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碳素家族中的“顶梁柱”—碳纤维在摩擦材料行业领域应用持续增长

放大字体??缩小字体 发布日期:2017-06-10??浏览次数:3897
核心提示:近几年来碳纤维在宇航领域中应用萎缩,在工业应用的市场不断看好。与宇航和体育休闲用品相比,工业应用对于碳纤维的需求在不断增长。基础设施、油气开采、压力容器、复合材料辊子、航海构件等特别是摩擦材料应用不断开发,使碳纤维在这个领域的应用持续增长。

碳纤维被喻为是当今世界上材料综合性能的顶峰,是21世纪的黑色革命,是适应宇航、航空、原子能等尖端工业发展的需要而研制开发的一种新材料。
碳纤维作为高性能纤维的一种,碳纤维已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用,从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等[1]。
碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表,为世人所瞩目,今天小编带你了解这位碳素家族中的“顶梁柱”——碳纤维。
  1.碳纤维的发展历程
  1.1 国外碳纤维的发展历程
目前世界各国发展的主要是PAN 基碳纤维和沥青基碳纤维。国外PAN基碳纤维的研究与开发开始于20世纪60年代。起初,碳纤维主要用于军工和宇航,经过40余年的发展,其应用领域正在向工业领域和普通民用领域扩大。世界PAN 基碳纤维生产厂商主要有日本Toray(东丽)、Toho(东邦)、Mitsubishi Rayon(三菱人造丝),美国Hexcel(赫克塞尔)、Amoco(阿莫科)和Zoltek(卓尔泰克)等公司。沥青基碳纤维主要生产厂商有日本Mitsubishi Chem(三菱化学)、Kureha (吴羽)、Donac与美国Amoco 公司。
在小丝束碳纤维(3K,6K和12K)方面,Toray、Toho与Mitsubishi Rayon等3家公司已形成垄断,产能分别达到9100、5600和4700t/a,占世界总产能的31.6 %、19.5 %和16.3 %。
大丝束碳纤维的主要生产国是美国、德国与日本,产能情况如表1所示,其产量大约是小丝束碳纤维产量的33 %左右。
? ? ? ?近年来,大丝束碳纤维获得飞速发展,世界上过去不生产大丝束碳纤维的一些碳纤维生产厂也纷纷打算生产大丝束碳纤维或已开始生产大丝束碳纤维,最典型的当推Toray公司;同时,国外已经通过利用与电磁辐射有关的等离子技术由完全和部分稳定的碳纤维原丝来生产碳纤维;并且把纳米技术也应用在碳纤维上,研制出纳米碳纤维,且日本Mitsubushi Chem与Toray等计划大规模生产纳米碳纤维。针对于碳纤维制备工艺的不断成熟,其碳纤维的需求量也将逐步加大。
图1 全球碳纤维需求量预测图[2]
1.2 国内碳纤维的发展历程
从20世纪70年代中期开始,经过30余年的发展,我国碳纤维从无到有,从研制到生产取得了一定的成绩,但总的来说,我国碳纤维的研制与生产水平还较低[3]。
PAN 基碳纤维
我国PAN基碳纤维的开发研制已有30多年历史。20世纪60年代初,吉林应用化学研究所已着手于PAN基碳纤维的研究,70年代初已完成连续化中试装置。其后,上海合成纤维研究所、中国科学院山西煤化所等单位也开展研制工作,并于80年代中期通过了中试。我国碳纤维生产先后建成了从年产几百千克到年产几吨的小试装置和几十吨的中试生产装置,起步不晚,但发展缓慢,总生产能力还不及发达国家或地区。
到目前为止,国内的T300系列基本可以达到国际水平,军工应用领域较为成熟,民用市场逐渐开拓。T700级高性能碳纤维突破了干喷湿纺工艺,产业化生产及应用逐步加快。T800级碳纤维已经小批量试产,但还尚未完全实现产业化。MJ 系列高性能碳纤维已经突破关键制备技术。
沥青基碳纤维
世界沥青基碳纤维的生产能力较小,国内沥青基碳纤维的研究和开发较早。20世纪70年代初,上海焦化厂以煤焦油为原料成功地制取了碳纤维,但因试验结果不稳定,产品质量不高而中止。1979年,中国科学院山西煤化所开始研制沥青基碳纤维,1985年通过小试。在此基础上,冶金部在烟台筹建了新材料研究所,生产通用级沥青碳纤维,规模70~100t/a,主要做飞机的刹车片。90年代初扩大到150t/a,但由于设备未过关,又无改造资金,处于停产状态。鞍山东亚精细化工有限公司投资1.2亿元人民币于90年代初从美国Ashland(阿什兰德)石油公司引进了全套生产设备,生产能力为200t/a,1994年动工建设,1995年投产。近年来,我国碳纤维的产量虽有增加,但与不断增长的需求相比仍有较大的差距。
我国沥青基碳纤维与PAN基碳纤维相比发展较慢,但由于生产成本较低,价格约为PAN基碳纤维的1/3~1/4,因此沥青基碳纤维在民用及建筑领域的应用前景较为广阔,这将为我国沥青基碳纤维的发展提供良好的机遇。在受到生态环境和能源双制约的21世纪,沥青基碳纤维将会持续稳定地增长,并成为在成本结构上极具竞争力的碳纤维品种,具有十分好的发展前景。
2.碳纤维特性[4]
表2 碳纤维与常用材料的力学性能对比
碳纤维是比铝轻、比钢强、比人发细、含碳量大于90%的纤维状碳材料;
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,呈乱层结构;
高温下转化为类石墨结构,称为石墨纤维。随着温度升高至2500℃以上,碳含量﹥99%,层间距随之减小,说明碳原子已经由乱层结构向三维有序的石墨结构转化;
碳和石墨纤维层面主要以碳原子共价键相结合,而层与层之间以范德华力相连接,因此具有显着的各向异性;
柔软可加工成织物,又由于比重小,沿纤维方向表现出很高的强度;
主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合做结构材料。
3碳纤维的应用
碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热等特性,属典型的高新技术产品,碳纤维已广泛应用于宇航、体育用品领域、工业领域、交通运输领域及土木建筑领域。鉴于近年军事工业上应用的萎缩、碳纤维成本的降低及先进低成本制造复合材料技术的突破,碳纤维复合材料在建筑、工业、交通运输等方面的应用便成为研究开发的热点,并取得了一定的突破性进展。
3.1航空航天领域
到2015年,航空航天用碳纤维比2011年增长约109%达到16千吨,预计到2020年达到27千吨。碳纤维将在航空航天领域以多种应用趋势成为喷气飞机发动机、涡轮发动机、涡轮等主要的结构材料。
民用领域,世界最大飞机欧洲空客A380使用的复合材料是结构重量的25%,碳纤维复合材料占结构重量的22%;空客A350碳纤维复合材料的占比达到了52%;美国波音B787复合材料质量比例高达50%,机身、尾翼采用碳纤维层合结构,升降舵、方向舵保留碳纤维夹芯结构;中国商飞C919第一阶段采用10%-15%的碳纤维复合材料,第二阶段将采用23%-25%碳纤维复合材料,与俄罗斯合作的C929预计将达到50%。
图3 2016年碳纤维在航空航天领域需求量分布图
3.2土木建筑领域
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。随着碳纤维成本的降低与复合材料制造技术的发展,土木建筑领域成为碳纤维复合材料应用的新市场。
目前的主要应用形式:
复合材料棒材、纤维增强胶接层板、碳纤维增强混凝土、碳纤维复合材料片等。
图4 碳纤维布加固建筑构件
3.3工业领域
近几年来碳纤维在宇航领域中应用萎缩,在工业应用的市场不断看好。与宇航和体育休闲用品相比,工业应用对于碳纤维的需求在不断增长。基础设施、油气开采、压力容器、复合材料辊子、航海构件等特别是摩擦材料应用经过南通中宇航天科技有限公司不断开发,使碳纤维在摩擦材料这个领域的应用得到持续增长。
图5 碳纤维在工业机械上的应用
3.4交通运输领域
在交通领域,碳纤维扩大应用的最大希望在于汽车业。随着排放标准趋严及低碳生活被人们普遍接受,节能减排已成为汽车工业的重要研究课题,在能源革新有限的情况下,轻量化是解决问题的关键之一。碳纤维具有比模量和比强度高、减重潜力大、安全性好等突出优点,是汽车轻量化最佳选择。
目前碳纤维复合材料已获得应用或正在研究开发应用的领域主要包括:飞轮、压缩天然气贮罐、燃气透平部件、刹车装置,其它部件如蓄电池、活塞、传动轴、弹翼、大梁等。
图6 碳纤维在交通运输领域的应用
3.5能源领域
目前,电阻率在10-3~10-2W?cm的碳纤维纸属高性能碳纤维纸,通常称之高导电率碳纤维纸,在新能源和电化学领域正在广泛推广应用。现在,用高性能碳纤维纸制作质子交换膜——燃料电池(PEMFC)的气体扩散层电极材料,已经得到各燃料电池制造商的认同,从而得到很快发展。能源和贮能方面,像风力发电叶片、飞轮、电池等应用也不断扩大。
图7 风力发电用碳纤维翼片
3.6体育休闲领域
亚洲用于生产体育休闲用品碳纤维的消耗量是世界上最高的。在亚洲特别是中国(包括台湾省)正越来越多地生产管状复合材料件,像高尔夫球杆和网球拍等,其它还包括箭杆、钓鱼竿、自行车架、船桨、滑雪工具、棒球棒、公路赛车、竞技墙等体育用品。
碳纤维三大应用领域国内外成熟度对比
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