碳纤维生产技术路线及应用领域
按原料体系的不同,碳纤维主要分为:黏胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维。
一、黏胶基碳纤维
黏胶基碳纤维主要用于耐烧蚀材料和隔热材料,目前, 黏胶基碳纤维仍占据着其他碳纤维不可取代的地位,是重要的战略物资。在民用市场方面,利用其柔软与导电性制作电热产品,利用其孔隙结构发达和容易调控的特性制造活性碳纤维系列制品,是良好的环保材料和医用卫生材料。
黏胶基碳纤维的产量不足世界碳纤维总产量的1%,它虽然不会有大的发展,但也不会被彻底淘汰出局。
二、聚丙烯腈基碳纤维
聚丙烯腈基碳纤维是目前的主流,占据了主要的市场费额:
1、瓦特的技术突破打通了制造高性能碳纤维的通道;
2、PAN原丝质量是制造高性能碳纤维的前提;
3、一条龙生产线得到发展,
世界上几条著名的PAN基碳纤维生产线大多是从原丝开始,直到碳纤维以及中、下游产品开发。例如:日本东丽、东邦、三菱人造丝公司,美国的赫克利公司和阿莫科公司,以及中国台湾地区的台塑都是从聚合、纺丝开始,国外原丝主要生产工艺路线见下表:
研制单位 |
溶剂 |
工艺路线 |
纺丝方法 |
日本东丽 日本东邦 美国BASF 日本三菱人造丝 |
二甲基亚砜 氯化锌水溶液 二甲基乙酰胺 二甲基甲酰胺 |
一步法 一步法 二步法 一步法 |
湿纺 湿纺 熔纺 湿纺 湿纺 |
日本爱克纶 英国考特尔兹 日本旭化成 |
NaSCN 二甲基甲酰胺 NaSCN 二甲基压砜 |
二步法 二步法 一步法 二步法 |
湿纺 湿纺 湿纺 干喷湿纺 |
当前,PAN基碳纤维向两个方面发展:一是提高,二是普及。提高是指小丝束碳纤维(1~24K)的质量提高,普及是指大丝束碳纤维(48~540K)的产量大幅度增加,价格日趋下降。
三、沥青基碳纤维
1965年,日本群马大学的大谷衫郎研制沥青基碳纤维获得成功,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。
四、碳纤维和深加工制品及其应用概况
碳 纤 维 长 丝 |
预浸料 |
单项预浸料(无纬布) |
双向预浸料(带、布) |
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束丝预浸料 |
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织物 |
二维织物 |
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三维织物 |
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多维织物 |
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短切纤维 |
碳纤维纸 |
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粒料 |
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微纤(研磨) |
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镀、喷金属 |
各种浸渍物 |
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短切复合纤维 |
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包覆塑料 |
导线 |
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电缆 |
五、碳纤维及其复合材料的应用领域(一)
类别 |
应 用 领 域 |
利用碳纤维的特性 |
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航天航空 |
飞机 |
一次结构材料;主翼、尾翼、机体 二次结构材料;辅翼、方向舵、升降舵 内装饰材料:舵底板、行李架、厕所、座椅 制动刹车盘、刹车片 隐身材料:结构隐身材料 |
轻量化、耐疲劳、耐热性 |
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宇宙飞行器 |
卫星:抛物面天线、太阳能电池梁、壳体结构材料,航天飞机:机翼、头锥、刹车盘 |
耐磨损、导热性 |
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导弹、火箭 |
喷管、发动机罩、防热材料、仪器舱、导弹发射筒 |
轻量化、耐烧蚀、耐热 |
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其他 |
宇宙空间站、卫星发电站、太空望远镜 |
轻量化、尺寸稳定性、耐热 |
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文体器材 |
钓具 网拍类 高尔夫球 其他 |
钓竿、滑轮 网球拍、羽毛球拍 高尔夫球杆、棒头 冰球棒、滑雪板、自行车、赛车、赛艇、游艇、划艇、 水上划艇、弓箭、乒乓球拍、冰球鞋 |
轻量化、刚性、敏感性, 吸能减震性 |
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碳纤维及其复合材料的应用领域(二)
应用领域 |
应 用 实 例 |
利用特性 |
医用器材 |
X衍射仪的床板、头托、密着板、暗合、CT板 假肢、假手、假眼、人造骨、人造关节、人造假牙 人造韧带、肌腱、医疗电极、医疗热袋 |
高比强、高比模、X射线透过性好、生物相容性好 |
新能源 |
分离油用超级离心机转筒、核反映堆第一壁材 发动汽车构件及储能飞轮、风力发动叶片 太阳能发电板、抛物面激光器、太阳能热水器 燃料电池的电极材料、铅电池的栅极、锂电池电极材料 海上油田勘探和开采器材以及平台、油、气储罐及管道 |
高比强、高比模、线膨胀系数小、耐腐蚀、导电减振 |
土木建筑 |
高层建筑的幕墙、绝热板、圆顶建筑的横梁、薄材 自动门地板、防静电地板、采暖地板 增强混凝土,建筑物的结构补强、修补、维修、加固 增强木材复合材料 超长铁路桥、公路桥和人行桥的桥墩、隧道的加固及超强件,基础设施建设、建筑结构材料,碳纤维绳索 |
高比强、高比模、耐腐蚀、导电、加工性好 |
汽车与火车 |
传动轴、片簧、发动机罩、车轮、底盘、保险杆、制动器 压缩天然气罐(CNG)、消声壁(隔音墙) 赛车底盘、气体及制动器 线性发动机牵引机车、超导列车的支撑件、集装箱 高速列车车厢及制动器、转向架构件、自动转动轴 |
高比强、高比模、减振吸能、耐疲劳、耐腐蚀、耐磨损 |
电子电气及仪器 |
电视天线、抛物面天线、非磁性导线、面状发热体 大型电波望远镜、光学仪器、摄象机、半导体支架 计算机和传真机等的电磁屏蔽材料、舰船通讯室设施 拾音臂、扬声器喇叭、滑动班、磁头罩、车器构件 静电消除刷、柔性刷、电刷 |
高比强、高比模、线膨胀系数小、电池屏蔽性好、减振 |
机械 |
纺织机械的框架、箭杆、梭、模具材料 大型造纸机、印刷机的滚筒、导辊(罗拉) 搬运机械的升降机箱、电梯构件、大吊车车壁 空压机轴、离心分离转子 密封填料、压力容器 |
高比强、高比模、尺寸稳定、耐腐蚀、耐磨损、导热 |
其他 |
雨伞、太阳伞的骨架 各种加热器、取暖器 治理河流、湖泊污染的净化材料 |
耐蚀性好、耐候性好、导电性好 |