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碳纤维及其工艺概述.docx

上传人:碎碎念的折木 2023/1/29 文件大小:300 KB

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伍伟伟
概述
碳纤维:carbonfibre
顾名思义,它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼具纺织纤维的松软可加工性,是一代增加纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比,杨氏模量是其3倍多;它与凯芙拉纤维(KF-49)相比,不仅杨氏模量是其2倍左右,而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH溶液中,时间已过去20多年,它至今仍保持纤维形态。
强度愈高,则构件自重愈小,比模量愈高,则构件的刚度愈大,从这
碳纤维是一种力学性能优异的材料,它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂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亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可到达2023Mpa/(g/cm3)以上,而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比钢高。材料的比
个意义上已预示了碳纤维在工程的宽阔应用前景,综观多种兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能,不少人预料,人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。
碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高,无蠕变,耐疲乏性
碳纤维可分别用聚丙烯***纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经
好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小,耐腐蚀性好,纤维的密度低,X射线透过性好。但其耐冲击性较差,简洁损伤,在强酸作用下发生氧化,与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此,碳纤维在使用前须进展外表处理。
碳化制得;按状态分为长丝、短纤维和短切纤维;按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕〔MPa〕、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型〔强度2023MPa、模量
大的是聚丙烯***PAN基碳纤维。
250GPa〕和高模型〔模量300GPa以上〕。强度大于4000MPa的又称为超高强型;模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的进展,还消灭了高强高伸型碳纤维,其延长率大于2%。用量最
碳纤维是军民两用材料,属于技术密集型和政治敏感的关键材
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。碳纤维除用作绝热保温材料外,一般不单独使用,多作为增加材料参加到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中,构成复合材料。碳纤维增加的复合材料可用作飞机构造材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
料。以前,以美国为首的巴黎统筹委员会(COCOM),对当时的社会主义国家实行禁运封锁政策,1994年3月,COCOM虽然已解散,但禁运封锁的阴影仍掩盖在上空,先进的碳纤维技术仍引不进来,特
别是高性能PAN基原丝技术,即使我国进入WTO,形势也不会发生大的变化。因此,除了国人连续自力更生进展碳纤维工业外,别无其它选择。因此,国外尤其是碳纤维生产技术领先的日韩等国对中国的碳纤维材料及制品的出口始终保持相当慎重的态度,只有为数很少的中国企业能够与其建立合作关系,拥有其产品的进口渠道。
相关工艺
聚丙烯***纤维为人造合成纤维,俗称人造羊毛。生产碳纤维不采用民用***纶,而是承受特别组分且性能优异的专用PAN基纤维,其合成流程图见图1。PAN原丝经一系列热处理后,由有机合成纤维转化为含碳量在92%以上的无机碳纤维。
聚丙烯***碳纤维的制造工艺流程示意图
依据试验数据和相关资料,生产高性能碳纤维的技术要点如下:
碳纤维系统工程需从原丝的聚合单体开头。实现***生产应充分重视原丝的根本地位。原丝质量既打算了碳纤维的性质,又制约其生产本钱。高性能PAN原丝是制造高性能碳纤维的前提。
注:具体的工艺参考《碳纤维及应用技术》,该电子书为pdg格式,
可用超星扫瞄器阅读。
国内碳纤维生产企业与装置规模
企业名称
产品名

产品指标
装置规模
工程状况
近几年
产量
大连兴科碳
纤维有限公
PAN基
碳纤维
T300
800吨/年
生产中
未知

四川乐山夹
江县万兴
PAN基
碳纤维
T300
1000吨/年
正式开工建
设,
未知
建成投产
中复神鹰碳
纤维有限公
PAN基
碳纤维
T300
2023年2月1日,在
江苏连云港建的
生产中
未知

2500吨聚丙烯***基碳
纤维原丝和1000吨
碳化生产线正式投
产,形成年产3200吨
原丝、1220吨碳丝的
前后配套的产能。
中油吉化碳
纤维厂
PAN基
碳纤维
T300
100吨/年
生产中
未知
吉林市吉研碳纤维
PAN基
碳纤维
不详
不详
不详
不详
中钢吉林碳
素厂
PAN基
碳纤维
T300
500吨/年
在建
未知
碳纤维:中钢吉碳,威海拓展,大连兴科,甘肃郝氏,连云港神鹰等原丝:吉林化工,扬州惠通,连云港神鹰,山西恒天,威海拓展等等。
我国主要PAN基碳纤维工程统计t/a
地区
生产企业
原丝产能
碳纤维产能
备注
东北
大庆石化***纶厂
5000
意向
吉林碳素厂
25
500〔拟建)
原丝生产
吉研高科技纤维
10
生产
吉林石化公司争辩院
10
生产
吉林市航源碳纤维
250
100
在建
吉林化纤
1000
意向
沈阳中恒材料
1500
500
在建
大连兴科碳纤维
800
生产
华北
山西煤化工争辩所
10
生产
山西恒天纺织纤维科技有限
公司
1000
在建
河北硅谷化工公司
1200
已建
西北
西安康本材料
1000
在建
兰州碳素纤维厂
60
生产
兰州中凯工贸有限责任公司
100
停产
华东
上海合成纤维争辩所
5
停产
上海碳素厂
10
停产
上海金山石化
1000
意向
上海星宇实业
400
意向
中复神鹰碳纤维有限责任公司
10000
2500
在建
江阴德福碳纤维
1000
在建
扬州惠通公司
100
在建
江苏恒神纤维材料
3500
已建
江苏宿州
200
在建
山东天泰股份
40
停产
威海拓展纤维
1000
400
在建
山东天泰股份
40
意向
威海拓展纤维
40
生产
嘉兴中宝碳纤维责任
400
缓建
浙江恒逸集团
2023
在建
安徽华皖集团
200
停产
华南
桂林市化纤总厂
200
意向
广州金发科技股份
200
筹建
国内外碳纤维生产商进展
纤维需求每年将以大约13%的速度飞速增长,明年聚丙烯***(PAN)基
虽然当前世界经济进展面临重重危机,但是碳纤维的需求仍在升温。除了传统的航空航天领域外,汽车、风力涡轮叶片及压力容器,等碳纤维市场正在兴起。中国环氧树脂行业协会专家推测,世界碳
碳纤维的全球需求量将达5万吨,到2023年将达6万吨,估量到2023
年需求量将到达10万吨。7大碳纤维制造商(东丽、东邦、三菱丽阳、
SGL、Hexcel、Cytec和Zoltek),已宣布打算在将来3~5年内扩产
78%,总投资额为87970万欧元(13亿美元〕。短期看来碳纤维会供不
应求,但到2023年供给可能会超过需求。
沥青基碳纤维在产业领域的需求也在增长,特别是在环境相关产业的开展引人注目,其市场规模约3000吨,估量到2023年将扩大到4000吨。沥青基碳纤维依据沥青的结晶状态,可分类为等方性和中间相2种,等方性耐热性和耐药品性、滑动性优异,中间相具有高强度、高模量等机械特性。除了大型的半导体晶片和太阳发电系统用硅基板制造炉用的需求急速增长以外,在PAN基碳纤维和CFRP的烧成炉,也作为必不行少的绝热材料使用。日本东丽工业、帝人股份,和三菱打算联手大规模生产循环碳纤维,以促进高强轻质材料的回收利用。这3家企业共同把握着全球碳纤维70%的市场份额。
日本《化学经济》2023年3月临时增刊报道,碳纤维生产厂家相继增设生产力量。以PAN(聚丙烯***)基碳纤维为例,除世界最大的东丽将在日、美、法3个基地增加生产线外,东邦特纳克斯也在日本和德国建设的生产线。另外吴羽和日本石墨纤维这2家,以煤炭沥青和石油沥青为原料的沥青基碳纤维生产企业,也在2023年扩大产能。碳纤维企业正以能源问题和环境问题为契机,努力扩大市场需求。
碳纤维与金属相比,具有强度和模量、耐热性、导电性、耐磨性等优异特性,在体育休闲、一般产业、航空宇宙等领域广泛使用。据中国环氧树脂行业协会专家了解,PAN基碳纤维的世界需求估量约3万吨,以每年13%的速度,估量到2023年将增加到近5万吨。对于
这种需求扩大,日本生产厂家从去年就提出了扩大产能打算。东丽2023年年初在日本外乡提高了生产力量,并在2023年年底之前增加了在欧美的子公司产能。另外东丽打算于2023年7月,设置加工性优异的特别织物级的专用设备(1000吨/年),这次扩大产能的投资额约710亿日元,其目的是为了应对今后航空机和产业用的需求增加,,将其市场占有率由现在的34%提高到38%。帝人集团的东邦特纳克斯投资107亿日元,于2023年4月在日本外乡的产能增加约6成,在德国的子公司TTE也将于2023年8月扩大产能,其目标是强化收益力量。
在碳纤维成形隔热材料领域市场占有率达50%的吴羽公司宣布,在2023年以前分阶段增加在中国的隔热材料设备,达产后将比现在产能扩大3倍左右,并将销售额增加1倍,约到达120亿日元。最近几年尤其在亚洲和欧洲,飞机乘客数量的增加促进了飞机的需求增长。《空客全球市场推测》估量,2023~2025年间飞机运营商,将需要22700架客机和货机。这些OEM正引领着构造性复合材料用量的巨大增长,其中包括碳纤维,其最的应用就是B787和A380飞机。据中国环氧树脂行业协会专家了解,航空航天领域是世界碳纤维的传统市场,依据世界其次大碳纤维生产商———日本东邦公司的推测,航空器中碳纤维复合材料的使用量将来几年将以年均12%的速度连续增长,估量将从2023年的6820吨增加至2023年是的10000吨以上,2023年可达13000吨。截至2023年12月,空客A380收到了189个订单。A380为大型喷气式客机,其构造(包括主要构造)使用了
22%的碳纤维复合材料。截至2023年1月中旬,波音公司宣布B787订单到达857架。B787中碳纤维/环氧预浸料的唯一供给商是东京的东丽公司(Toray〕,两家公司已经就Torayca预浸料签订了长达18年的供给合同,始终到2023年。据报道787主要构造的合同价值,(30亿美元)。型超大型客机———空中客车A380和波音787,均大量使用环氧树脂浸渍碳纤维或碳纤维增加塑料(CFRP)作为主要的构造材料。
空中客车A380已在2023年10月投入商业效劳,波音787打算在2023年进入商业运营。碳纤维复合材料约占A380飞机35吨构造材料中的20%以上,包括中心翼盒、机尾组件以及压舱壁;波音787中构造材料有近50%需要使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增加塑料,包括主机翼和机身。金属构造材料承受碳纤维复合材料后不仅可以减轻机身质量,而且还可以保证不损失强度或刚度,大大提高了燃油经济性。一代的客机将使用更高比例的碳纤维复合材料。空中客车公司日前宣布,碳纤维复合材料将在一代喷气式客机A350XWB中用于主机翼和机身材料。碳纤维在中小型喷气客机中的需求也将快速增长。例如,三菱重工打算利用碳纤维复合材料制作一代支线喷气客机MRJ主机翼和尾部组件,该机型估量在2023年进入市场。据中国环氧树脂行业协会专家介绍,欧洲空中客车公司授予赫氏复材,其远程宽体客机A350XWB主构造件的长期供给合同,此合同要求赫氏复材供给碳纤维复合材料直至2025年。随着A350XWB设计告一段落,在将来的几个月里赫氏复材,和空客公司将共同对用于主构造件的赫