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碳纖維復合材料的發展和應用
發布時間:2016-12-10 16:00 | 瀏覽次數:


  一、碳纖維復合材料的發展和戰略地位

碳纖維的出現是材料史上的一次革命。碳纖維是目前世界首選的高性能材料,具有高強度、高模量、耐高溫、抗疲勞、導電、質輕、易加工等多種優異性能,正逐步征服和取代傳統材料。現已廣泛應用于航天、航空和軍事領域。世界各國均把發展高性能碳纖維產業放在極其重要的位置。碳纖維除了在軍事領域上的重要應用外,在民品的發展上有著更加廣闊的空間,并已經開始深入到國計民生的各個領域。在機械電子、建筑材料、文體、化工、醫療等各個領域碳纖維有著無可比擬的應用優勢。

碳纖維是50年代初應火箭、宇航及航空等尖端科學技術的需要而產生的。80年代期,高性能及超高性能的碳纖維相繼出現,這在技術上是又一次飛躍,同時也標志著碳纖維的研究和生產已進入一個高級階段。經過二十多年的發展,碳纖維及其復合材料已從初創期轉入增長發展期,其工業地位已基本確立,美、日、英、法、德等國的碳纖維產量已經占世界產量的絕大部分,并已逐步形成壟斷優勢。

我國對碳纖維的研究由于起步較晚,技術力量薄弱,雖然碳纖維及其復合材料在我國已被納入國家“863”和“973”計劃,但總體情況不盡理想,我國仍不具備成熟的碳纖維工業化生產技術,國防和民用碳纖維產品基本依賴進口。

碳纖維復合材料

二、碳纖維復合材料的性能和用途

碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維,是由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維經熱穩定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。其含碳量隨種類不同而異,一般90以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性,如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等,但與一般碳素材料不同的是,其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工性好,沿纖維軸方向表現出很高的度,且碳纖維比重小。

1、碳纖維的化學性能

碳纖維是一種纖維狀的碳素材料。我們知道碳素材料是化學性能穩定性極好的物質之一。這是歷史上最早就被人類認識的碳素材料的特征之一。除強氧化性酸等特殊物質外,在常溫常壓附近,幾乎為化學惰性。可以認為在普通的工作溫度≤250℃環境下使用,很難觀察到碳纖維發生化學變化。根據有關資料介紹,從碳素材料的化學性質分析,在≤250℃環境下,碳素材料既沒有明顯的氧化發生,也沒有生成碳化物和層間化合物生成。由于碳素材料具有氣孔結構,因此氣孔率高達25%左右,在加熱過程易產生吸附氣體脫氣情況,這樣的過程更有利于我們穩定電氣性能和在電熱領域的應用。

2、碳纖維的物理性能

(a)熱學性質:碳素材料因石墨晶體的高度各向異性,而不同于一般固體物質與溫度的依存性,從工業的應用角度來看,碳素材料比熱大體上是恒定的。幾乎不隨石墨化度和碳素材料的種類而化

(b)導熱性質:碳素材料熱傳導機理并不依賴于電子,而是依靠晶格振動導熱,因此,不符合金屬所遵循的維德曼—夫蘭茲定律。根據有關資料介紹,普通的碳素材料導熱系數極高,平行于晶粒方向的導熱系數可與黃銅媲美。

(c)電學性質:碳素材料電學性質主要與石墨晶體的電子行為和不同的處理溫度有關,石墨的電子能帶結構和載流子的種類及其擴散機理決定了上述性質。碳素材料這類電學性質具有本征半導體所具備的特征,電阻率變化主要與載流子的數量變化有關。

3、碳纖維的主要用途

與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合,做成結構材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料,其比強度、比模量綜合指標,在現有結構材料中是最高的。在剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域,在要求高溫、化學穩定性高的場合,碳纖維復合材料都頗具優勢。

由碳纖維和環氧樹脂結合而成的復合材料,由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料。

最神奇的應用是采用長碳纖維制成的“納米繩”可以將“太空電梯”由理想變為現實,太空電梯將可以將乘客和各種貨物運送到空間軌道站上,也可以用這種“納米繩”將太空中發射平臺與地面固定在一起,在這樣的發射平臺上發射人造衛星和太空探測器就可以大大降低發射成本。總結碳纖維復合材料的現實應用有以下幾個方面:

(1)宇航工業用作導彈防熱及結構材料如火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層;衛星構架、天線、太陽能翼片底板、衛星-火箭結合部件;航天飛機機頭,機翼前緣和艙門等制件;哈勃太空望遠鏡的測量構架,太陽能電池板和無線電天線。

(2)航空工業用作主承力結構材料,如主翼、尾翼和機體;次承力構件,如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發動機艙、整流罩及座板等,此外還有c/c剎車片。

(3)交通運輸用作汽車傳動軸、板簧、構架和剎車片等制件;船舶和海洋工程用作制造漁船、魚雷快艇、快艇巡邏艇,以及賽艇的桅桿、航桿、殼體及劃水漿;海底電纜、潛水艇、雷達罩、深海油田的升降器和管道。

(4)運動器材用作網球、羽毛球、和壁球拍及桿、棒球、曲棍球和高爾夫球桿、自行車、賽艇、釣桿、滑雪板、雪車等。

(5)土木建筑幕墻、嵌板、間隔壁板、橋梁、架設跨度大的管線、海水和水輪結構的增強筋、地板、窗框、管道、海洋浮桿、面狀發熱嵌板、抗震救災用補強材料。

(6)其它工業化工用的防腐泵、閥、槽、罐;催化劑,吸附劑和密封制品等。生體和醫療器材如人造骨骼、牙齒、韌帶、x光機的床板和膠卷盒。編織機用的劍竿頭和劍竿防靜電刷。其它還有電磁屏蔽、電極度、音響、減磨、儲能及防靜電等材料也已獲得廣泛應用。

三、碳纖維復合材料在電線電纜中的應用

碳纖維以其固有的特性賦予了其復合材料優異的性能,它具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱和熱膨脹系數小等一系列優異性能,從而為其在電線電纜行業中的應用提供了可能和必然。

(一)碳纖維加熱電纜的開發和應用

人們早就知道,以金屬材料為發熱體的電加熱技術已在各個領域得到了廣泛的應用。但是金屬絲在高溫狀態下表面易氧化,由于氧化層不斷的增厚,造成了有效通過電流的面積減小,增大了電流的負荷,因此易燒斷。在相同的允許的電流負荷面積下,金屬絲的強度比碳纖維低6-10倍,在使用過程中易折斷。

碳纖維是一種石墨的六方晶格層狀結構組成,是一種全黑體材料,因此在電熱應用中,表現出來的電熱轉換效率高。在特定的條件下,高溫不氧化,單位面積的電流的負荷強度和機械強度不發生改變。

目前碳纖維加熱電纜的應用如下:

低溫輻射發熱電纜地板采暖系統。

恒溫育雛箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保溫采暖。

道路化雪、機場跑道化雪:用于混凝土結構中樓面加熱的理想產品,也可以用在融雪裝置中,對屋面雨水和排水管進行防霜,還可以用于土壤加熱。

管道、罐體保溫防凍:電伴熱產品近幾年在中國得到了大力的推廣和廣泛的應用。其應用領域主要集中在石油、化工、電力、鐵路和民用或商業建筑等。隨著中國電力工業的發展,以清潔、無二次污染的電能為主要能源的電伴熱產品市場前景非常廣闊,同時,也為電伴熱產品的性能提出了更高的要求。

足球場草坪、公共綠地土壤保溫:太陽能熱水器電能補充加熱器,主要用于在長期陰雨天或寒冬季節,因光照不足而導致太陽能熱水器水溫不能滿足生活、工程需要時,為補充熱能而設計的。它具有較強的耐酷暑、嚴寒和高溫潮濕環境的性能,并具有防干燒的功能。即使偶爾水箱缺水誤通電,也不至于燒壞電加熱器和水箱,故能確保安全使用。

(二)碳纖維復合芯導線的開發和應用

我國是個缺電的國家,不僅發電業的發展滯后,輸電業的弊端也凸現出來,輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴容的需求,由于過負荷造成的停電、斷電故障頻頻發生,電力傳輸成為電力工業發展的“瓶頸”,各國均在研究新型架空輸電路用導線,以取代傳統的鋼芯鋁絞線,碳纖維復合芯導線由此應運而生。與鋼芯鋁絞線相比,碳纖維復合芯導線具有以下優點:

1、和同樣直徑的acsr電纜相比,可以提供雙倍的載流容量。

2、有效解決電纜下垂問題。

3、可以在更高的溫度下工作,最高可達200攝氏度。

4、線芯可以抗腐蝕,而且沒有雙金屬間腐蝕問題。

5、因為可以提供更高的載流容量,所以同時也有效的降低了工程成本。

6、與相同直徑傳統電纜相比可以多容納28%的導體。

7、高強度線芯可以有效減少電纜架的數量,或降低電纜架的高度。

8、有效減少電纜下垂,使地面生物更加安全。

除了上述提及的優點外,還可減少傳輸中電力的損耗,減少20%的塔桿,節省用地,減少有色金屬資源消耗,有助于構造安全、環保、高效節約型輸電網絡。目前世界上只有美國和日本開發出這種新型導線,他們還達成默契:不向第三國輸出,日本一家碳纖維導線企業的產量就占到世界40%左右。目前我國電線電纜研究所、電力建筑研究院以及國家電網有限公司都已經開始了對accc導線的試驗研究工作。國內電纜廠家也加大與外方合作,將這種新型電纜引進到中國生產,積極推動我國架空輸電線路的技術革命。最近福建電網已經將該新型導線架設運行。

(三)在高低溫、腐蝕等苛刻環境應用的可能碳纖維細如蛛絲,三型碳纖維比強度是鋼的62倍以上,成形工藝性好,是一代新型工程材料,其彈性量高,抗變性能力比鋼大2倍多,抗拉強度30~40t/cm2pa,而比重還不到鋼的四分之一,是鋁合金的二分之一,高彈模量比鋼鐵大16倍,比鋁合金大12倍。且碳纖維比鋼等柔軟。因此,碳纖維可用于要求能承重、不易損傷內部元件的電纜的加強芯,如海底光纜等。

碳纖維可以耐-180℃的低溫,在此條件下,許多材料都變的很脆,連堅固的鋼鐵也變的比玻璃還容易碎,而碳纖維在此條件下依舊很柔軟。因此,碳纖維復合芯可用于極地(如南極考察研究等)條件下輸電載體的設計和制造。碳纖維又可以耐3000℃~3500℃的高溫,在此高溫下最好的耐熱鋼也變成鋼水,但在沒有氧氣的情況下,碳纖維沒有變化。

碳纖維即使從3000℃的高溫快速冷卻到室溫也不會炸裂,因而可在急冷急熱的環境中工作。這為鋼鐵、冶金、鍋爐等行業中高溫特高溫場合電纜的設計提供了可能。此外,碳纖維紗、碳纖維繩、碳纖維布都可用于消防電纜產品的設計選用。

碳纖維有超強的耐腐蝕性。金屬中耐腐蝕性最強的是黃金和鉑,在一份硝酸(濃%)和三份硫酸(濃度39%)配成的稱“王水”的溶液中黃金、鉑會被腐蝕的千瘡百孔,而“王水”中的碳纖維卻安然無恙。為各種化學環境下輕型耐化學腐蝕電纜的設計提供了新的思路。 

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