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碳纖維123456
碳纖維編織布copyright 123456
1K碳纖制作的管本文來自123
技術要點
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要想得到質(zhì)量好碳纖維，需要注意一下技術要點：
（1）實現(xiàn)原絲高純化、高強化、致密化以及表面光潔無暇是制備高性能碳纖維的首要任務。碳纖維系統(tǒng)工程需從原絲的聚合單體開始。原絲質(zhì)量既決定了碳纖維的性質(zhì)，又制約其生產(chǎn)成本。優(yōu)質(zhì)PAN原絲是制造高性能碳纖維的首要必備條件。[22]
?。?）雜質(zhì)缺陷最少化，這是提高碳纖維拉伸強度的根本措施，也是科技工作者研究的熱門課題。在某種意義上說，提高強度的過程實質(zhì)上就是減少、減小缺陷的過程。[22]
?。?）在預氧化過程中，保證均質(zhì)化的前提下，盡可能縮短預氧化時間。這是降低生產(chǎn)成本的方向性課題。
（4）研究高溫技術和高溫設備以及相關的重要構件。高溫炭化溫度一般在1300到1800℃，石墨化一般在2500到3000℃。在如此高的溫度下操作，既要連續(xù)運行、又要提高設備的使用壽命，所以研究新一代高溫技術和高溫設備就顯得格外重要。如在惰性氣體保護、無氧狀態(tài)下進行的微波、等離子和感應加熱等技術。[22] 123456
5發(fā)展前景
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國外
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世界碳纖維產(chǎn)量達到每年4萬噸以上，全
碳纖維生產(chǎn)線
碳纖維生產(chǎn)線
世界主要是日本美國德國以及韓國等少數(shù)國家掌握了碳纖維生產(chǎn)的核心技術，并且有規(guī)?；笊a(chǎn)。
當前，全球碳纖維核心技術被牢牢掌控在少數(shù)發(fā)達國家手中。一方面，以美日為首的發(fā)達國家始終保持著對中國碳纖維行業(yè)嚴格的技術封鎖；另一方面，國外碳纖維行業(yè)領先企業(yè)開始進入中國市場，中國本土碳纖維企業(yè)的壓力大增。雖然中國加大了對碳纖維行業(yè)的引導和扶持力度，但在較大的技術差距下，國產(chǎn)碳纖維的突圍之路仍然坎坷。
中國
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中國對碳纖維的研究開始于20世紀60年代，80年代開始研究高強型碳纖維。多年來進展緩慢，但也取得了一定成績。進入21世紀以來發(fā)展較快，安徽率先引進了500噸每年原絲、200噸每年PAN基碳纖維，使中國碳纖維工業(yè)進入了產(chǎn)業(yè)化。隨后一些地方相繼加入碳纖維生產(chǎn)行列。[26]
從2000年開始中國碳纖維向技術多元化發(fā)展，放棄了原來的硝酸法原絲制造技術，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術獲得成功。利用自主技術研制的少數(shù)國產(chǎn)T700碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)達到國際同類產(chǎn)品水平。隨著中國對碳纖維的需求量日益增長，碳纖維已被列為國家化纖行業(yè)重點扶持。2005年全球碳纖維市場僅為9億美元，而2013年達到100億美元，預計到2022年有望達到400億美元，碳纖維復合材料的應用也將進入全新的時代。中國碳纖維產(chǎn)業(yè)化采取自主開發(fā)和引進相結合的道路，到“十一五“末期基本實現(xiàn)了相當于日本T300的國產(chǎn)碳纖維規(guī)模生產(chǎn)線，并且有一些企業(yè)已形成了T700以上水平的百噸生產(chǎn)線。 本文來自123
2011年中國碳纖維市場規(guī)模達到6811噸，然而，受供應不足的影響，國內(nèi)碳纖維市場發(fā)展相對較為緩慢，預計未來幾年，隨著供應量的提升，中國碳纖維行業(yè)的需求量也將保持著較快速度的增長。[27]
技術的落后直接導致中國碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量與進口產(chǎn)品之間的明顯差距，也極大地限制了國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品在高端領域的應用。有數(shù)據(jù)顯示，中國碳纖維產(chǎn)品在應用上集中于低端領域，在碳纖維質(zhì)量要求較高的航空航天領域的應用比例僅為3%，遠遠沒達到國際上碳纖維行業(yè)在航空航天領域應用占比的平均水平;而在質(zhì)量要求相對較低的運動休閑用品領域，碳纖維的應用比例卻高達80%左右，四倍于國際上碳纖維在運動休閑用品領域應用的平均水平。但國產(chǎn)碳纖維落后的技術卻制約著中國碳纖維行業(yè)健康穩(wěn)健發(fā)展。[28]
6應用領域
編輯 123456
碳纖維是發(fā)展國防軍工與國民經(jīng)濟的重要戰(zhàn)略物資， 本文來自123
碳纖維單絲拉伸曲線
碳纖維單絲拉伸曲線
屬于技術密集型的關鍵材料，隨著從短纖碳纖維到長纖碳纖維的學術研究，使用碳纖維制作發(fā)熱材料的技術和產(chǎn)品也逐漸普及。在當今世界高速工業(yè)化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化。中國已經(jīng)有使用長纖作為高性能纖維的一種，在要求高溫，物理穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復合材料具備不可替代的優(yōu)勢。[3] [9] [29] 材料的比強度愈高，則構件自重愈小，比模量愈高，則構件的剛度愈大，正是由于兼具優(yōu)異性能，碳纖維在國防和民用領域均有廣泛的應用前景。[2] [4-5]
碳纖維碳材料已在軍事及民用工業(yè)的各個領域取得廣泛應用。從航天、航空、 汽車、 電子、 機械、化工、輕紡等民用工業(yè)到運動器材和休閑用品等。碳纖維增強的復合材料可以應用于飛機制造等軍工領域、風力發(fā)電葉片等工業(yè)領域、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業(yè)機器人、汽車板簧和驅(qū)動軸等。球棒等體育領域。碳纖維是典型的高科技領域中的新型工業(yè)材料。[1] [3] [29] [30]
復合材料
碳纖維在傳統(tǒng)使用中除用作絕熱保溫材料外。 多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構成復合材料。碳纖維已成為先進復合材料最重要的增強材料。由于碳纖維復合材料具有輕而強、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結構尺寸穩(wěn)定性好以及設計性好、可大面積整體成型等特點，已在航空航天、國防軍工和民用工業(yè)的各個領域得到廣泛應用。[11] 碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。高性能碳纖維是制造先進復合材料最重要的增強材料。[2] [4]
土木建筑 123456
土木建筑領域：碳纖維也應用在工業(yè)與民用建筑物、鐵路公路橋梁、隧道、煙囪、塔結構等的加固補強， 在鐵路建筑中，大型的頂部系統(tǒng)和隔音墻在未來會有很好的應用，這些也將是碳纖維很有前景的應用方面。具有密度小， 強度高， 耐久性好， 抗腐蝕能力強， 可耐酸、堿等化學品腐蝕， 柔韌性佳， 應變能力強的特點。用碳纖維管制作的桁梁構架屋頂， 比鋼材輕50%左右， 使大型結構物達到了實用化的水平， 而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外， 碳纖維做補強混凝土結構時， 不需要增加螺栓和鉚釘固定， 對原混凝土結構擾動較小， 施工工藝簡便[31] 。
航空航天
碳纖維是火箭、衛(wèi)星、導彈、戰(zhàn)斗機和艦船等尖端武器裝備必不可少的戰(zhàn)略基礎材料。將碳纖維復合材料應用在戰(zhàn)略導彈的彈體和發(fā)動機殼體上，可大大減輕重量，提高導彈的射程和突擊能力，如美國80年代研制的洲際導彈三級殼體全都采用碳纖維和環(huán)氧樹脂復合材料。碳纖維復合材料在新一代戰(zhàn)斗機上也開始得到大量使用，如美國第四代戰(zhàn)斗機F22采用了約為24%的碳纖維復合材料，從而使該戰(zhàn)斗機具有超高音速巡航、超視距作戰(zhàn)、高機動性和隱身等特性。美國波音推出新一代高速寬體客機的音速巡洋艦，約60%的結構部件都將采用強化碳纖維塑料復合材料制成，其中包括機翼。中國自行研制的碳纖維復合材料剎車預制件性能達到國際水平。采用這一預制件技術所制備的的國產(chǎn)碳和碳剎車盤已批量裝備于國防重點型號的軍用飛機，并在B757型民航飛機上使用，在其它機型上的使用也在實驗考核中，并將向坦克、高速列車、高級轎車、賽車等推廣使用。碳纖維比鋁輕但強度相似。碳纖維在艦艇上也有重要的應用價值，可減輕艦艇的結構重量，增加艦艇有效載荷，從而提高運送作戰(zhàn)物資的能力，碳纖維不存在腐蝕生銹的問題。[11] 由于使用碳纖維材料可以大幅降低結構重量，因而可顯著提高燃料效率。采用碳纖維與塑料制成的復合材料制造的飛機以及衛(wèi)星、火箭等宇宙飛行器，噪音小，而且因質(zhì)量小而動力消耗少，可節(jié)約大量燃料。據(jù)報道，航天飛行器的質(zhì)量每減少1kg，就可使運載火箭減輕500千克。[3] [29] [32] 123456
碳纖維還是讓大型民用飛機、汽車、高速列車等現(xiàn)代交通工具實現(xiàn)“輕量化“的完美材料。航空應用中對碳纖維的需求正在不斷增多，新一代大型民用客機空客A380和波音787使用了約為50%的碳纖維復合材料。波音777飛機利用碳纖維做結構材料，包括水平和垂直的橫尾翼和橫梁稱為重要結構材料，所以對其質(zhì)量要求極其苛刻。波音787的機身也采用碳纖維，這使飛機飛得更快，油耗更低，同時能增加客艙濕度，讓乘客更舒適。空客也在他們的飛機上使用了大量的碳纖維，碳纖維將被大量應用在新型客機A380上。這使飛機機體的結構重量減輕了20%，比同類飛機可節(jié)省20%的燃油，從而大幅降低了運行成本、減少二氧化碳排放。[11]
汽車材料 123456
碳纖維材料也成為汽車制造商青睞的材料， 內(nèi)容來自123456
在汽車內(nèi)外裝飾中開始大量采用。碳纖維作為汽車材料，最大的優(yōu)點是質(zhì)量輕、強度大，重量僅相當于鋼材的20%到30%，硬度卻是鋼材的10倍以上。所以汽車制造采用碳纖維材料可以使汽車的輕量化，取得突破性進展，并帶來節(jié)省能源的社會效益。業(yè)界認為，碳纖維在汽車制造領域的使用量會變大。
中科院研發(fā)的一輛碳纖維小汽車主要在外殼上：在普通材質(zhì)的汽車引擎蓋上，榔頭用力敲擊，漆蓋上很有可能會有凹陷，而這輛車的車殼卻非常堅固，用力敲擊車蓋后會迅猛反彈，表面絲毫未損。研究人員表示采用碳纖維復合材料做的汽車，比起普通用鋼材制造的汽車的最大特點是輕和快。碳纖維汽車拋棄了傳統(tǒng)的鋼結構，大量采用碳纖維材料制成，比普通鋼材的汽車重量能減少60%。在同樣用油情況下，這輛車每小時可以多開50公里[33] 。 123456
碳纖維雖然輕，但有較好的安全性，雖然碳纖維的看起來像塑料，但實際上這種材料抗沖擊性比鋼鐵強，特別是用碳纖維做成的方向盤，機械強度和抗沖性更高。在復合材料的配合下，碳纖維汽車成了家用車中的裝甲車。這種碳纖維材料已經(jīng)在高速列車的裙擺上應用[26] 。
纖維加固
碳纖維加固包括碳纖維布加固和碳纖維板加固兩種。碳纖維材料用于混凝土結構加固修補的研究始于80年代美、日等發(fā)達國家。中國的這項技術起步很晚，但隨著中國經(jīng)濟建設和交通事業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)有建筑中有相當一部分由于當時設計荷載標準低造成歷史遺留問題，一些建筑由于使用功能的改變，難以滿足當前規(guī)范使用的需求，亟需進行維修、加固。常用的加固方法有很多，如：加大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法、碳纖維加固法等。碳纖維加固修補結構技術是繼加大混凝土截面、粘鋼之后的又一種新型的結構加固技術。
中國從1997年開始從國外引進碳纖維復合材料加固混凝土結構技術研究。成為了研究和工程應用的熱點。國內(nèi)已有數(shù)十個高校和科研院所開展了此項研究工作，并取得了一批接近國際先進水平的研究成果。由于中國具有世界上最為巨大的土木建筑市場，碳纖維加固建筑結構的應用將呈現(xiàn)不斷增長的的趨勢。[34] 內(nèi)容來自123456
體育用品 123,123
碳纖維在運用在運動休閑領域中，像球桿、釣魚竿、網(wǎng)球拍羽毛球拍、自行車、滑雪杖、滑雪板、帆板桅桿、航海船體等運動用品都是碳纖維的主要用戶之一。碳纖維運用在日常用品，像音響、浴霸、取暖器等家用電器以及手機、筆記本電腦等電子產(chǎn)品也可以看到碳纖維的身影。[11]
體育應用中的三項重要應用為球棒和球拍框架。據(jù)估計每年的球棒的產(chǎn)量為3400萬副。全世界40%的碳纖維球棒都是由碳纖維制成的。全世界碳纖維釣魚桿的產(chǎn)量約為每年2000萬副。網(wǎng)球拍框架的市場容量約為每年600萬副，其它的體育項目應用還包括冰球棍、滑雪杖等。碳纖維還應用在劃船、賽艇等其它海洋運動中。[35]
7主要產(chǎn)品
編輯
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碳纖維除了用于航空航天領域、國防軍事領域和體育用品外，汽車構件、風力發(fā)電葉片、建筑加固材料、增強塑料、鉆井平臺等碳纖維新市場也被正在運用。此外還運用在壓力容器、醫(yī)療器械、海洋開發(fā)、新能源等領域。[11] 碳纖維的其它應用包括機器部件、家用電器及與半導體相關的設備的復合材料的生產(chǎn)，可以用來起到加強、防靜電和電磁波防護的作用。另外，在X射線儀器上碳纖維的應用可以減少人體在X 射線下的暴露。
壓力容器
壓力容器采用碳纖維復合材料制作，主要用在汽車的壓縮天然氣罐上，而且還用在救火隊員的固定式呼吸器上。CNG罐源于美國和歐洲國家，日本和其他的亞洲國家也對這項應用表現(xiàn)出了極大的興趣。
風力發(fā)電機葉片
世界上風力發(fā)電機組的發(fā)電機額定功率越來越大，與其相適應的風機葉片尺寸也越來越大。為了減少葉片的變形，在主乘力件如軸承和葉片的某些部位采用碳纖維來補充其剛度。中國‘十五’期間的風機裝機總容量已達到1。5G瓦，因而碳纖維在風力發(fā)電機葉片上的應用前景看好。[34] 本文來自123
碳纖維在風能、核能和太陽能等新能源領域也具有廣闊的應用前景。當風力發(fā)電機功率超過3MW，葉片長度超過40米時，傳統(tǒng)玻璃纖維復合材料的性能已經(jīng)趨于極限，采用碳纖維復合材料制造葉片是必要的選擇。只有碳纖維才能既減輕葉片的重量，又能滿足強度和剛度的要求。[11]
碳纖維布
碳纖維布又稱碳素纖維布，碳纖布，碳布，碳纖維織物，碳纖維帶，碳纖維片材（預浸布）等 。 碳纖維布是一種單向碳纖維產(chǎn)品，通常采用12K碳纖維絲織造。重量最輕的是1K碳布，中國碳纖維車架單車、三角架基本使用3K碳布。1K碳纖維管材由于從碳絲的等級，樹脂的成分，碳布的密度，成型的壓力溫度等等工藝都非常嚴格，1K碳布價格是3K碳布的3倍。可提供兩種厚度：0.111mm（200g）和0.167mm（300g）。碳纖維布強度高，密度小，厚度薄，基本不增加加固構件自重及截面尺寸。碳纖維廣泛適用于建筑物橋梁隧道等各種結構類型、結構形狀的加固修復和抗震加固及節(jié)點的結構加固。 123456
碳纖維復合材料抽油桿
有關數(shù)據(jù)表明，至2008年有8%到10%更新或新增的抽油桿用碳纖維復合材料抽油桿取代，共需碳纖維320到420t。預測至2010年如果按15%的取代量計算，則碳纖維消耗量可達624噸。[34]
1994年至2002年左右，碳纖維制作國家電網(wǎng)電纜的使用案例多處。同時，碳纖維發(fā)熱產(chǎn)品，碳纖維采暖產(chǎn)品，碳纖維遠紅外也越來越多的被重視。 內(nèi)容來自123456
