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碳纖維論文
碳纖維
內(nèi)容提要：從各個(gè)方面介紹碳纖維，了解碳纖維的起源，概念，種類(lèi)，生產(chǎn)，用途，現(xiàn)狀，
需求與前景
關(guān)鍵詞：碳纖維
一 碳纖維的起源碳化
碳纖維起源1860年，英國(guó)人瑟夫. 斯旺將細(xì)長(zhǎng)的繩狀紙片碳化制取碳絲，以此制造電燈的燈絲。大約在1879年，他把綿紗浸入硫酸，焦干處理，然后或?qū)⑾趸w維素從膜孔中擠出成絲，然后再碳化，并獲得專(zhuān)利。
二:碳纖維概念
碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，是一種非金屬材料， 它不屬于有機(jī)纖維范疇，但從成型方它又不同于一般的無(wú)機(jī)纖維。碳纖維性能優(yōu)良，拉伸斷裂強(qiáng)度和初始模量可達(dá)到2~4Gpa和400~700Gpa，質(zhì)強(qiáng)而且很輕，并有耐高溫，耐腐蝕，耐輻射的功能，纖維中含碳量在95%左右的碳纖維和含碳量在99%左右的石墨纖維。
三 碳纖維的種類(lèi)
1. 根據(jù)制備碳纖維的原料：以粘膠纖維為原料的粘膠基碳纖維 以聚丙烯腈纖維為原料的聚丙烯腈基碳纖維 以瀝青為原料的瀝青基碳纖維
以酚醛樹(shù)脂為原料的酚醛樹(shù)脂基碳纖維等
2. 根據(jù)碳纖維的力學(xué)表現(xiàn)：通用碳纖維
高性能碳纖維
3. 根據(jù)碳纖維的功能： 受力結(jié)構(gòu)碳纖維
活性碳纖維
導(dǎo)電碳纖維
耐燃燒纖維
耐磨碳纖維
四 碳纖維的生產(chǎn)
粘膠基碳纖維的生產(chǎn)：生產(chǎn)時(shí)，首先將纖維置于氮等惰性氣體中作低溫（400度以下）穩(wěn)定化處理，進(jìn)行預(yù)氧化，然后在400度以上實(shí)現(xiàn)芳構(gòu)化過(guò)程，獲得石墨類(lèi)結(jié)構(gòu)，從而形成碳纖維和石墨纖維。這樣一個(gè)熱解碳化處理過(guò)程在五個(gè)溫度階段中實(shí)現(xiàn)。
第一階段：升溫至50~150度，排出吸附水。
第二階段：升溫至150~240度，纖維素環(huán)上的羥基將以水的形式脫除。
第三階段：升溫至240~400度，鍵斷裂，生成水，CO,CO2，達(dá)到400度時(shí)，整個(gè)纖
維素破壞，生成C4殘鏈。
第四階段：升溫至400~700度，通過(guò)芳構(gòu)生成碳的六元環(huán)，同時(shí)釋放氫和甲烷等，再
升溫至900~1600度，即生成石墨類(lèi)結(jié)構(gòu)，形成碳纖維。
第五階段：溫度再升高，即形成沿纖維軸取向的亂層石墨成片，在溫度升高至2200~2800度的石墨化溫度時(shí)，形成石墨纖維，利用塑性拉伸，可使纖維的拉伸強(qiáng)度和初始模量大幅度提高。
五 碳纖維的用途
1. 宇航工業(yè)：用作導(dǎo)彈防熱及結(jié)構(gòu)材料如火箭噴管.鼻鉗.大面積防熱層，衛(wèi)星構(gòu)架.
天線.太陽(yáng)能翼片底板.衛(wèi)星-火箭結(jié)合部件，航天飛機(jī)機(jī)頭，機(jī)翼前緣和艙門(mén)等制件，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量構(gòu)架，太陽(yáng)能電池板和無(wú)線電天線。
2. 航空工業(yè)：用作主承力結(jié)構(gòu)材料，如主翼.尾翼和機(jī)體，次承力構(gòu)件，如方向舵.
起落架.副翼.擾流板發(fā)動(dòng)機(jī)艙整流罩及座板等。
3. 交通運(yùn)輸：用作汽車(chē)傳動(dòng)軸.板簧.構(gòu)架和剎車(chē)片等制件，船舶和海洋工程用作制
造漁船.魚(yú)雷快艇和巡邏艇，以及賽艇的詭桿.航桿.殼體及劃水槳，海底電纜.潛水艇.雷達(dá)罩.深海油田的升降器和管道。
4. 運(yùn)動(dòng)器材：用作網(wǎng)球.羽毛球.和壁球拍及桿.棒球.曲棍球和高爾夫球桿.自行車(chē).賽
艇.釣竿.滑雪板.雪車(chē)等。
5. 土木建筑：幕墻.間隔壁板.橋梁.架設(shè)跨度大的管線.海水和水輪結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)筋.地板.
窗框.管道.海洋浮桿.面狀發(fā)熱嵌板.抗震救災(zāi)用補(bǔ)強(qiáng)材料。
六 國(guó)產(chǎn)碳纖維現(xiàn)狀
我國(guó)碳纖維雖然經(jīng)過(guò)一段時(shí)期的發(fā)展，但是與國(guó)外的技術(shù)水平還存在一定的差距和一些在競(jìng)爭(zhēng)中不容忽視的問(wèn)題，主要有以下幾個(gè)方面。
1. 原絲質(zhì)量與國(guó)外比還存在差距。由于國(guó)產(chǎn)碳原絲在生產(chǎn)過(guò)程中大部分采用民用腈綸
原液，雜質(zhì)含量高，造成碳纖維性能不穩(wěn)定，離散系數(shù)較大。
2. 大部分國(guó)產(chǎn)碳纖維未經(jīng)過(guò)表面處理，制成復(fù)合材料層間強(qiáng)度偏低。沒(méi)有經(jīng)過(guò)表面處
理的國(guó)產(chǎn)碳纖維不能用作高性能要求的先進(jìn)復(fù)合材料增強(qiáng)體，也不能在航空.航天等國(guó)防部門(mén)中用來(lái)制作碳纖維論文主承力構(gòu)件。
3. 尚未形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模，價(jià)格太貴，成本組成不合理。國(guó)產(chǎn)碳纖維目前售價(jià)太高，遠(yuǎn)比
國(guó)外進(jìn)口的價(jià)格高。我國(guó)碳纖維之所以?xún)r(jià)格昂貴，有很多不合理因素，如成本結(jié)構(gòu)存在問(wèn)題，據(jù)我國(guó)某碳纖維廠對(duì)碳纖維成本的粗略統(tǒng)計(jì)，原絲費(fèi)用約占碳纖維成本的25%，而車(chē)間費(fèi)用約占碳纖維成本的44%。
4. 品種單一.規(guī)格單一，碳纖維來(lái)源大部分依賴(lài)于進(jìn)口。根據(jù)不同行業(yè).不同產(chǎn)品.不同零
部件的不同需求，希望能采用不同類(lèi)別.不同品種.不同規(guī)格的碳纖維，還希望有供能使用的碳纖維，而我國(guó)目前碳纖維只有相當(dāng)于T-300的一個(gè)品種。
七 碳纖維的需求
2005-2008年間，全球用于碳纖維產(chǎn)能的投資已突破8億美元。生產(chǎn)能力從3.3萬(wàn)t
上升到5.7萬(wàn)t，預(yù)計(jì)2015年有望達(dá)到7011萬(wàn)t。從1997-2007年，全球碳纖維產(chǎn)業(yè)以每年8%的速率增長(zhǎng)。目前，碳纖維國(guó)際市場(chǎng)的價(jià)格已在2004年的基礎(chǔ)上上升了65%左右。
結(jié)語(yǔ)：碳纖維是二十一世紀(jì)的新興功能性纖維，其獨(dú)特的纖維特性和先進(jìn)的生產(chǎn)方法決定了碳纖維產(chǎn)品在航空航天.土木建筑.體育醫(yī)療.電子通信等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。我們應(yīng)不斷開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，提高我國(guó)碳纖維產(chǎn)品在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力。相信在不久的將來(lái)，碳纖維將會(huì)走進(jìn)尋常百姓家，也將在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
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