线膨胀系数比普通钢小得多的特点，用殷钢芯代替普通钢芯，开发了作为低弛度导线的殷钢芯铝绞线。由于这种导线的结构与通常的钢芯铝绞线相同，原来的绝缘子和金具均可以照旧使用，施工工具也可以照旧使用，它能在于铁塔不变的情况下，仅更换导线就行。到了20世纪90年代，日本学者研究用碳纤维芯代替钢芯，开发出了一种新型复合材料合成芯导线，即碳纤维芯铝绞线。这种导线与通常的钢芯铝绞线具有相同的外径和强度，架线施工中不需要特殊的机具和方法。在这种导线中，通常的钢芯铝绞线的钢芯被用碳纤维制成的复合材料芯线所代替，这是一种重量轻、线膨胀系数小，具有良好弛度特性的

碳纤维及其复合材料的发展和应用(精)

·开发与创新· Development and Applications of Carbon Fiber and Its Composites GAO Bo ,XU Zi-Li (Wuhan Textile University ,Wuhan Hubei 430073,China Abstract:This paper introduces performance and features of carbon fiber,briefly overviews the history,including both foreign and domestic.And analyses the properties and applications of carbon fiber composite material,emphasizes the related performance that carbon fiber adds to the metal matrix composites and points out its research prospects.Key words:carbon fiber ;composite ;metal matrix 0引言 碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,是由有机母体纤维(聚丙烯睛、粘胶丝或沥青等采用高温分解法在1000~3000℃高温的惰性气体下碳化制成的。它是一种力学性能优异的新材料,比重不到钢的1/4,能像铜那样导电,比不锈钢还耐腐蚀,而其复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa 以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa ,也高于钢。碳纤维按其原料可分为三类:聚丙烯腈基(PAN 碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维三类。其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广,需求也最大[1]。 1碳纤维的发展史 1.1国外碳纤维的发展历史 20世纪50年代美国开始研究粘胶基碳纤维,1959 年生产出了粘胶基纤维Thormel-25,这是最早的碳纤维产品。同一年,日本发明了用聚丙烯腈基(PAN 原丝

碳纤维制备工艺简介资料

碳纤维制备工艺简介资料． 碳纤维制备工艺简介 碳纤维(Carbon Fibre)是纤维状的碳材料，及其化学组成中碳元素占总质量的90%以上。碳纤维及其复合材料具有高比强度，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，它们既可以作为结构材料承载负荷，又可以作为功能材料发挥作用。因此，碳纤维及其复合材料近年来发展十分迅速。

一、碳纤维生产工艺 可以用来制取碳纤维的原料有许多种，按它的来源主要分为两大类，一类是人造纤维，如粘胶丝，人造棉，木质素纤维等，另一类是合成纤维，它们是从石油等自然资源中提纯出来的原料，再经过处理后纺成丝的，如腈纶纤维，沥青纤维，聚丙烯腈(PAN)纤维等。 经过多年的发展，目前只有粘胶(纤维素)基纤维、沥青纤维和聚丙烯腈(PAN)纤维三种原料制备碳纤维工艺实现了工业化。 1，粘胶(纤维素)基碳纤维 用粘胶基碳纤维增强的耐烧蚀材料，可以制造火箭、导弹和航天飞机的鼻锥及头部的大面积烧蚀屏蔽材料、固体发动机喷管等，是解决宇航和导弹技术的关键材料。粘胶基碳纤维还可做飞机刹车片、汽车刹车片、放射性同位素能源盒，也可增强树脂做耐腐蚀泵体、叶片、管道、容器、催化剂骨架材料、导电线材及面发热体、密封材料以及医用吸附材料等。

虽然它是最早用于制取碳纤维的原丝，但由于粘胶纤维的理论总碳量仅44.5%，实际制造过程热解反应中，往往会因裂解不当，生成左旋葡萄糖等裂解产物而实际碳收率仅为30% 以下。所以粘胶(纤维素)基碳纤维的制备成本比较高，目前其产量已不足世界纤维总量的1％。但它作为航空飞行器中耐烧蚀材料有其独特的优点，由于含碱金属、碱土金属离子少，飞行过程中燃烧时产生的钠光弱，雷达不易发现，所以在军事工业方面还保留少量的生产。 2，沥青基碳纤维 1965年，日本群马大学的大谷杉郎研制成功了沥青基碳纤维。从此，沥青成为生产碳纤维的新原料，是目前碳纤维领域中仅次于PAN基的第二大原料路线。大谷杉郎开始用聚氯乙稀(PVC)在惰性气体保护下加热到400℃，然后将所制PVC 沥青进行熔融纺丝，之后在空气中加热到260℃进行不熔化处理，即预氧化，再经炭化等一系列后处理得到沥青基碳纤维。 目前，熔纺沥青多用煤焦油沥青、石油沥青或合成沥青。1970年，日本吴羽化学工业公司生产的通用级沥青基碳纤维上市，至今该公司仍在规模化生产。1975年，美国联合碳化物公司(Union Carbide Corporation)开始生产高性能中间相沥青基碳纤维“Thornel-P”,年产量237t。我国鞍山东亚精细化工有限公司于20世纪90年代初从美国阿石兰石油公司引进年产200t通用级沥青基碳纤维生产线，1995年已投产，同时还引进了年产45t活性碳纤维的生产装置。 3，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维 PAN基碳纤维的炭化收率比粘胶纤维高，可达45％以上，而且因为生产流程，溶剂回收，三废处理等方面都比粘胶纤维简单，成本低，原料来源丰富，加上聚丙烯腈基碳纤维的力学性能，尤其是抗拉强度，抗拉模量等为三种碳纤维之首。所以是目前应用领域最广，产量也最大的一种碳纤维。PAN基碳纤维生产的流程图如图1所示。

碳 纤 维 复 合 材 料

江苏大学 碳 纤 维 复 合 材 料 学院：京江学院 姓名：赵京阳 班级：J高分子1101 学号：4111126015

碳纤维复合材料简介 摘要：人类发展的历史和材料发展的历史息息相关研究人类历史可以清楚地看到，人类历史上各方面的进步与新材料的创造、出现和应用是分不开的。本文今天来简要介绍一下碳纤维复合材料，包括它的原料、工艺、过度产品及各方面的应用。碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。不仅强度高，密度小，并且具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高位等优异性能，是一种很有发展前景的高性能纤。这些优异的性能使得人们对它的重视到了一个很高的高度。那么接下来我就来介绍一下有关碳纤维复合材料在各方面的的一些知识。 一、碳纤维复合材料发展史 碳纤维复合材料的发展史应包含碳纤维的发展史何其复合材料应用史。碳纤维是碳材料的一种新形式。我们已经知道碳材料结构由四种类型，一是无定形碳、而是石墨、三是金刚石、四是白碳。碳纤维含碳99%以上，主要是石墨和无定形碳，纤维形状是一种新的应用形式。1880年人类制造了第一批电灯泡，那是电灯泡的灯丝就是当时人类研制的第一批碳纤维，直到1901年发明钨丝后才不用它做灯丝了。到1950年美国空军材料研究所由于军工的需求，加紧对碳纤维研究，1959年由联合碳化合物公司实现了高强碳纤维的生产工艺。与此同时，1962年日本旭炭公司在远藤教授研究的基础上实现以聚丙腈纤维为原料，经过预氧化（不熔化）、1300℃以上高温炭化而得到有实用价值的通用碳纤维的工业生产线。1970年以后东丽公司、东邦公司相继参加聚丙烯腈基碳纤维的生产开发，形成2吨╱年的规模。1978年产量达1000t。20世纪80年代后期批量生产的M30、M60、T1000等石墨化程度更高的碳纤维。随后碳纤维在全世界需求量随年逐增 中国碳纤维的发展 我国从1968年开始研究碳纤维，很快研究出碳纤维1#，相当于T200的水平，1976年建成中试线，那是与日本东丽公司的差距为5年。后来碳纤维2#的研究久攻不下。差距已拉大20多年，无竞争可言。同时由于发达国家对我国几十年的技术封锁，至今没能实现大规模工业化生产，工业及民用领域的需求长时间依赖进口，严重影响了我国高技术的发展，尤其制约了航天及国防军工事业的发展，与我国经济社会发展的进程极不相称。所以，研究生产高性能、高质量的碳纤维，以满足军工和民用产品的需求，扭转大量口的局面，是当前我国碳纤维工业发展的迫切任务。 国外碳纤维的发展 1959年日本发明了用聚丙烯腈原丝生产碳纤维的方法。1962年，日本东丽公司开始生产，之后又积极研制用于生产碳纤维的专用优质原丝，并于1967年成功生产T300PAN-CF。同时，英国皇家航空研究所，对PAN纤维生产技术进行技术改进，随后英国考陶尔公司利用这项技术开始生产高强度、高模量PAN 基碳纤维。1969年，日本东丽公司研究成功特殊的单体共聚PAN基碳纤维，结合美国、法国、德国也都引进或开发了PAN原丝基碳纤维的生产。原苏联开始主要研究以人丝为原料制造碳纤维，后转向PAN基碳纤维。另外印度、南斯拉夫、以色列、韩国也在以PAN原丝制取碳纤维方面开展了大量的研制工作。日本东丽公司的碳纤维研发与生产一直处于世界领先水平。