碳纤维材料（共12篇）
碳纤维材料 篇1
1 前言
碳纤维主要成分为碳元素, 是一种特种纤维, 其分子结构界于石墨与金刚石, 含碳体积分数一般在0.9以上[1]。碳纤维的优点是质量轻、抗拉强度高, 同时具有耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等优点。碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合后, 形成碳纤维复合材料, 也具有高的比强度、比模量、耐疲劳、导热、导电等[2], 这些优良的综合性能, 使得碳纤维材料在现代工业方面应用非常广泛。
2 发展历史及国内外发展现状
美国于20世纪50年代开始研究粘胶基碳纤维, 1959年生产出了粘胶基纤维, 这是最早的碳纤维产品。同一年, 日本发明了制造碳纤维的新方法, 即用聚丙烯腈基原丝制造碳纤维材料。之后, 英国皇家航空研究院的研究工作, 使聚丙烯腈基碳纤维成为碳纤维工业的主流。20世纪70年代中期, 美国联合碳化公司研发了高性能沥青基碳纤维。同时, 日本东丽公司于20世纪70年代初期, 开始生产钓鱼杆和高尔夫球棒。1974年, 美国把碳纤维用于网球和羽毛球拍, 实现了碳纤维增强塑料化。20世纪80年代, 碳纤维广泛用于客机、航天飞机和人造卫星。随着社会和科学技术的发展, 碳纤维的需求量以大约13%的速度逐年递增[3]。
我国在意识到碳纤维对军工和民用的价值后, 于1975年召开全国第一次碳纤维复合材料会议, 将碳纤维及其复合材料纳入国家科技攻关项目。经过四十多年的发展, 我国碳纤维从无到有, 取得了一定的成绩。但总的来说, 我国碳纤维材料的研发和生产水平低, 不能满足国内与日俱增的市场需求。目前, 国内大部分企业的技术水平和设备水平低下, 生产的碳纤维产品也在国际中下游水平[4]。
3 碳纤维材料的特性
碳纤维与钻石和石墨一样, 主要由碳元素组成。具有以下特性:
3.1 轻质高强, 其密度为铁的1/4, 比强度为铁的10倍以上, 抗拉强度是钢材的68倍, 弹性模量是钢材的1.8~2.6左右, 其抗拉模量为295~640GPa, 拉伸强度为3.62~7.05GPa。
3.2 化学性能稳定, 耐高低温, 耐腐蚀, 在600℃左右的高温下, 仍能保持性能, 在-180℃左右的低温下, 仍具有较好的柔韧性, 不与酸、碱等腐蚀溶液发生化学反应。
3.3 可加工性好, 碳纤维根据其受力需要, 增加碳纤维层数, 可加工成不同形状, 且不需要复杂的大型设备, 多次加工对其结构无损伤。
3.4 此外, 碳纤维还具有其他的优良特性:如X射线穿透性、抗热、导电性及耐磨蚀性能等[5]。
3.4.1 碳纤维材料的分类
(1) 按力学性能分类, 碳纤维可分为4类:超高模量碳纤维;高模量碳纤维;超高强度碳纤维;高强度碳纤维。 (2) 按原材料分类, 碳纤维可分为3类:PAN碳纤维, 沥青碳纤维, 人造丝碳纤维。 (3) 按用途分类, 碳纤维可分为2类:宇航级小丝束碳纤维 (24K以下) ;工业级大丝束碳纤维 (48K以上) 。
3.4.2 碳纤维的主要性能
(1) 抗拉强度高, 可达到3500MPa以上。 (2) 弹性模量高, 可达到230GPa以上。 (3) 密度小, 比强度高, 碳纤维的密度是钢的1/4, 其比强度是钢材的16倍以上。 (4) 耐高温性能好, 在惰性气氛下, 碳纤维材料可在2000℃左右正常使用, 在3000℃左右不软化融熔。 (5) 耐低温性好, 在-180℃左右的低温下, 碳纤维仍具有较好的柔韧性。 (6) 化学稳定性好, 能耐浓酸、浓碱、浓盐等腐蚀溶液等的侵蚀。 (7) 热膨胀系数小, 导热性能好, 抗热震性能好, 经过急冷急热, 也不会产生热震裂纹。 (8) 碳纤维能使中子减速, 具有良好的防辐射性能。 (9) 碳纤维电阻率为5~17μΩm, 导电性能好。 (10) 可加工性能好, 但耐冲击差, 后加工相对困难。
4 碳纤维材料的应用[6,7,8,9]
4.1 航空航天领域
碳纤维复合材料性能优越, 具有高的比强度、高的抗疲劳断裂性和良好的加工成型性等的特点, 同时, 其电磁性能和吸波隐身的特点, 使得其越来越多的被应用在的航空航天领域, 以及军事领域, 如用于飞机、导弹和火箭等。
碳纤维材料在航空领域, 主要用于生产机尾、地板梁等, 其更多的作为一种基础结构材料。此外, 副翼、螺旋浆、引擎等重要部件, 也要在很大程度上使用碳纤维材料。20世纪80年代, 客机和航空飞行器, 普遍将碳纤维作为结构材料使用, 80年代中期, 欧洲客机开始应用碳纤维增强塑料, 作为飞机的首要材料, 取得了良好的效果。21世纪以来, 空中客机大量的使用碳纤维复合材料, 碳纤维复合材料用量已接近客机总质量的40%~50%。
在人类探索宇宙的过程中, 人造卫星的太阳能发电板、天线等部件, 也大量应用碳纤维复合材料。
4.2 体育运动领域
高尔夫球棒、钓鱼杆和网球拍, 是在体育运动领域内, 碳纤维材料用途最多的三大方面。据估计, 目前高尔夫球棒的年产量在3400万副以上, 碳纤维钓鱼竿的年产量在2000万副以上, 网球拍的产量整逐年增加。同时。其它的体育项目, 包括冰球棍、滑雪杖、射箭和自行车, 以及大量的海洋运动项目中, 大量的应用到碳纤维材料。
碳纤维复合材料的一个重要的应用领域, 即为体育休闲用品, 其消耗量约占全球碳纤维总产量的25%左右。而简称碳纤维高尔夫球杆占应用于体育用品碳纤维总量的50%左右, 市场前景好。
4.3 一般制造业领域
除了航空航天领域和体育运动领域外, 在工业制造领域, 尤其是汽车制造行业, 碳纤维材料大受欢迎。目前, 国外知名的福特公司、奔驰等品牌汽车制造商, 其发动机机罩、车内装饰、轿车底盘的内装饰材料、顶篷等大量的采用碳纤维材料, 打破了传统材料的限制, 为汽车行业提供了更多的新鲜血液。
同时, 在机器部件、家用电器、电脑、半导体等各个环保领域, 碳纤维材料也大展拳脚。随着环保要求的提高, 其高强度、电磁波防护性能、防辐射性能, 越来越受到人们的重视。
4.4 土木建筑领域
20世纪80年代到90年代, 以碳纤维布加固修复钢筋混凝土的结构补强加固技术, 成为发达国家土木建筑领域内的一种新兴的高端技术。
我国自20世纪90年代, 开始研究开发此项技术, 具有很重要的现实和历史意义。我国名胜古迹众多, 其修缮和保护工作尤为重要, 但现有的建筑材料阻碍了珍贵古建筑的修复和保护, 因此碳纤维材料在土木建筑行业的使用, 必将为古建筑群的保护和修复提供新的思路。同时, 随着碳纤维技术的不断发展, 碳纤维产品的生产成本不断降低, 施工技术的不断完善, 利用碳纤维材料进行建筑补强将具有广阔的市场前景。
4.5 能源开发领域
在中国的某些地区, 风力资源丰富, 同时其作为一种洁净的能源, 越来越受到人类的重视。同时, 随着人类环保意识的提高, 大型风力发电行业正蓬勃发展。
在风力发电机组中, 能够有效捕获风能的关键部件是叶片。在发电机功率一定的前提条件下, 叶片的材料越轻、强度越高、叶片越大, 其捕获的风能就越强。因此, 质地轻、强度高、耐用性能好的碳纤维复合材料, 就成为大型风力发电机叶片材料的首选。同时, 碳纤维材料良好的导电性, 起到避雷针的作用, 能有效减少和避免雷击, 对叶片造成损伤。
4.6 其他领域
同时, 在其他领域中, 碳纤维也在悄悄的进入人们的视野。在钟表、手机等行业, 碳纤维材料被用来制作更加轻质的、更加高强度的手表表壳、表盘、手机后盖等部件, 使得产品在性能和科技含量上大大提高。未来的钟表行业, 多元化的元素将会越来越多, 其赋予手表的含义也将会越来越丰富, 也将会有碳纤维材料的一席之地。
5 展望
碳纤维材料属于高新科技、高附加值的产品, 具有一系列优良的物理和化学性能, 是其他材料不可比拟的。其应用范围, 从最初的航空航天领域、军事领域, 逐渐转向民用领域, 且己扩展到整个工业领域。随着碳纤维材料的不断研究和应用的不断深入, 其综合性能将会不断提高, 同时, 其应用领域范围将会不断扩展, 包括土木建筑、能源、奢侈品、手表行业等民用领域, 将会大规模采用碳纤维材料, 具有广阔的应用和市场发展前景。
摘要：文章阐述了碳纤维材料的国内外发展现状, 论述了碳纤维材料的分类特性和功能特性。同时, 着重介绍了碳纤维材料在航空、体育等行业中的应用, 并展望了其发展前景。
关键词：碳纤维材料,性能,应用,前景
参考文献
[1]高波, 徐自立.碳纤维及其复合材料的发展和应用[J].机电产品开发与创新.2010, 13 (4) :37-39.
[2]贺福.迅速发展的我国碳纤维工业[J].高科技纤维与应用.2009, 23.
[3]金立国.我国碳纤维工业现状和碳纤维应用[J].合成纤维.2009, 38 (10) .
[4]钱伯章.碳纤维应用的最新进展[J].WorldPlastic, 2009, 27.
[5]张新元, 何碧霞, 李建利等.高性能碳纤维的性能及其应用[J].棉纺织技术.2011, 39 (4) :269-273.
[6]上官倩芡, 蔡泖华.碳纤维及其复合材料的发展及应用[J].上海师范大学学报 (自然科学版) .2008, 37 (3) :275-279.
[7]春胜利, 黄榴红, 李勇锋.碳纤维及其在复合材料方面的应用[J].玻璃钢.2005 (2) :5-14.
[8]肖长发.化学纤维概论[M].北京:纺织工业出版社, 1997.
[9]贺福, 王茂章.碳纤维及其复合材料[M].北京:科学出版社, 1995.
碳纤维材料 篇2
摘要
一、碳纤维复合材料的概况
二、碳纤维复合材料的结构
三、碳纤维复合材料的用途
四、碳纤维复合材料的优势
五、碳纤维的产业
六、结论
1、概况
在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。
2、结构
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。
碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，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达到2000Mpa/(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。
3、用途 碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。
碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。
由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。
现在的F1（世界一级方程锦标赛）赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和结构强度
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、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。
4、优势
1、高强度（是钢铁的5倍）
2、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)
3、出色的抗热冲击性
4、低热膨胀系数(变形量小)
5、热容量小（节能）
6、比重小（钢的1/5）
7、优秀的抗腐蚀与辐射性能
5、碳纤维的产业
5.1 碳纤维的取材形式及比例
预浸布：51.6%，编织布：20%（其中有12.4%要经过预浸进入后段），短切纱：19%，纤维丝束通过缠绕等方式直接使用：9.9%.5.2 碳纤维产业链关联度非常紧密，上游帮扶下游就是帮自己碳纤维产业链。碳纤维制造企业因为资金和技术的优势，要成为引领整个产业链的生力军！市场培育任重道远！只有不断推进从碳纤维向纤维材料以及复合材料制品的纵深发展，完善产业链，扩大碳纤维的应用范围，才能使整个碳纤维行业实现跨越式的发展。5.3 碳纤维产业链中的价值链我们常听到关于碳纤维价值链的说法是：从石油原料到碳纤维，增值关系是1 到3，而把碳纤维做成复合材料，增值可以到10。而国际上还有一个类似的说法：一个工业用碳纤维复合材料零件的成本构成，其中碳纤维和树脂的成本占25%，把碳纤维转成预浸料或编织布（我们称之为纤维材料），转化成本为15%，而把纤维材料制造成复合材料构件，需要60%的成本，原因是这个过程的边角废料太多，主要是沿袭于航空航天的成型工艺效率太低。当很多人抱怨：碳纤维因为价格太高而影响其应用面时，我们必须重视除了25%～30%的碳纤维成本之外的其它70%～75%的纤维和构件成型的巨大成本。否则，即使碳纤维成本降得再低，做出的复合材料成本还是惊人！
6、结论
中国碳纤维“平民化”发展之路探讨
碳纤维材料 篇3
【关键词】碳纤维复合材料；废弃物；回收；再利用
碳纤维复合材料具有重量轻，强度高，模量高，耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、体育休闲、汽车、建筑及桥梁加固等领域。2014年全球碳纤维产量约为10万吨，我国碳纤维产量约3200吨，2015年国内碳纤维需求量将达到1.5万吨[1]。未来中国四大产业——大飞机项目、海上风力发电、汽车轻量化发展及高速铁路，无疑还将带动碳纤维需求的强势增长，然而飞机制件一般寿命为25-28年，风机叶片为20-25年，汽车制件为10-15年，这些产品寿命终结后，其回收再利用将成为非常重要的问题。目前我国碳纤维复合材料仍以热固性树脂基为主，市场占有量90%以上，而热固性树脂基复合材料在自然条件下不可以降解，随着应用量的增加，其污染问题也会日趋严重，当务之急是要开发出大规模、连续化、低成本、低能耗的回收和再利用技术，同时开发可降解的生物基复合材料以及热塑性复合材料，以实现产业的可持续、绿色、低碳发展。
1、碳纤维复合材料回收与再利用的必要性
碳纤维增强热固性复合材料其树脂基体固化后形成三维交联网状结构，常规条件下不溶于溶剂，也无法自然降解，如果不进行回收处理，将会造成环境污染，并且随着碳纤维用量增加，污染将会越来越严重。欧盟成员国2003年11月通过的废弃车辆（EEEV）指令要求，2015年1月之后生产的每辆汽车的95%必须被再利用或回收。空客公司计划到2020-2025年，制造过程中95%的废弃物能够进入回收渠道，5%的废弃产品能够回收再利用于航空部件[2]。
碳纤维生产过程中需要消耗很多能源，因此价格比较昂贵，对其进行回收再利用，一方面可以减少生产新碳纤维所需要的能源消耗，另一方面回收之后的碳纤维仍有很好的力学性能和利用价值，可以利用于要求相对较低的部件。据日本报道生产制造再生短CF能耗仅为新CF的17%，而CO2排放量仅为新CF的14%[3]。回收处理的碳纤维与新碳纤维相比，生产成本相对较低，可以以相对地的价格推向市场，扩大碳纤维的应用领域。因此，碳纤维的回收与再利用有着非常重要的现实意义。
2、碳纤维复合材料废弃物回收再利用技术及应用现状
碳纤维复合材料废弃物主要来源有两类，一类为生产及成型加工过程中的废弃物，如预浸料不合格品、过期料、边角料、部件不合格品、飞边、测试报废品等，另一类为寿命结束类制品。一些发达国家如德国、英国、美国、日本等等，非常重视碳纤维复合材料回收技术的开发，纷纷组建了专门的研究机构解决这一问题，并进行了一些工业化尝试，取得了不少的成果。例如，如英国Milled Carbon Ltd厂已和波音、空客等建立合作关系，帮他们处理废料。欧洲已组建复合材料回收服务公司（UCRU），解决欧洲复合材料回收和可持续发展问题。英国的回收碳纤维公司（RCF）有2000吨/年的处理能力，已和英国GKN航空公司签订合同回收其废品，近期100吨/年，以后会有30%的年增长率[4]。
波音公司与宝马集团近日签署一项合作协议，旨在联合开展关于碳纤维回收的研究，并共享碳纤维材料和制造知识。波音和宝马都是在各自产品上应用碳纤维的先锋。波音787梦想飞机机体的50%由碳纤维材料制成，而宝马则将于2013年在两款车型上采用碳纤维制造乘客舱。对于两家公司而言，复合材料在使用过程中和产品寿命结束后的回收至关重要。
碳纤维复合材料回收方法可分为填埋、焚烧、粉碎、分离四种，目前虽然填埋是最便宜的处理选择，但由于碳纤维复合材料不能生物降解，填埋会对环境产生负面影响，因此最终将会被禁止使用。欧盟多数成员国2004年都颁布了法律，禁止复合材料的填埋处理。焚烧作为过去常用的处理方法，其回收方法及设备简单，投入成本少，通过焚烧可以获得能量，但焚烧过程中会释放有毒气体，造成二次污染。为了避免填埋和焚烧等处理方法的缺点，目前开发了一些新的技术，其中通过热分解、溶剂分解以及超临界流体分解等技术进行CF与树脂分离的材料回收方法最具有吸引力。
2.1高温热解
热裂解是利用高温将复合材料中的树脂分解成有机小分子从而回收碳纤维的方法。该方法易于进行工业化放大，是目前成功实现商业化运营的方法。英国的Milled Carbon公司在无氧环境下加热碳纤维复合材料至400-500℃，使得树脂分解，其于2003年开始利用热裂解装置回收碳纤维，并形成了年处理2000t碳纤维复合材料的能力，可再生在1200吨/年[5]。
2.2微波热分解
美国、英国以及德国的一些公司及大学正在开发微波热分解技术，通过碳纤维吸收微波能量从内部加热树脂。这样能够更快地分解树脂以复原碳纤维，缩短整体的处理时间，并且相比于其他热分解技术设备要求更少。位于美国北卡罗来纳州罗利的火鸟先进材料公司（Firebird Advanced Materials Inc）在过去的几年里建造了一个小型的装置以测试其微波回收工艺，已经开始实现其商用计划。火鸟公司得到了美国空军和国家科学基金的资助以及北卡罗来纳州大学的协作，已经利用其装置演示了世界首条碳纤维复合材料连续微波回收处理工艺[6]。
2.3亚超临界流体
美国ATI公司开发了一种回收技术，结合了低温湿法工艺和真空高温分解工艺，首先低温化学处理去除树脂以及一些污染物，然后通过真空高温分解剩余的树脂，获得99%纯度的纤维。这种处理工艺可以处理碳纤维复合材料的混合物，无需耗时和用昂贵的人工挑选。ATI公司利用这种工艺处理了波音787飞机的测试碎片，这种碎片由碳纤维、环氧树脂以及热塑性增韧剂组成。ATI公司首先利用低温湿法工艺完全溶解了环氧树脂，然后在525℃温度下真空热分解增韧剂及其他物质。
西班牙巴利亚多利德大学和英国诺丁汉大学的一个研究小组研究了甲醇、乙醇、丙醇、丙酮作为超临界流体对碳纤维复合材料的化学回收能力。并研究了温度、压力、流速、碱性催化剂等对树脂分解的影响。研究表明，流体体系及碱性催化剂促进了降解过程，提高了整体反应速率。通过改变流体速率和碱性催化剂比例可以在15分钟内降解95%以上的树脂，所回收纤维可以达到原纤维85-99%的强度[7]。
英国利兹大学Eyup Yildirir， Jude A. Onwudili等人研究了乙二醇以及乙二醇水溶液对于树脂的分解能力，研究表明，纯的乙二醇溶液在400℃条件下最高可以分解92.1%的树脂；将水加入乙二醇可以提高树脂分解比例，当乙二醇与水比例达到5时，400℃温度下树脂分解率达到97.6%，而其强度与初始纤维仅有细微差别。剩下的树脂降解溶液，分别采用NaOH和Ru/Al2O3作为催化剂在500℃和24MPa条件下超临界水气化，NaOH作为催化剂时可以产出60mol.%的H2，Ru/Al2O3作为催化剂时可以产出53.7.mol%的CH4[8]。
2.4电化学方法
我国深圳大学孙红芳等人采用电化学方法成功回收了碳纤维复合材料，研究了不同溶液浓度和电流对碳纤维回收效率及强度的影响。研究表明，回收碳纤维的强度随着溶液浓度和电流的增加而降低，3%NaCl溶液，25mA条件下，所回收碳纤维强度为原碳纤维的80%，接近热解方法，但低于化学方法。考虑回收碳纤维的质量，3%溶液浓度和4mA电流为最佳参数[9]。
3、展望
随着碳纤维的大量使用，碳纤维复合材料的回收再利用已成为一个迫切需要解决的问题。欧美及日本等发达国家和地区早就开始重视碳纤维复合材料的回收问题，并进行了相关研究，采取了一系列措施并初步取得成效。目前我国虽然有部分科研院所开始了相关研究，但整体水平与国外仍有不小差距，且尚未实现商业化运作。对此，本文作者提出几点建议，以下：
（1）我国政府应加大碳纤维复合材料回收与再利用的政策及资金扶持，引导并鼓励科研院所及相关企业进行研究并产业化，促进行业的良性发展。（2）建立碳纤维复合材料废弃物分级、分类方法及回收后碳纤维相关测试标准，并监督碳纤维及制品相关企业严格执行。（3）热塑性复合材料相对于热固性复合材料更易于回收再利用，我国应大力发展碳纤维增强热塑性复合材料，提高热塑性复合材料的使用比例，以减少热固性复合材料废弃物来源，降低碳纤维复合材料回收成本。
参考文献
[1]智研咨询集团.2015-2020年中国碳纤维行业市场竞争趋势及投资战略分析报告.
[2]Amanda Jacob. Airbus sets out carbon fibre waste recycling plans http：//www.materialstoday. com/ carbon-fiber/news/airbus-sets-out-carbon-fibre-waste-recycling-plans/. 13 May 2014.
[3]杨斌.日本东邦等三家公司成立碳纤维回收技术联合研发小组http：//www.frponline.com/ news/show.php？itemid=39068.2013-05-20.
[4]陈绍杰.我国先进复合材料技术领域的问题与差距[J].高科技纤维与应用，2015，40（3）.
[5]Heil J P. Study and Analysis of Carbon Fiber Recycling [D]. North Carolina State University，2011.
[6] Vicki P. McConnell. Launching the carbon fibre recycling industry. Reinforced Plastics，29 March 2010.
[7]Ra ? ul Pi ? nero-Hernanz， et al. Chemical recycling of carbon ?bre composites using alcohols under subcritical and supercritical conditions[J]. Supercritical Fluids，2008（46）83-92.
[8]Eyup Yildirir， et al. Recovery of carbon ?bres and production of high quality fuel gas from the chemical recycling of carbon ?bre reinforced plastic wastes [J]. Supercritical Fluids 92（2014） 107–114.
[9]Hongfang Sun et al. Recycling of carbon fibers from carbon fiber reinforced polymer using electrochemical method[J].Composites. Part A 78（2015）10-17.
作者简介
碳纤维材料在高速列车的应用前景 篇4
1 碳纤维材料的主要性能
要利用碳纤维材料, 就需要先认识碳纤维的特性, 以便在生产实际中更好地应用这种新材料。碳纤维的主要特性 (见表1) 主要有以下几点: (1) 碳纤维的强度高, 其抗拉强度可以达到3 000~4 000 MPa, 比钢大4倍多, 比铝高6~7倍。 (2) 弹性模量高。其弹性模量在230 GPa以上。 (3) 密度小, 比强度高。碳纤维的质量是钢的1/4, 是铝合金的1/2;比强度比钢大16倍, 比铝合金大12倍。 (4) 能耐超高温。碳纤维可在2 000℃下使用, 在3 000℃非氧化气氛的高温下不融化、不软化。 (5) 耐低温性能好。在-180℃低温下, 钢铁会变得比玻璃脆, 而碳纤维依旧很柔软。 (6) 耐酸、耐油、耐腐蚀性能好。能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯和丙酮等介质侵蚀。将碳纤维放在质量分数为50%的盐酸、硫酸和磷酸中, 200 d后其弹性模量、强度和直径基本没有变化;在质量分数为50%的硝酸中只是稍有膨胀, 其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。 (7) 热膨胀系数小, 导热系数大。可以耐急冷急热, 即使从3 000℃的高温突然降到室温也不发生炸裂。 (8) 防原子辐射, 能使中子减速。 (9) 导电性性能好 (5~17μΩm) 。 (10) 轴向抗剪切模量较低, 断裂延伸率小, 耐冲击差, 且后加工较为困难。
2 列车轻量化的意义
列车轻量化主要从轴重、能耗和制动三个方面考虑, 列车速度越高, 对轨道的冲击力越大。因此, 速度大于120 km/h的车辆的轴重要随速度级的增加而减少。轴重过重, 轻者则使钢轨过度磨耗和损伤, 增加线路维修工作量;重者则损坏线路, 酿成重大事故。高速列车的运行速度大于250 km/h时, 对轨道的冲击力比普通列车冲击要大得多。高速列车运行靠消耗电能来实现, 列车运行除具备一定的动力外, 还必须克服包括机械摩擦力和空气阻力在内的运行阻力。高速列车的运行速度大于250 km/h时, 需要的动能是现有列车的4倍多, 要克服的阻力是现有列车的10~30倍。高速列车的巨大动能在制动停车的短时间消散, 也是一个困难的技术问题, 一般高速列车采用再生制动和盘型制动结合的方式, 对盘型制动的制动盘和闸片的能力要求十分苛刻。列车轻量化对减轻高速列车自重, 减少线路损害、减少动力消耗、节约能源, 减少制动系统的负担具有重大意义。
3 国内高速列车应用现状
3.1 高速列车车头
高速列车在高速行驶中, 所受到的空气阻力占列车总阻力很大一部分, 而且随着列车的速度提高而急剧增加。例如国内常见的以250 km/h的速度运行的高速列车, 其空气阻力超过列车运行总阻力的50%.为了实现高速铁路的安全、舒适、低能耗且满足环境保护的要求, 必须对列车车头进行深入而细致的研究, 以期最大程度地降低车辆的气动阻力、气动升力和侧风效应等, 达到降低能耗和增加列车运行稳定性的目的。
高速列车行驶中, 车头最高正压集中在车最前端迎风面, 车头设计随着车头长度增加, 外流场的气流附着在车头表面流动, 随着流线型线条趋于平缓、车头横截面变化梯度变小, 则边界层随之加长, 边界层分离点后移, 分离区域减小使得气流分离较为顺畅平缓, 列车的最大压力随着减低。即使如此, 高速列车车头最高正压也达到3 000 Pa。碳纤维车头前端头盖 (如图1所示) 可以很好地承受列车最前端的最大正压和最大负压, 避免列车因正压和负压而失效, 提高高速列车的空气动力性能。
碳纤维车头导流板对提高列车的空气动力性能有重要影响:一方面, 可以减少空气的扰动, 使湍流动能对车身底面的冲击降到最低, 同时减少气流进入车底, 缩小车顶与车底的空气压力差, 增加车辆行驶稳定性;另一方面, 它可以使迎面而来的气流平缓分离, 最大程度地降低迎风面的压差阻力作用。
3.2 高速列车钩缓装置
高速列车的钩缓装置作为列车纵向力的关键部件之一, 在列车的安全运行中起着至关重要的作用。列车不同车辆间的纵向力均由钩缓装置传递, 钩缓装置不但能够在列车运行过程中吸收车辆之间的纵向冲击力, 提高列车运行舒适性;而且钩缓装置中的吸能装置还能在列车发生碰撞的情况下保护车体, 避免乘客受伤。
目前, 国内高速列车车钩的主要承力件均为钢结构, 其中主要包括焊接钩体、车钩安装座 (板) 和车钩缓冲器的主要结构件等, 国内高速列车车钩重量均在500 kg以上。以国内某高速车车钩安装板为例, 仅安装板就超过100 kg, 导致车钩的安装和起吊非常不方便。将碳纤维材料引入钩缓装置中, 就会极大减少钩缓装置的重量, 这不但可以整体减轻列车的重量, 而且对车钩的使用、安装和检修都具有重大意义。
3.3 高速列车制动装置
随着列车运行速度的提高, 高速列车对制动系统的要求也越来越高。从能量守恒考虑, 列车的动能与其运动速度的平方成正比, 列车所具备的制动功率也应与最高速度的平方成正比。从黏着利用和防滑考虑, 高速列车必须具备高性能防滑装置, 来确保行车安全;为了提高乘坐舒适度, 对制动力控制精度有较高的要求。
列车制动方式来说, 踏面制动是最常用的一种制动方式。而从高速列车制动系统来看, 踏面制动由于其缺陷性很少被采用, 目前盘形制动是高速列车最终实现停车的基础制动方式, 它在制动功率、减少车轮踏面热伤害等方面具有踏面制动所没有的优越性。长期以来, 基础制动装置采用的主要材料是铸铁材料。国内经纯净化处理、优化锻造等制成的制动盘, 具有良好的综合性能和优异的抗热疲劳性, 可在高速列车上采用。但其与碳纤维复合材料相比, 碳纤维复合材料的性能要远远好于铸铁材料, 并符合高速列车轻量化发展的要求, 国内外对其进行了大力的研究和开发, 得到了一定的应用。
与铸铁材料相比, 碳纤维复合材料制动盘具有以下主要特点: (1) 根据工艺, 使摩擦系数曲线与黏着系数曲线获得较好的吻合, 摩擦系数大且对速度的改变不太敏感。 (2) 耐磨, 寿命一般在铸铁闸瓦的4倍以上;制动时, 无火花;重量大大减少, 对线路和车辆冲击减少;磨耗少。
4 未来应用方向及前景
目前, 国内关于碳纤维材料在高速列车上的应用还较少, 大多数研究项目还处于试验阶段, 技术成熟且可以使用的较少, 急需投入较大的力量进行研究和开发。想让我国高速列车的技术始终占据国际市场, 关键是对新材料 (碳纤维等) 在车体、转向架等承力结构的研究和开发, 抢占技术制高点, 为以后的发展打下坚实的基础。
高速列车上车体材料以高强度铝合金为主。铝合金材料具有良好的强度、疲劳性能、抗裂纹能力、良好的表面处理能力和抗腐蚀能力, 撞击时不会产生火花, 有较好的吸收冲击能力和吸音能力。它的优势使其在高速列车上得到广泛运用。此外, 铝合金还具有焊接性能较差、耐磨性能差、弹性模量小和应用温度较低等缺点。列车速度越高, 它的缺点对列车的整体性能影响就较大。用复合材料和碳纤维材料来代替铝合金材料, 可以进一步提高列车高速行驶的车体稳定性和安全性, 因此, 对铝合金材料的代替具有广阔的研究前景。
转向架技术直接制约着高速列车的性能, 车辆受到的各种载荷、作用力的承载和传递都通过转向架来实现。转向架的结构和性能较好, 能够缓和车辆与线路之间的相互作用, 减小振动、冲击和动应力, 提高车辆运行平稳性和安全性。碳纤维材料性能的优越, 对于转向架的轻量化、结构强度等有着重要的意义。由于转向架的受力复杂、影响因素较多, 目前碳纤维材料在转向架的研究和应用还不够深入, 未来该方面还需加强。
5 结束语
碳纤维在高速列车上的应用有着广阔的前景, 目前主要在材料成本和生产设计两方面制约着它在高速列车上的应用。
材料成本方面。碳纤维增强复合材料所用的纤维和基体材料价格高, 是该材料在工业广泛使用最大的障碍。生产碳纤维的原丝——聚丙烯晴丝较贵, 美国正在研究以纺织商品级的聚丙烯晴丝为原丝, 并能够快速生产廉价碳纤维的工艺, 可望将碳纤维的价格降至3美元/磅。同时, 缺乏大批量、高生产效率的碳纤维复合材料高速列车零部件的生产方法。
生产设计方面。探索能够生产多种形状和性能的高速列车零部件工艺方法, 研究发展高效、低成本的碳纤维增强复合材料零件生产工艺, 具有重大意义。此外, 碳纤维增强复合材料高速列车零件的设计数据、试验方法、分析工具和碰撞模型等尚不完善。
摘要：近十年来, 我国高速列车蓬勃发展, 高速列车技术已达到甚至超过国际先进水平。然而, 要始终占据高速列车技术制高点, 仍需加大高速列车技术的研发和应用。对此, 从碳纤维材料的主要性能方面探讨其在高速列车上的应用和前景。
关键词：高速,列车,碳纤维,材料
参考文献
[1]张鹏.碳纤维的应用及市场[J].新材料产业, 2001 (12) .
[2]陈光大.碳纤维的应用前景[J].中国投资, 2002 (03) .
[3]苏小萍.碳纤维增强复合材料的应用现状[J].高科技纤维与应用, 2004 (05) .
碳纤维材料 篇5
自上世纪60年代碳纤维首次商业化以来，产业规模不断扩大，产品品质不断提高，2014年全球碳纤维产能（365天连续生产12K/24K碳纤维丝束计算）已达到12.6万吨。尽管碳纤维与传统的玻璃纤维在价格上仍不能相比，但高性能碳纤维以其高比强度、高模量、可设计、防腐蚀和抗疲劳等突出特点，具有玻璃纤维所不能比拟的优势，已成为发展先进武器装备的关键材料，并在航空航天、国防军工、风能产业、土木工程、体育休闲等领域得到了广泛应用。
当前，国际复合材料产业呈现蓬勃发展态势，据估计，未来5年，先进复合材料将以每年 5%的增速发展，而随着民用航空、汽车工业等领域的快速发展，全球高性能碳纤维需求量的年增幅可达10%，亚太地区将会有更高的增长率，即碳纤维及其复合材料产业将面临前所未有的发展空间和机遇。
因此，在目前碳纤维产业快速发展的关键时期，我们更应该认清国际碳纤维产业的发展形势、对照国外先进企业找差距找问题，通过理性思考寻求解决途径，适时把握发展机遇，落实行动、注重实效，努力推进国内碳纤维及其复合材料产业的健康快速发展。
1、国外碳纤维产业现状及发展趋势
1）产业方面
根据前躯体原料的不同，碳纤维可分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基和粘胶基碳纤维等。由于粘胶基碳纤维在制备过程中会释放出毒性物质二硫化碳，且工艺流程长、生产成本高、整体性能不高，因此目前，国际碳纤维产业领域，前两种碳纤维获得了更大规模的生产和应用。其中，PAN基碳纤维又占据绝对优势，国际市场占有率超过90%。PAN基碳纤维的九大生产商包括：日本东丽、东邦、三菱丽阳、美国赫氏（Hexcel）、氰特（Cytec）、卓尔泰克（Zoltek，已被东丽收购）、台塑、土耳其阿克萨（AKSA）和德国西格里（SGL）。沥青基碳纤维的生产和应用居其次，主要生产企业三家，分别是Cytec、三菱塑料和日本碳素纤维。
PAN基碳纤维分为小丝束（1-24K）和大丝束（36K及以上）两类。全球小丝束碳纤维市场主要被日本东丽、东邦、三菱丽阳三家公司所垄断，而来自中国、土耳其和韩国的企业，正不断扩充小丝束的全球产能，同时也降低了三家日本公司的市场份额。
大丝束碳纤维生产商主要有Zoltek、SGL和三菱丽阳三家。另外，中国国企蓝星集团英国分公司拥有大丝束碳纤维原丝的供应能力，Cytec于2014年与德国腈纶企业合作开展低成本大丝束碳纤维的研制开发。预计在未来10年中，其它制造商也会陆续加入大丝束碳纤维生产领域。
为满足高速发展的航空航天与汽车市场对碳纤维的需要，几乎所有的碳纤维巨头都宣布了扩产计划。例如，日本东丽拥有以日本本土为核心的日美法韩4个生产基地，目前已形成11000～12000吨/年的T700S和4500吨/年的T800碳纤维生产能力，并宣布PAN基碳纤维的总产能于2015年达到27100吨，2020年扩大至50000吨。另外，Hexcel在欧洲大幅度扩产，三菱在美国与本土扩产，Cytec已经基本完成美国的双倍产能扩产计划，SGL也在美国接连扩产。各企业的碳纤维生产已基本实现了全球布局，为进一步实现从原丝到下游复合材料制品的全产业链一体化协调发展奠定了硬件基础。2）技术方面
目前，国外高强、高强中模碳纤维的产业化制备技术成熟，规模化、自动化程度高，关键核心技术掌握在日、美等国手中。其中，日本东丽公司凭借其强大实力研制并形成了包括T300、T700、T800、T1000等在内的高强系列和包括M35J、M40、M40J、M55J、M60J、M70J等在内的高模和高模高强系列产品，一直占领着碳纤维技术的制高点，令对手难望其项背。美国Hexcel经过多年的研究，在IM9高强中模碳纤维基础上，研制出IM10碳纤维，主要力学性能超过日本东丽T1000，并成功应用于大型客机。IM10推出两年半后的2014年初，东丽公司宣布推出T1100碳纤维，重新夺回碳纤维技术的领先地位。
目前，低成本技术已成为碳纤维及其复合材料发展的迫切需求和重要趋势。为了进一步推进行业的快速发展，国外各碳纤维生产商正开展碳纤维产品规模化、稳定化和低成本化生产技术方面的研究。
2、国内碳纤维行业发展现状 1）产业技术现状
在国家科技和产业化示范计划支持下，近10年来我国碳纤维制备与应用技术，实现了从“无”到“有”的转变，出现了前所未有的产业化建设高潮，初步建立起国产碳纤维制备技术研发、工程实践和产业建设的较完整体系，产品质量不断提高，碳纤维及其复合材料技术发展速度明显加快，有效缓解了国防建设重大工程对国产高性能碳纤维的迫切需求，部分型号用碳纤维及其复合材料的国产化自主保障问题基本解决。
目前，T300级碳纤维已实现千吨级产业化，产品成功应用于航空航天和武器装备，民用市场正在推广；T700级碳纤维千吨级生产线已经建成，产品进入应用考核；国产T800级高强中模碳纤维吨级线建成并已批量生产；高模及高模高强碳纤维的产业化仍为空白，其工程化制备关键技术急需突破；更高等级的高强中模和高强高模碳纤维制备关键技术亟待攻关。
截至2014年底，我国已拥有碳纤维生产企业近40家，理论设计总产能达到1.96万吨。已建成6条千吨产能（含配套的原丝生产能力）、7条五百吨产能的碳纤维生产线（含配套的原丝生产能力），拥有千吨以上规模生产线的企业4家，五百吨级的企业（或企业联合体）5家，主体产品为12K及以下的小丝束PAN基碳纤维。
据统计，2007年以来，国内碳纤维产量逐年增加，从2007年的约200吨，增加到2014年的约2600吨，但产能释放能力弱的问题依然非常突出，2014年的碳纤维实际产量不足设计产能的20%。一方面，我国碳纤维企业普遍开工不足、设备闲置、产能浪费，生产成本居高不下；另一方面，受国际碳纤维行业巨头的蓄意压制，碳纤维售价一跌再跌，甚至跌至成本以下，碳纤维企业面临着生产越多亏损越多的局面。目前，我国碳纤维企业长期面对“内忧外患”困扰，几乎全部处于亏损状态，大部分企业只能减产甚至停产，生存状况不容乐观。
2）存在的主要问题
目前，我国碳纤维技术、设备、品种和性能等方面还处于起步阶段，与发达国家相比仍有较大差距，无论产量、质量均有待进一步提高。存在的主要问题包括： ① 重复建设多，产能利用率低
具有国际竞争力的全球九大碳纤维制造商中，日本3家，美国2家，而在近几年中，我国碳纤维产业在国家政策的引导下，各地的碳纤维项目如同雨后春笋般纷纷上马，导致目前的碳纤维企业超过30家。投资建设的企业不少，但同时同质化发展的低水平投资现象居多，又由于自主创新能力不足，导致产能规模小、利用率低、竞争力弱，严重制约了碳纤维产业的健康发展。② 技术相对落后，产品质量差
我国碳纤维产业目前相当于国外碳纤维企业上世纪80年代的水平，缺乏具有自主知识产权的核心生产技术，工艺技术的多元化体系建设尚不完善，原丝生产的技术路线单一，生产工艺稳定性差，生产过程能耗、物耗偏高，成本居高不下。
同时，国产碳纤维产业创新团队力量不足，原始创新能力相对较弱，导致国产碳纤维表现出产品性能稳定性、可靠性差，与树脂产品复配的应用工艺性差，高端产品产业化水平低，与国际同类产品差距显著。
③ 部分关键装备落后，设计制造能力有待突破
目前，国内缺乏大型专用生产设备的设计制造能力，对引进装备的二次改造能力也不强。尽管一些企业已开始装备国产化的研究，但自主设计、制造能力相对较弱，装备的工艺适应性、系统可靠性和控制水平等方面与进口设备仍有较大差距。使得碳纤维综合指标协调与可控性不高。因此，缺乏大型专业装备的设计制造能力也成为碳纤维产业面临的主要问题之一。
④ 差别化专用上浆剂有待进一步国产化
目前，国内所用的上浆剂大部分为水性乳液型上浆剂，以环氧树脂为主，品种较少，不能满足国产碳纤维应用日益发展的要求。不匹配的上浆剂会使碳纤维出现毛丝较多、脆性增大、灰份含量高等问题，降低了使用性能。因此，急需开发出包括热塑性树脂上浆剂在内的、适合国产碳纤维的多系列上浆剂类型，进一步研发耐湿热老化、耐高温等高端领域的差别化、专用上浆剂，完善、改进上浆工艺，以满足不同领域碳纤维复合材料加工制造的实际要求。⑤ 应用市场技术发展独立，产业牵引力不足
我国的碳纤维应用是独立于碳纤维制备技术而发展起来的，碳纤维上下游产业发展严重脱节，纤维几乎完全依赖于进口，对国内碳纤维产业发展的牵引力不足，直接造成碳纤维企业开工率低，产能浪费严重。同时，国内碳纤维复合材料的设计、制造和应用水平与发达国家存在较大差距，直接导致国产碳纤维复合材料在高端制品上的应用和工业领域的拓展受到制约。因此，我国复合材料及其制品的设计、制造技术有待进一步提高，碳纤维下游应用市场亟待培育和开拓。
二、国内外碳纤维应用领域现状
1、航空航天领域
航空航天是国际碳纤维应用的传统市场，几十年来，航空航天领域的碳纤维复合材料用量稳步增长。美国等发达国家先后开发了碳纤维-酚醛防热复合材料、高强高韧碳纤维-环氧复合材料、耐高温碳纤维复合材料等系列产品，广泛应用于战略导弹、运载火箭、先进战机、卫星、飞机发动机导向叶片、机翼和涵道部件等。碳纤维已成为航空航天、尖端武器装备必不可少的战略基础材料。
国外碳纤维复合材料在战斗机、直升机、无人机上的用量早已达到或超过机身总重的50%，波音787“梦幻航线”和空客A350XWB宽体客机上，碳纤维复合材料主、次结构件重量占比也已达到50%。碳纤维复合材料的使用大大的减轻了机身质量，提高了飞机燃油经济性。
目前，我国航空航天用碳纤维复合材料体系基本建立，先后发展出了酚醛、环氧、双马、聚酰亚胺等多种树脂基体，构建了碳纤维-酚醛烧蚀防热和碳纤维-环氧、碳纤维-双马结构承载两大复合材料系列，逐渐进入成熟应用阶段，应用范围和应用比例逐步扩大；建立了预浸料铺层模压、缠绕、热压罐、液体成型等多种工艺手段，并在多种型号上得到应用，形成了较为完备的复合材料设计、制造、检测、应用一体化体系，为我国航空航天事业的跨越发展提供了重要支撑。另外，我国自行研制的碳纤维复合材料刹车预制件，性能已全面达到国外水平。采用这一预制件技术所制备的国产碳/碳刹车盘已批量装备于国防重点型号的军用飞机，并在B757-200型民航飞机上使用，在其它机型上的使用正在实验考核中。
2、建筑工程领域
建筑工程一直都是通用级碳纤维应用的重点领域。目前，美国和欧洲国家的部分老旧桥梁、古旧建筑都面临着较为严峻的工程修复问题，因此，碳纤维补强材料多以粘贴片材的形式应用。一些新型的加固方法，如外贴预应力片材加固、网格加固、嵌入式加固等也在基础设施加固工程中得到了应用。日本由于频繁地震的原因，多年前就开始了碳纤维耐震补强材料和技术的研究与应用。随着设计、施工水平的提高，碳纤维及其复合材料也独立或作为主要受力材料被应用于隧道、飞机跑道、停机坪、高速公路等工程。另外，桥梁用碳纤维斜拉索、高层建筑电梯用碳纤维拉索、碳纤维增强水泥、碳纤维网格增强混凝土等也已成为目前碳纤维在国外建筑工程领域应用的新形式。
我国拥有全球最大的土木建筑市场，碳纤维在加固道路、桥梁、楼房建筑结构领域的应用正呈现不断增长的的趋势。我国自上世纪90年代开始进行碳纤维复合材料在土木工程、建筑补强中的应用研究，目前已有数十个高校和科研院所在建筑补强用碳纤维复合材料的制备及应用关键技术研究领域开展了深入工作，并在产品生产、装备制造、材料评价及设计体系、应用技术等方面取得了大量成果。工程应用方面，碳纤维布及碳纤维复合材料板成为重要的结构加固材料，并得到了广泛的应用，先后被用于人民大会堂、天安门城楼、北京工人体育场、军事博物馆、京沈高速公路桥、北京地铁隧道、北京国贸立交桥、中石油输油管道等众多重大基础设施、公共设施和工业设施。但与国外相比，我国该领域碳纤维复合材料的应用尚处于起步阶段，仍存在材料类型单
一、应用技术单一的问题，急需进一步的深入研究和实践。
3、能源领域
随着风电叶片大型化的不断推进，碳纤维复合材料的应用也越来越多。国外风电叶片制造商早已在大型叶片的制造中规模化使用了碳纤维，同时碳纤维叶片的制造也真正实现了全产业链的共同进步。碳纤维制造领域，日本东丽、Zoltek等企业，针对风能市场的特殊需求纷纷推出专用的碳纤维产品，如24K T620s和50K Panex 35；中间制品领域，Gurit、Hexcel、ACG等中间产品制造商开发了叶片专用碳纤维预浸料，如SparPregTM、HextoolTM和DformTM；在叶片成型工艺方面，除了改良的预浸料技术——低压中温预浸料真空袋法，还开发了新型真空导入成型技术——液体成型工艺。目前，国外至少有6家大型风电企业正在采用碳纤维复合材料或碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料生产大型或特大型风机叶片，其中起步较早、技术较成熟、应用较多的是丹麦Vestas、美国GE和西班牙Gamesa等公司。
国内目前仅有连云港中复连众复合材料集团有限公司（中复连众）和中材科技风电叶片股份有限公司（中材叶片）实现碳纤维在风电叶片中的规模化应用。其中，中复连众自2009年开始碳纤维在风机叶片上的应用研究，并于2012、2013年分别实现了进口和国产碳纤维主梁在75m/6MW叶片上的应用，同时完成了叶片的全尺寸静力和频率测试，目前正在准备挂机。中复连众同期开展了风机叶片用国产碳纤维复合材料理化性能、力学性能、工艺性能方面的研究，探索出国产碳纤维应用的设计要求和制造工艺，为推动国产碳纤维在大型风机叶片领域的应用奠定了坚实的基础。中材叶片于2011年在Sinoma 56m/3.6MW叶片的主梁上首次采用碳纤维预浸料，试制生产的56m碳纤维叶片顺利通过了静力实验，随后成功生产了22套56m/3.6MW风电叶片出口美国。
总体上讲，国内碳纤维在风电叶片上的规模化应用尚处于尝试阶段，叶片的设计、结构验证、长期安全性验证等问题都没有形成完善的解决方案。现阶段碳纤维的供应主要来源于国外公司，以碳纤维预浸料为主，供应渠道受限，也是影响国产碳纤维规模化应用的另一主要原因，因此有必要继续开展国产碳纤维在大型风电叶片上的应用研究。
4、体育休闲领域
体育休闲领域是碳纤维复合材料的重要应用领域。碳纤维在该领域的应用主要集中在高尔夫球棒、钓鱼杆和球拍三个产品类型。近年来，自行车、去混球杆、滑雪杆等新兴产品的碳纤维用量也在不断增长。
我国在20世纪80年代初开始研制碳纤维复合材料体育运动器材，目前，已与美国、日本和中国台湾并列成为高尔夫球棒的主要产地。另外，钓鱼竿、网球拍、鱼线轮、网球拍、羽毛球拍、自行车架等产品也是碳纤维在我国的主要用途。
5、碳纤维复合芯导线领域
碳纤维在电力输送领域的研究起步于上世纪90年代，2002年，美国CTC公司开发出碳纤维复合材料芯棒之后才开始规模化应用。目前，美国CTC公司的整体技术处于国际领先水平，但欧洲、亚洲、南美洲的20多个国家、200余条新建和改造线路中也都开展了碳纤维复合芯导线的应用，挂网总长度超过7000km（架设导线总长约为20000km），电压等级覆盖了13.6-550kV。
我国碳纤维复合芯导线整体技术水平与国外相当。2007年，江苏远东、河北硅谷、中复连众等企业开始自主研制碳纤维复合芯及导线。目前，国内碳纤维复合芯及导线生产厂家接近20家（已有供货业绩的有5家），国内年预期产能超过50000km。各主要生产厂家制备的碳纤维复合芯导线技术指标均满足碳纤维复合芯架空导线技术要求并已通过所有型式试验验证，技术性能已达到国外同类型产品的技术水平。
国内外复合芯制造厂家采用日本东丽或东邦T700级碳纤维，T700级碳纤维作为复合芯关键材料，供应及价格一直受制于日本，高昂的碳纤维价格是限制复合芯导线大范围推广的主要原因。
2014年7月，中复碳芯将中复神鹰T700级碳纤维SYT45试用于碳纤维复合芯导线，并在常州35kV邹区线上成功挂网，运行良好。国产碳纤维在复合芯导线的实际应用方面取得了突破性进展。
6、车用碳纤维复合材料
在各国政府的大力支持下，国外各大碳纤维制造商纷纷与汽车巨头联手，发展汽车用碳纤维复合材料设计制造技术，已经形成“碳纤维、复合材料供应商+零部件供应商+主机厂”的联盟式产业化布局，并突破了车用碳纤维复合材料零部件及车体的规模化、自动化制造技术。最成功的实施案例是德国宝马的i3电动概念车，宝马公司为这款车型建立了一条包括碳纤维原丝、碳丝、编织布、复合材料零部件、主机装配等各环节的碳纤维复合材料车身产业链，日产量可达100辆。另外，日本东丽研发出“TEE WAVE AR1”电动汽车，共用碳纤维复合材料160 kg，碳纤维车身成型周期10min/套。日本东邦与丰田合作成立“复合材料创新中心”生产LEA跑车。美国特斯拉公司推出全球首款Roadster纯电动跑车，整车重1200kg，采用碳纤维增强环氧树脂复合材料车身，成型周期为20min/套，年生产量为1500辆左右。
总的看来，国外在碳纤维复合材料汽车轻量化产业方面已经初具规模，处于复合材料发展技术的前沿，主要核心制造技术掌握在少数几个大公司手中，发展已呈现逐步加快的趋势。
而目前，我国碳纤维复合材料在汽车工业中年用量比例还很小，应用较为成熟的技术大部分集中在非连续纤维复合材料成型工艺上。在连续纤维复合材料的快速成型技术方面，重点突破了以热塑性复合材料快速热压成型和快速树脂流动成型为代表的低成本连续碳纤维复合材料部件制造关键技术，并实现了部分装备的连续化自动化生产，实现了连续碳纤维复合材料片材、板材及部分部件的连续自动化制备，初步建立了车用复合材料部件生产示范线。但是，由于缺乏与国产碳纤维匹配、满足汽车生产节拍的快速固化树脂，尚未形成研究、设计、开发、制造、装备、检测、应用评价与推广应用一条龙产业链，同时碳纤维复合材料部件及整车验证、装配技术、质量控制等方面与国外差距巨大，急需进行进一步技术攻关。
另外，随着我国工业化进程的不断推进，诸如碳纤维连续抽油杆、新型储能电池、采油钻井平台等新兴应用领域对碳纤维的需求量也在不断扩大，碳纤维及其复合材料的发展前景一片大好。
结束语
综上所述，我国碳纤维产业正处在高速发展的关键时期，在蓬勃发展的国际碳纤维产业大背景下，我国在重大工程、一般工业和新兴产业领域对高性能碳纤维产品也提出了迫切的需求。国内碳纤维企业应进一步明确自身的创新主体地位，面向国防军工、民用航空、人造卫星等航空航天高端装备制造业，建筑补强、海洋工程、石油勘探等传统产业升级领域，以及新能源汽车等战略新兴产业，分阶段逐步开展不同品系碳纤维产品的产业化关键技术攻关、成本质量控制、工业应用示范和重点领域应用评价，开发出符合我国实际应用需要的高性能、高稳定性、规模化、低成本生产技术和多品系碳纤维产品，真正实现我国碳纤维产业的快速健康发展。
碳纤维材料 篇6
关键词混凝土;碳纤维布;应用
中图分类号TU746.3 文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)051-0135-01
近年来,纤维类材料在土木工程中的应用一直是国内外研究的热点。在所有这些纤维材料中,碳纤维材料是迄今为止应用于土木工程领域最早、技术最成熟,也是使用量最大的一种高科技材料。碳纤维材料具有高抗拉强度、高弹性模量、耐腐蚀、耐久性能好等优点,运用在加固工程中有施工方便,无需任何夹具、模板,能适应各种结构外形的补强而不改变构件外形尺寸,可多层粘贴,并能有效地封闭混凝土的裂缝,同时不增加结构自重的特点,经济合理。所以碳纤维材料常用于混凝土结构的抗震、抗剪和抗弯加固。论文重点介绍粘贴碳纤维材料加固土结构的原理和加固效果。
1常用混凝土结构维修加固技术
目前工程上常用的钢筋混凝土结构补强加固方法主要有:①加大截面加固法。加大截面加固法是通过增加原构件的受力钢筋同时在外侧重新浇筑混凝土以增加构件的截面尺寸来达到提高承载力的目的其优点是可以在增加构件承载力的同时增大其刚度和变形能力部分情况下也可以加强连接的可靠性。②外包钢加固法。外包钢加固法是用乳胶水泥环氧树脂化学灌浆或焊接等方法对梁柱外包型钢进行加固此方法主要是通过约束原构件来提高其承载力和变形能力。③预应力加固。预应力加固方法是通过预应力钢筋对构件施加体外预应力以承担梁屋架和柱所承受的部分载荷从而提高构件的承载力。④粘钢加固。粘钢加固混凝土结构在二十世纪六十年代开始出现由于粘钢加固用于加固混凝土结构的方法施工简单快捷施工时对生产活动和人们生活影响较小并且加固效果较好因此这种技术在二十世纪七十年代和八十年代在世界范围内得到了广泛的应用。粘钢加固是在混凝土表面用特制的建筑结构胶粘结钢板是提高结构承载力和抗变形抗裂能力的一种实用方法。⑤玻璃钢加固。玻璃钢是一种复合材料,它的膨胀系数与混凝土的线膨胀系数相接近,且具有比强度高、电磁绝缘性好等优点,可分别在梁底而和侧而粘贴玻璃钢来增强钢筋混凝土梁的抗弯和抗剪承载力,并改善梁的变形性能。但玻璃钢是热塑性的,这使得用玻璃钢加固的结构在高温或冷热循环条件下容易变形,并可能影响加固的效果,存在安全性的隐患。
2碳纤维材料加固技术的特点和优越性
1)碳纤维材料的化学稳定性能优异。该材料具有很强的抗酸性、抗碱性、抗盐性、抗紫外线和防水等功能。同时它也具有良好的适应温度稳定性。如果我们将防火涂料涂抹在碳纤维材料外表面则可以将它应用到防火加固工程中去。我国在许多旧烟囱的维修加固工程中也有广泛的应用。碳纤维材料可以很好地增强建筑结构对外部环境的适应能力,延长建筑结构物的使用寿命。
2)碳纤维材料的物理力学性能优异。该材料的优异的物理力学性能使它可以有效应用于结构物的抗弯、抗剪、抗压、抗疲劳、抗震、抗风、控制裂缝和挠度的补强工程,并且可以取得优异的加固补强效果。
3)碳纤维材料的质量轻、强度高,用它加固的结构体可通过装饰后,不留加固痕迹,不影响结构体外观。它质量轻、强度高的特点使它可以在基本不增加结构体积和不改变结构外形的情况下加固结构体。
4)粘贴碳纤维材料加固混凝土技术的施工工序非常简单、便捷。当它在加固施工时不需要启用大型工程器械,仅需要采用小型电动工具操作。
3碳纤维布加固混凝土结构的应用施工要点
1)施工前的准备作业、基面处理要求。①混凝土基面的清理:先用钢丝刷将表面松散浮渣刷去,然后用壓缩空气清除粉尘;再用丙酮或无水酒精擦拭表面,也可用清水冲洗,但必须保证混凝土基面充分干燥后才能进行下一道工序的施工。②涂刷底胶:按比例准确配制底胶并搅拌均匀,从而确保粘接质量,当底胶超过时间绝对不能使用;将配制好的底胶均匀地涂抹在混凝土基面,注意直横均匀涂抹和底胶的自然风干。当底胶硬化后,发现在表面有凸起部分时,要再用磨光机或砂纸打光,待底胶完全干燥后,才可以进行下道工序的施工。③粘贴面的修补:为确保加固效果,如果发现粘贴面上有凹入部位或气孔,必须先用找平胶进行修补找平,保证粘贴面的平整后,等找平胶干燥后才允许进入下一道工序的施工。④粘贴碳纤维布:依设计尺寸大小裁剪出需要的碳纤维布,根据现场施工经验和作业空间确保下料长度,如果遇到有需要进行接长的情况,接头长度要求不得小于15cm;施工时要注意控制下料数量,下料数量要求以当天能用完的量为准;粘贴碳纤维布时,根据设计位置由上而下,有左至右有秩序地粘贴,并以滚筒压挤粘贴片,使得碳纤维布与浸渍树脂充分结合,同时去除气泡;确保观察贴片是否粘贴密实,若发现有间隙或气泡,要求及时处理。保证不出现间隙或气泡。⑤罩面防护处理:粘贴完碳纤维布后,要在其表面再均匀涂抹一层浸渍树脂,自然风干;确保材料表面已充分风干结合后,再在其表面涂抹罩面胶或采取其它防护措施处理。
2)粘贴施工要求。①对需要加固的混凝土结构基面要求:碳纤维布加固混凝土结构技术是依赖碳纤维布与结构表面的粘贴有效率,所以要求基面的混凝土强度等级不得低于C15。同时要求被加固混凝土结构具有良好的保护层,并且基面要求平整。②碳纤维布的粘贴:碳纤维布加固混凝土构件时,要求采用薄布多层的粘贴方法,从而确保与粘结材料充分浸润。对于受弯构件,最好在受拉区沿轴向粘贴碳纤维布进行加固,并且在主纤维方向的断面端部附近进行必要的锚固处理措施。③碳纤维布的搭接与截断:粘贴碳纤维布加固混凝土时,最好不要沿主纤维方向的搭接,特别是用于受拉构件和弯拉构件受拉区的加固。根据国内外实验研究表明:碳纤维布与混凝土粘结应力主要集中于端部10cm范围内,产生的粘结破坏是脆性的,同时粘结应力一般不会产生扩展。所以遇到碳纤维布必须搭接时,搭接部位要求必须避开构件的应力最大区范围,同时搭接长度必须不小于10cm,搭接端部必须平整无翘曲。多层搭接的各层接口位置,不可以在同一截面,每层的接口位置的净距最好大于20cm。④工程中选用的碳纤维布及其配套粘结材料,必须有厂家所提供的材料检验证明和合格证。
3)粘贴结材料的配合比控制。粘贴用胶结材料的配合比必须严格控制,它是粘贴加固质量和效果能否得到保证的关键环节,在配料时要求严格按使用配合比备料,在有条件的地方最好先进行粘结试验,将配合比不能达到加固设计对胶结材料的使用要求时,不允许应用于施工。
4)其它。①施工温度控制。环氧树脂在低温条件下固化比较缓慢,一般直选择在15°-28°的温度条件下进行施工。如果遇到在气温较低时施工,必须采取加温养护措施,譬如用紫外线灯烘烤。②应保持成型所需要的压力。混凝土梁板加固时,大多数都是在梁的底面进行,由下而上进行粘贴。如果成型时施加的压力不足,就会造成与混凝土之间粘合不够紧密,导致补强层材料发生脱落,会影响加固的效果。
4结束语
总之,新型材料碳纤维在我国引进和应用于粘贴碳纤维加固混凝土的技术时间不长。但该项技术在越来越多加固项目中得到应用,其优异的性能在混凝土结构加固工程中得到充分的体现。相信碳纤维加固修复技术会越来越成熟和完善。
参考文献
[1]张晶.采用碳纤维加固预防砼板裂缝产生[J].安徽建筑工业学院学报,2005.
[2]袁海军,姜红.建筑结构检测鉴定与加固手册[M].中国建筑工业出版社,2003.
碳纤维材料 篇7
碳纤维复合材料 (CFRP) 具备极佳的综合性能, 诸如高比强、高比模、耐高温、耐磨、耐疲劳、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优良的综合性能, 目前在航空航天、军工、汽车等领域中得到了广泛的应用[1,2]。预计2015年我国大飞机碳纤维复合材料用量达到25%, 对碳纤维的需求量约2 500 t[3]。目前, 碳纤维复合材料大多采用多向铺层的叠层工艺方式制造成型[4], 在钻孔加工过程中, 由于切削力、切削温度及材料本身性能影响, 加工后孔表面质量不易保证, 经常会出现分层、撕裂、毛刺等加工缺陷, 并且使用传统刀具材料时, 刀具易磨损, 寿命低, 而使用PCD刀具钻削加工碳纤维复合材料时, 不但能够获得良好的加工质量, 而且刀具寿命长。
本研究提出的钻削试验采用DM2500M金相显微镜、KEYENCE VHX-1000三维显微系统以及DECK-EL MAHO DMU 50 evo linear五轴加工中心, 加工中心的刀具夹持系统为HSK-A63, 试验材料为碳纤维增强双马树脂基复合材料 (T300) , 外形尺寸长200 mm×宽80 mm×厚3.5 mm长方型板材。试验主要分析碳纤维复合材料钻孔加工的主要缺陷分类及原因, 以及切削参数对加工质量的影响。
1 碳纤维复合材料孔加工主要缺陷
1.1 孔加工的主要缺陷分类
碳纤维复合材料在钻削过程中会出现各种加工缺陷, 其示意图如图1所示。
这些缺陷主要可分为两类缺陷: (1) 孔的尺寸精度、位置精度不合格, 圆度超差等几何缺陷, 如孔形不圆、孔的尺寸收缩, 这些缺陷在金属材料制孔中也会存在; (2) 孔出、入口处的纤维劈裂或撕裂, 孔内壁周围材料分层以及孔壁表面的微裂纹等碳纤维复合材料制孔时存在的特有缺陷, 这也是碳纤维复合材料制件连接和装配中导致报废的主要原因。
孔口处是这些缺陷出现的主要部位, 一般来说钻孔入口的撕裂、毛刺现象较出口处的撕裂毛刺程度小, 碳纤维复合材料钻孔出口缺陷主要由撕裂和毛边两部分组成;其中撕裂一般比毛边的尺寸大, 而且在构件实际使用中的负面影响也比较大, 所以对孔口缺陷的研究以撕裂为主。撕裂的形成过程包括两个作用阶段, 即横刃作用阶段和主切削刃作用阶段, 其中横刃作用在撕裂形成中占主导成分[5]。毛边缺陷是指在孔边缘部分存在的未完全切断的表层纤维, 通常出现在材料表层纤维被切削的孔边缘部分。
通过钻削试验的观察可见, 毛刺缺陷分布呈现一定的区域性, 毛刺、撕裂缺陷照片如图2所示。根据碳纤维复合材料的切削机理可知, 这种区域性特征是由于切削时纤维角的不同造成的。从图2得出, 毛刺、撕裂出现的区域与纤维的角度有很大关系。碳纤维复合材料钻削过程中, 假设“顺剪”时纤维角为锐角, “逆剪”时纤维角为钝角, 则钻头旋转一周, 钻头主切削刃处于“顺剪切”→“逆剪切”→“顺剪切”→“逆剪切”的周期性变化。所以“顺剪”切削时, 纤维不容易被切断形成毛刺撕裂缺陷, “逆剪”切削时, 材料容易被切断, 无毛刺或较小毛刺撕裂缺陷产生。
1.2 钻孔缺陷的原因分析
1.2.1 钻削力
在制孔过程中, 当钻头切入复合材料时, 主切削刃首先使纤维剥开, 然后把它切断, 这种剥离对孔的入口端最外层材料的影响最大, 当纤维被剥离开时, 钻头的切削刃必须同时切断纤维, 假如不能全部切断或者所要求的切削力超过基体树脂的强度, 就会产生开裂并沿着表面层纤维的取向扩展, 这正是孔的入口处出现劈裂的原因[6]。
由于钻削过程中轴向力始终施加在材料表面上, 使得复合材料层压板各层沿厚度方向依次受到一种拉力, 从而在孔壁周围材料层中产生一定的层间应力, 这种层间应力过大, 则易出现分层。同时在碳纤维复合材料的钻削过程中, 钻削力是周期性变化的, 周期性变化的轴向力必然使得孔壁周围材料承受交变应力, 进而增加分层的可能性, 一般作用在层合板上的轴向力越大, 层间法向拉伸正应力就越大, 因此出现分层的可能性也就越大。对碳纤维复合材料钻孔在钻出过程中, 随着待切削材料层不断减少, 钻孔处刚性不断下降。当钻头横刃首先接触到外层纤维时, 即相当于给这一层材料施加了一个与其他纤维层分开的推力。由于横刃具有负前角而不锋利, 孔出口端最外层纤维不是立即被切断, 而是在轴向力作用下向外退让, 此时最外层纤维可能与基体撕开, 造成出口撕裂[7]。
1.2.2. 刀具的锋利性
毛刺主要是由于钻头的切削刃锋利性差决定的。切削刃锋利性差在造成钻头切削性能下降的同时, 也会导致钻削力的增大, 所以切削刃的锋利性差也是造成毛刺、撕裂、劈裂缺陷的主要原因之一。
因此刀具切削刃的锋利性成为钻削高质量孔主要影响因素;由于PCD刀具的切削刃可以刃磨的很锋利, 很适合加工复合材料[8,9]。分析试验加工孔的孔壁质量大都符合复合材料的加工质量要求, 主要缺陷出现在孔出口处, 特别在较低转速下孔口毛刺撕裂现象较为严重。
1.2.3 钻削温度
钻削碳纤维复合材料时, 随着刀具与工件接触部位的温度产生并增高, 由于纤维、基体两种组分的热膨胀系数不同, 在切削过程中产生热应力, 受到热效应的几何边界层将会产生应力集中, 产生局部应变, 从而引起分层撕裂等缺陷, 导致刀具的快速磨损, 并可能损伤复合材料的性能[10,11]。
从以上分析可知, 钻削力是影响碳纤维复合材料制孔质量的重要因素, 是引起分层缺陷和孔口缺陷的主要原因。在钻削过程中, 钻削力越大, 分层与撕裂的可能性及破坏的范围越大。
2 切削参数对加工质量的影响
2.1 钻削速度对孔口缺陷的影响
在使用PCD钻头钻削碳纤维复合材料时, 主轴转速与孔的出口撕裂、毛刺因子的关系图如图3所示。可以看出, 随着主轴转速的提高, 加工孔出口的撕裂与毛刺因子呈下降趋势;并可以看出, 试验中孔口质量在n=10 000 r/min时出口毛刺、撕裂程度最小;在较低转速下, 孔口处的撕裂、毛刺缺陷较大, 故用PCD钻头加工复合材料时宜在中、高速转速下进行, 高转速下钻头切削刃更易切断纤维, 可以得到更高质量的钻孔。
2.2 进给速度对加工质量的影响
在转速为8 000 r/min的情况下, 进给速度不同时, 研究者使用PCD钻头加工的碳纤维复合材料孔口形貌图片如图4所示。
(vf=200 mm/min)
从图4中可以看出, 随着进给速度的增加, 孔口的毛刺现象有明显增大的趋势。进给速度是影响钻削轴向力的大小的主要因素, 这就说明钻削轴向力对钻孔出口质量有较大的影响。通过进一步观察可以发现, 进给速度的变化与加工孔口的毛刺大小变化基本呈正比例关系。并且通过对比钻孔的进口与出口形貌可以发现, 钻孔的入口处几乎没有毛刺、撕裂等缺陷, 毛刺、撕裂缺陷主要集中在出口部位。
为了进一步分析不同加工参数下孔口的加工质量, 本研究利用VHX-1000型超景深显微镜对不同加工参数的制孔出口表面进行观测, 其结果如图5所示。
可以看出, 随着进给速度增大, 孔口处的毛边现象越来越严重, 不同的加工参数, 加工后的出口表面质量亦不同。孔口的加工质量与切削参数有着密切的关系。
3 结束语
本研究通过试验主要分析了碳纤维复合材料孔加工的主要缺陷分类与原因, 以及切削参数对加工质量的影响, 研究结果表明, 孔口处是碳纤维复合材料钻孔加工缺陷出现的主要部位, 并呈现一定的区域性;钻孔毛刺、撕裂缺陷主要集中在出口部位, 入口处几乎没有毛刺、撕裂等缺陷;钻孔孔口处的毛刺、撕裂缺陷受进给速度Vf和主轴转速n影响, Vf越大, 撕裂、毛刺程度增大;在较低主轴转速下, 钻孔出口质量较差, 故用PCD钻头加工复合材料宜在中、高转速下进行, 高转速下钻头切削刃更易切断纤维, 可以得到质量更好的钻孔;高速下毛刺、撕裂现象明显减少。
参考文献
[1]刘雄亚.复合材料新进展[M].北京:化学工业出版社, 2007.
[2]杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报, 2007 (2) :1-3.
[3]余黎明.我国碳纤维行业现状和发展趋势分析[J].新材料产业, 2011 (6) :13-21.
[4]LEWIS S J.The use of carbon fiber composites on military aircraft[J].Composites Manufacturing, 1994, 5 (2) :95-103.
[5]张厚江, 陈五一, 陈鼎昌.碳纤维复合材料 (CFRP) 钻孔出口缺陷的研究[J].机械工程学报, 2004 (7) :150-155.
[6]KOPLEV A, LYSTRUP A, VORM T.The cutting process chips and cutting forces in machining CFRP[J].Compos ites, 1983, 14 (4) :371-376.
[7]古托夫斯基.先进复合材料制造技术[M].北京:化学工业出版社, 2004.
[8]赵建芳.PCD/PCBN刀具的应用及制造工艺[J].工业金刚石, 2003 (3) :15-17.
[9]刘红, 梁华, 蒋兰芳.车灯支架的模态分析[J].轻工机械, 2013, 30 (4) :37-39.
[10]ILIESCU D, GEHIN D, GUTIERREZ M E.Modeling and tool wear in drilling of CFRP[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture, 2010, 50 (2) :204-213.
碳纤维复合材料在航空领域的应用 篇8
1 碳纤维复合材料的优势
在航天领域中需要的就是要求飞行器的质量轻盈, 碳纤维复合材料的应用解决了这个难题, 在飞行器上每使用一公斤的碳纤维复合材料, 就会减轻五百公斤的重量, 这对于飞行器向更好更高的飞行空域提供了方便, 在航天器材上使用碳纤复合材料有助于减轻航天飞船以及航天飞机的重量, 可以大大的减少飞行中的燃料消耗。碳纤维复合材料由于具有很高的抗高温性能, 所以对于航天航空飞行器的外围保护起到了很大的作用。
碳纤维复合材料具有高强度的特点是钢材强度的五倍以上, 所以在航天航空领域使用上可以使飞行器更加结实坚固。在飞行器飞行初期, 有较强的初速度, 在较强初速的影响下, 空气摩擦, 在高摩擦的影响下要求飞行器必须具有抗高温的外层保护, 而碳纤维复合材料出色的耐热性可以承受两千摄氏度以上的高温, 减少高热带来的冲击。在航天飞机进入对流层时由于气温下降, 受热胀冷缩的影响较大, 这对于航天飞机的零件使用寿命会大大影响, 碳纤维复合材料有较好的低热膨胀性能, 在零部件外层涂抹会减轻零部件的变形。飞机等飞行器在高空中飞行时, 由于环境复杂, 受腐蚀和辐射性加强, 碳纤维复合材料在抗腐蚀与辐射上具有很好地性能, 大大的保护了飞行的安全。
2 碳纤维的发展
研制大型飞机要突破许多关键技术, 其中一项是“先进复合材料结构设计技术”, 这项技术离不开碳纤维。世界碳纤维的需求在各用途领域都不断增长, 特别是急速增长的航空航天领域拉动了碳纤维全体的增长。
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合, 制成结构材料。自玻璃纤维与有机树脂复合得到的玻璃钢问世以来, 碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功, 而且性能不断得到改进, 使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。碳纤维复合材料与铝合金、钛合金、合金钢一起成为飞机机体的四大先进结构材料。
3 碳纤维复合材料在航空领域的具体应用
碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能, 在航空领越特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示, 目前, 碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70%~80%, 在军用飞机上占30%~40%, 在大型客机上占15%~50%。
3.1 碳纤维复合材料
碳纤维复合材料以其独特、卓越的理化性能, 广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天业。例如采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机、卫星、火箭等宇宙飞行器, 不但推力大, 噪音小;而且由于其质量较轻, 所以动力消耗少, 可节约大量燃料。据报道, 航天飞行器的质量每减少lkg, 就可使运载火箭减轻500kg。2007年面世的超大型飞机A380, 复合材料的密度已达23%。预计于2010年问世的A350超宽客机, 其高性能轻质结构所占比例将达62%, 成为空客公司第一架全复合材料机翼飞机。轻质“外衣”不仅能有效克服质量与安全之间固有的矛盾, 还能大幅降低飞机能耗。以A380为例, 其首架飞机每位乘客的百千米油耗不到3L, 而A350的百千米油耗预计只有2.5L/人, 几乎可以跟现在的小汽车媲美。
3.2 碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是以碳纤维及其制品 (碳毡或碳布) 作为增强材料的复合材料。因为它的组成元素只有一个 (即碳元素) , 因而碳/碳复合材料具有许多碳和石墨材料的优点, 如密度低 (石墨的理论密度为2.3g/cm3) 和优异的热性能, 即高的热导率、低热膨胀系数, 能承受极高的温度和极大的热加速率, 有极强的抗热冲击, 在高温和超高温环境下具有高强度、高模量和高化学惰性。凭借着轻质难熔的优良特性, 碳纤维增强基体的 (C/C) 复合摩擦材料在航空航天工业中得到了广泛应用。航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料, 都会选用碳/碳复合材料。另外还大量用作高超音速飞机的刹车片, 目前, 国际上大多数军用和民用干线飞机采均用碳纤维增强基体的复合材料刹车副。
4 我国碳纤维复合材料发展现状
航空航天领域是世界碳纤维的传统市场, 航空器中碳纤维复合材料的使用量未来几年将以年均12%的速度继续增长, 估计将从2008年的8200吨增加至2010年的1万吨以上, 2012年可达1.3万吨。碳纤维复合材料约占空客A380飞机35吨结构材料中的20%以上, 包括中央翼盒、机尾组件以及压舱壁。波音787中结构材料有近50%需要使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料, 包括主机翼和机身。金属结构材料采用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。新一代的客机将使用更高比例的碳纤维复合材料。
随着新兴产业的发展和我国航天航空的不断进步, 对于碳纤维复合材料的使用将会更加的广泛, 作为世界上第一人口大国, 拥有着广阔的国内市场, 随着我国经济不断走向世界, 我国的国际竞争力也在不断地增强, 但是现实中存在的问题是, 我国的碳纤维复合材料的发展并不能满足现实生活中的需求, 作为航天航空领域的重要支柱, 碳纤维复合材料的生产和研究直接关系到我国高新技术产业尤其是航天航空产业能否占领世界的科技技术前沿, 因此国家的大力扶持起着相当重要的作用, 不仅仅是要在资金上给予帮助, 更要创造良好的环境来促进发展。在政策上给予支持, 在资金上给予帮助, 培育一批具有超强竞争力的企业, 只有这样我国的碳纤维复合材料才能在国际上占有重要地位, 才能在日后的国际竞争中处于优势。这对于我国航天航空事业的发展有着重要的作用。
结束语
在全球化经济不断加速的今天, 国与国之间的联系日益紧密, 相互之间的技术交流和技术竞争也在不断加强。我国在碳纤维复合材料上的发展确定了举世瞩目的成就, 但是在发展中也存在着一些问题, 产品质量处于低层次, 生产成本过高, 能耗较大, 环境污染大等, 因此在日后的发展中一定要高瞻远瞩, 制定好长期的发展规划, 才能更好促进产业的更新研究。
摘要：随着我国经济的不断发展, 科学技术也在不断的进步, 对于传统原材料的更新也在不断加速, 随着我国神十的成功飞行, 让我们看到了在航天领域我国取得的瞩目成就, 在成功的背后离不开我国航天工作者的辛勤劳动, 更重要的是科研工作者对于新型材料的研究, 碳纤维复合材料在航空航天中发挥了不可替代的作用, 碳纤维复合材料广泛地应用于航天航空领域, 具有无可比拟的优势, 但是在发展中也经历了相当漫长的发展过程, 本文将介绍碳纤维技术的发展、在航天航空领域的应用以及它的发展现状, 加深人们对于碳纤维复合材料技术的了解有一定的作用。
关键词：碳纤维复合材料,发展,航空航天,应用
参考文献
[1]特约记者.顾定槐;院士寄望碳纤维复合材料有突破[N].中国化工报, 2010.[1]特约记者.顾定槐;院士寄望碳纤维复合材料有突破[N].中国化工报, 2010.
[2]美联社/吴汉兴译.美国研制出单人电动隐形飞机[N].北京科技报, 2010.[2]美联社/吴汉兴译.美国研制出单人电动隐形飞机[N].北京科技报, 2010.
碳纤维增强摩擦材料的设计与研究 篇9
摩擦材料是汽车制动系统和摩擦传动装置的关键部件,其性能的好坏直接 关系到系 统运行的 可靠性和 稳定性[1]。摩擦材料是由基体、增强纤维、摩擦性能调节剂和填料混合压制而成的高分子复合材料,其中增强纤维构成摩擦材料的主体,对摩擦材料的力学性能和摩擦性能起到至关重要的作用[2,3],使摩擦材料在使用过程中能承受制动和传动所产生的冲击力、压力等而不发生破坏和破裂。
石棉纤维由于具有致癌作用,已逐步退出摩擦材料领域[4]。目前应用较多的石棉纤维替代纤维主要分为无机纤维和有机纤维两大类,包括碳纤维、芳纶纤维、麻纤维、玻璃纤维、金属纤维、陶瓷纤维等。其中,碳纤维由许多层状石墨组成[5],具有很好的自润滑作用,同时还拥有很好的稳定性,不与摩擦材料中的其他成分反应,而且高温时不易碳化、融化,机械强度高,导热性能好,因而作为增强体已被广泛应用于各类摩擦材料中[6]。
目前有关碳纤维增强摩擦材料的研究主要集中在产品材质、制造工艺和设备的改进上[7],且长期以来摩擦材料纤维配比的研究主要以经验和大量实验数据为依据来进行尝试,而基于黄金分割法配比碳纤维增强摩擦材料的设计与研究较少。因此,本工作制备了无碳纤维和3种不同碳纤维含量的摩擦材料,对比研究了无碳纤维和3种碳纤维摩擦材料的摩擦磨损行为,观察了4种摩擦材 料磨损表 面的微观 形貌,同时探讨了摩擦材料的磨损机理以及黄金分割法对摩擦材料性能的影响。相关实验结论能为这种黄金分割法配比的摩擦材料的实际应用提供理论依据和指导。
1实验
1.1主要原料和配方设计
试样的增强纤维包括碳纤维和复合矿物纤维。其中,碳纤维选用中国恒天沈阳中恒公司生产的PAN基短切碳纤维,直径为Ф7μm,长度2.5~7.5mm;复合矿物纤维由石家庄硕茂摩擦材料科技有限公司生产,纤维直径Ф3.5~6μm。其他原料均为市购,样品基本配方见表1。
纤维含量对摩擦材料的摩擦性能影响显著,但是长期以来,摩擦材料配方的研究主要是以经验和大量实验数据为依据来进行尝试,为了更好地优化摩擦材料配方,在研究过程中笔者按照黄金分割原理[8],在样品基本配方的基础上设计碳纤维在试样中的质量分数。黄金分割法是优化计算中的经典算法,广泛应用于实际的科学技术及工程问题,是解决经验尝试法研究增强纤维配比的盲目性的一条有效途径,能显著提高试验的效率,缩短实验 周期。本研究 以基本配 方(FM)为基础设计出3个配方FM-1、FM-2、FM-3,其中碳纤维的质量分数从 基本配方 中的0% (质量分数)依次变为7.0%(质量分数)、11.3%(质量分数)、29.6%(质量分数)。
1.2试样的压制、热处理
用精确电子天平称取原料,将量取的原料放入吉林大学机电设备研究所JF805R型浆式混料机中充分混合3min、间歇1min,反复3次。然后利用 吉林大学 机电设备 研究所JFY50型热压机压制成型,压制温度为160℃,压制压力为30MPa,总压制时间为30min。为了使碳纤维在制品中均匀分布,采用逐层填装原料的方法。最后对热压后的试样进行热处理以消除树脂固化应力及消除残余应力,并除去残留挥发物。将制品放在热处理干燥箱内,从室温升到140℃保温1h,再升温到160℃保温3h,之后升温到180℃保温6h,最后降温到室温。
1.3实验方法
按GB5763-2008中的规定,用吉林大学机电设备研究所JF150D-Ⅱ型定速摩擦磨损试验机分别测定4种碳纤维增强摩擦材料的摩 擦磨损性 能。对偶摩擦 盘的材质 为灰铸铁(HT250),硬度为HB180~220,其转速恒为7.45m/s,恒定载荷为0.98MPa。摩擦磨损原理图见图1。将试样加工成25mm×25mm×6mm的试块,每次实验用的2块试块均取自同一块摩擦材料 试样,以满足实 验要求。在正 式实验之前,先将试块进行磨合,然后分别 在摩擦盘 温度为100℃、150℃、200℃、250℃、300℃和350℃下实验。在每个设定温度下,摩擦盘旋 转5000转。然后从300℃分别降 温至250℃、200℃、150℃和100℃,在每个温度点摩擦盘转动1500转测定制动摩擦材料的降温摩擦系数,重复实验3次。摩擦力F由传感器测出并由计算机记录,通过测量试样在各个温度下磨损前后的厚度计算磨损率V(t)。
摩擦系数μ可以通过测定摩擦力计算得出,公式为:
式中:f为总的平均摩擦力(N);f1为载荷压力(N)。
磨损量选用体积摩擦率来表征,其由试样磨前磨后的厚度作差值运算得出,公式为:
式中:V(t)为磨损率(10-7cm3/(N·m));A为试样截面面积(625mm2);h1为摩擦前试样平均厚度(mm);h2为摩擦后试样平均厚度 (mm);f为总的平 均摩擦力 (N);n为转速(5000r/min);R为试样截面外接圆半径(15cm)。
摩擦系数的抗热衰退性能和恢复性能是评价摩擦材料优劣性的重要评价因素,它们直接影响到摩擦材料制动过程中的制动有效性[9]。本研究引用衰退率F和恢复率R来评价摩擦材料摩擦系数的抗热衰退性能和恢复性能[10],即:
式中:μF100℃和μF350℃分别为实验温度在100℃和350℃时的摩擦系数,μR100℃为实验温度降至100℃时的摩擦系数。当衰退率值F较小以及恢复率值R较大时,摩擦材料具有较好的抗热衰退性能和恢复性能。
按照国家标 准GB/T5766-1996摩擦材料 洛氏硬度(Rockwellhardness)实验方法,利用洛氏硬度计进行硬度测量;采用液体渗透法来测量摩擦材料的孔隙率;采用Archimedes排水法测量摩擦材料的密度;采用ZEISSEVO-18型扫描电子显微镜(SEM)观察试样磨损表面的微观形貌。
2结果与讨论
2.1碳纤维含量对摩擦材料力学性能的影响
摩擦材料的物理和力学性能直接影响其摩擦磨损性能。表2列出了4种不同碳纤维增强摩擦材料的物理和力学性能。由表2可见,在选定的碳纤维含量范围内,摩擦材料的密度随碳纤维含量的增加而显著减小,相比碳纤维含量为零的试样FM,试样FM-3的密度增加了16%;随着碳纤维含量的增加,摩擦材料的硬度也逐渐减小,这可能是因为碳纤维含量的增多使得粘结剂的粘结能力下降;摩擦材料的气孔率随着碳纤维含量的增加而增加,其原因是碳纤维在摩擦材料中结成网状结构,随着碳纤维含量的增加,这种网状结构增多[10]。
2.2碳纤维含量对摩擦材料热衰退性能和恢复性能的影响
表2列出了4种碳纤维增强摩擦材料的衰退率和恢复率。从表2可知,4种摩擦材料的衰退率随碳纤维含量的增加先减小后增大,而其恢复率则随碳纤维含量的增加先增大后减小,说明随着碳纤维含量的增加,摩擦材料的抗热衰退性能和恢复性能并非随碳纤维含量的增加单调升高而是先升高后降低。试样FM-2的热衰退率仅为9%,恢复率则达到98%,表明碳纤维质量分数为11.3%的碳纤维增强摩擦材料在4种摩擦材料中抗热衰退性能和恢复性能最优异。
2.3摩擦材料的摩擦磨损性能
2.3.1碳纤维含量对摩擦系数的影响
图2为4种摩擦材料所对应的摩擦系数随温度变化的关系曲线。由图2可见,试样FM的摩擦系数在整个摩擦过程中随温度 的升高一 直在减小,对温度的 变化较敏 感,由0.49降到0.40,表明没有添加碳纤维的摩擦材料出现了严重的热衰退现象;FM-2试样的摩擦系数在整个摩擦过程中变化相对平缓,其受温度变化的影响相对较小,最大仅为0.47;试样FM-1和FM-3的摩擦系数在整个实验过程中波动较大,尤其在250℃时出现较大的波动,最小值分别为0.39和0.38,主要是因为在此温度下酚醛树脂开始发出流动或者高温分解,出现严重的高温衰退现象。综合以上分析可知,碳纤维含量对摩擦材料的摩擦系数有一定的影响;碳纤维质量分数为11.3%的碳纤维增强摩擦材料在100~350℃时的摩擦系数在0.40~0.48之间波动,摩擦系数较稳定。
2.3.2碳纤维含量对摩擦材料磨损性能的影响
图3为碳纤维含量对摩擦材料磨损性能的影响。由图3可以看出,摩擦材料试样的磨损率与碳纤维含量密切相关。4种配方的碳纤维增强摩擦材料的磨损率均随温度的升高而逐渐增加。在整个摩擦 过程中,试样FM-1、FM-2和FM-3的磨损率均低于试样FM,这是由于碳纤维具有石墨微晶结构,表现出良好的自润滑和减磨性能。低温(100~200℃)时试样FM-1、FM-2和FM-3的磨损率变化不是很明显,试样FM-3的磨损率略小于 试样FM-1和FM-2;而高温 (250~300℃)时试样FM-1、FM-2和FM-3的磨损率相差较大,试样FM-2的磨损率明显小于试样FM-1和FM-3。这表明低温时试样的磨损率随碳纤维含量的增加而减小,而高温时适宜的碳纤维含量(11.3%)可以减小试样的磨损率。
摩擦材料经摩擦后的磨损表面形貌能直接反映出该材料的磨损特 征行为,是判定磨 损机制最 直接且主 要的依据[11]。
图4为试样FM磨损表面形貌的SEM照片,其摩擦表面粗糙不平且有较多平行于摩擦方向的机械磨损犁沟痕迹。在摩擦过程中,随着实验温度的升高,摩擦材料基体软化,同时由于缺少纤维的增强作用,使得凸出于摩擦表面的摩擦材料基体容易在摩擦力的作用下破碎、黏着脱落(图4(a))。脱落的硬质颗粒存在于摩擦材料表面和摩擦盘之间,在摩擦力的作用下刻划摩擦材料表面,加剧磨粒磨损的发生,引起严重的磨损,使得其磨损率升高(见图3)。
图5为3种碳纤维 增强摩擦 材料试样FM-1、FM-2和FM-3在实验温度为350℃时的磨损表面形貌图。
对比图4、图5可以看出,试样FM-1和FM-2磨损表面与试样FM磨损表面有明显差别,碳纤维增强摩擦材料试样表面平整光滑,有较少的犁沟以及疲劳脱落,试样FM-2尤其明显(图5(b))。这是由于碳纤维具有石墨微晶结构,使得剥离出摩擦材料基体的碳纤维在磨损表面压制并铺展在表面上,起到润滑和减磨的 作用,从而减少 磨损现象 的发生,同时,碳纤维的高导热性和优异的储热能力也对摩擦材料的摩擦表面层温度有重要影响,这有利于减轻摩擦热对摩擦表面层结构的影响,降低试样和对偶的磨损。然而,试样FM-3磨损表面与试样FM-1和FM-2磨损表面也有比较大的差异,试样FM-3磨损表面有较多碳纤维被拉拔出摩擦材料基体表面。这是由于碳纤维增强作用达到最大值,继续增加碳纤维的含量到29.6%(质量分数)时,碳纤维含量过多,碳纤维和摩擦调节剂的结合较差,纤维与基体的界面结合力减弱,温度较高时,在摩擦力的作用下,碳纤维更容易剥落和拉拔,但是碳纤维自身优异的物理特性使得其表面不至于像试样FM磨损表面那样出现大面积脱落和严重磨损,因而磨损率相对试样FM升高较缓慢。
综合摩擦材料 的摩擦和 磨损性能,碳纤维添 加量为11.3%(质量分数)的碳纤维增强摩擦材料,热稳定性和耐磨性能得到提升,具有优异的摩擦学性能,作为耐高温、减磨耐磨摩擦材料具有较好的应用前景。
2.4碳纤维在摩擦材料中的存在形式
碳纤维在摩擦材料中存在3种不同的形式:(1)在实验温度较低时,碳纤维与基体结合良好且具有一定的拉伸强度和弯曲强度,使得试样的摩擦系数较稳定、磨损率较小。(2)在摩擦力和挤压力的作用下,碳纤维形成碳颗粒,一部分在磨损表面压制并铺展在表面上,起到润滑和减磨的作用,一部分和其他磨屑混合在一起,具体的形态和位置未知。(3)在摩擦力的作用下,碳纤维断裂(图6(a))并被拔出,形成凹槽或者孔隙,横向的碳纤维形成了凹槽,其可以吸收摩擦产生的一些硬质颗粒(图6(b)),从而减少了摩擦材料表面的划痕,降低了磨损率;纵向的碳纤维被拔出以后形成孔隙,可以在一定程度上吸收、减小摩擦噪音。
3结论
(1)用黄金分割法优化摩擦材料增强纤维的配比是解决经验的尝试法研究增强纤维配比的一种有效途径,能减少实验配方的盲目性,显著提高实验效率,缩短实验周期。
(2)碳纤维质量分数为11.3%时,碳纤维增强摩擦材料具有良好的抗热衰退性能和恢复性能,衰退率仅为9%,恢复率可达到98%,并且减磨耐磨性能提高显著;而碳纤维质量分数为0%、7.0%和29.6%时,抗热衰退性能和恢复性能均较差,减摩耐磨性能提高并不显著。
(3)碳纤维质量分数为11.3%的碳纤维增强摩擦材料的摩擦系数比较稳定,对温度的变化不敏感,没有出现严重的高温热衰退现象。
(4)4种摩擦材料的磨损率均随摩擦温度的升高而增加;添加质量分数为11.3%碳纤维的摩擦材料具有较好的耐磨性能,其次为加入29.6%碳纤维的摩擦材料,无碳纤维摩擦材料表现出最差的耐磨性能,其磨损表面粗糙不平,有黏着脱落现象。
摘要：按照黄金分割法来配比碳纤维在摩擦材料中的含量,制备出4种不同碳纤维含量的增强摩擦材料,用JF150D-Ⅱ型定速摩擦磨损试验机对比研究了碳纤维含量对摩擦材料的热衰退性能、恢复性能及摩擦磨损性能的影响,利用扫描电子显微镜(SEM)观察4种摩擦材料磨损表面的微观形貌,并探讨了其磨损机理。研究结果表明:添加了碳纤维的摩擦材料相对于无碳纤维的摩擦材料,耐磨性能有所提高,其中碳纤维含量为11.3%(质量分数)的摩擦材料表现出较好的抗热衰退性能和恢复性能,其热衰退率仅为9%,恢复率却达到了98%;随着摩擦温度的升高,4种摩擦材料的磨损率均增加,碳纤维含量为11.3%的摩擦材料的磨损率在整个摩擦过程中均较小,其磨损表面较光滑,而不含碳纤维的摩擦材料的磨损率在各个温度均较大,其磨损表面粗糙不平且有磨粒磨损和黏着磨损,表现出最差的减磨耐磨性能。
碳纤维复合材料热防护涂层的研究 篇10
环氧改性有机硅树脂防热涂料是一种新型的功能性涂料,通过物质的消融和低热量的传导以保护基材。有机硅树脂涂料中通常添加空心玻璃微珠、无机短纤维等填料,这样可以大大降低涂料的导热系数,从而有效地降低热传导量。环氧改性有机硅防热涂料在高温气流的冲蚀下,环氧改性有机硅树脂会发生激烈地分解,首先是侧基分解;其次是主链骨架断裂,同时与带有羟基的硅酸盐类填料发生吸热化学反应,形成新的致密的隔热层;再者,填料的熔融、小分子的气化,这些均会带走一部分热量,从而起到保护基材的作用[3,4,5]。
1实验部分
1.1原材料
环氧改性有机硅树脂(HG-43),中昊晨光化工研究院有限公司;低分子聚酰胺树脂、硅烷偶联剂(KH550)、空心玻璃微珠、高岭土、云母粉、钛白粉、三氧化二锑、十溴联苯醚、气相二氧化硅,均为市售工业品;氢氧化铝、二甲苯,均为分析纯。
1.2配方
不同的填料大体上具有不同的作用。空心玻璃微珠具有质轻、导热系数低的特点,可有效地降低涂层的密度和导热系数[6]。钛白粉、高岭土作为耐高温填料,增加涂层的耐热性能。云母粉减少涂层的开裂、粉化,且具有一定的耐温性。这些填料还具有无毒、易分散,与树脂的匹配性较好等特点。硅烷偶联剂(KH550)是优异的粘结促进剂,能提高涂料与基材的附着力。防沉剂为气相二氧化硅,其粒径很小,因此比表面积大,表面吸附力强,可改善填料在液体体系中的悬浮性和分散性。复合型阻燃剂包括氢氧化铝、三氧化二锑、十溴联苯醚,可有效地抑制涂层燃烧[7]。
隔热抗烧蚀涂料的组成及配比见表1。
1.3主要仪器设备、生产厂家及测试标准
激光导热仪(LFA427型),德国耐驰公司,按照Q/G 261—2012测试;热失重仪器(TG 209F3型),德国耐驰公司, 按照GB/T 27761—2011测试;氧-乙炔烧蚀设备,自制,按照GJB 323A—96测试;涂层隔热性能测定仪器,自制;扫描电子显微镜(JSM-6460LV型),日本电子公司,按照JB/T 6842— 1993测试。
1.4样品制备
按照涂料配方称取各组分填料,一边搅拌一边加入环氧改性有机硅树脂中,然后再提高搅拌速度,最后加入固化剂, 制得涂料,倒入相应模具或是刷涂在100mm×100mm×4mm碳纤维复材板上,室温固化即可。
1.5性能测试
1.5.1涂层与碳纤维复板材的附着力
在碳纤维复材板涂上刷上涂料,采用画格法测定附着力。 按照QJ 990.14—86测试,在样板上3个不同位置分别画3mm×3mm的小格子25个,且划透至底材表面。用胶粘带粘附其上,并均匀压实,然后快速将胶粘带撕下,观察涂层脱落情况。
1.5.2热失重分析
采用热失重仪(TG209F3型,德国耐驰公司),按照GB/T 27761—2011进行热失重测试,升温速率为10℃/min,氮气作为保护气体,记录试样质量从25~900℃ 温度范围内的变化情况。
1.5.3涂层隔热性能测试
涂层隔热性能测试:采用马弗炉作为加热设备,炉口开有ф50mm的小孔,在小孔处放置1根温度传感线,并与测温仪器连接,可实时显示小孔温度。表面涂覆有涂层的碳纤维复材板背面同样放置1根温度传感线,并用铝箔胶带将其固定,最后将板材有涂料的一面盖住炉口小孔,通过温度传感器,实时记录复材板背面温度随着时间的变化。
1.5.4涂层的氧-乙炔烧蚀性能
氧-乙炔烧蚀测试:按照GJB 323A—96标准;试样尺寸为 ф30mm×10mm;烧蚀喷嘴直径为2mm,设置好氧气流量与乙炔流量之比为2∶1,烧蚀火焰温度为1400℃,并以90°的角度冲刷试样表面;测量试样烧蚀前后的烧蚀中心厚度和质量的变化,再除以烧蚀时间,即得试样平均线烧蚀率和质量烧蚀率,计算公式见式(1)、(2)。
式中,Rl为线烧蚀率,mm/s;l0和lt分别为烧蚀前后中心厚度,mm;Rm为质量烧蚀率,g/s;m0和mt分别是烧蚀前后试样质量,g;t为烧蚀时间,s。
1.5.5涂层热物理性能
导热系数测定:依据标准Q/G 261—2012,试样尺寸为ф12.7mm×2mm,采用激光导热仪测定样品的热扩散系数、比热容和密度,计算样品的导热系数见式(3)。
式中,λ 为导热系数,W/(m·℃);α 为热扩散率,10-6m2/s;Cp为比热容,J/(kg·℃);ρ为材料的表观密度g/cm3。
2结果与讨论
2.1环氧改性有机硅树脂的热失重性能
有机硅树脂具有优良的耐热耐寒、电绝缘、耐候及耐化学腐蚀等性能[8]。尤其是主链中含有Si—O—Si键,其中Si—O键键能为443.7kJ/mol,比C—O键(351kJ/mol)和C—C键(347kJ/mol)的键能都大许多,因此有机硅树脂具有优异的耐高温性能。但有机硅树脂的表面能低,摩擦系数小,与板材之间的粘接力较弱,不能形成粘接牢靠的防护涂层。使用环氧改性有机硅树脂便很好的综合了环氧树脂的优异粘接性、可室温固化和有机硅树脂优异的耐高温性等优点。环氧改性有机硅树脂固化后的热失重曲线见图1。
由图1可看出环氧改性有机硅树脂的起始分解温度在370.1℃附近,刚开始失重较为缓慢。随着温度升高,失重速率不断增加,当温度升至446.9℃ 时,环氧改性有机硅树脂的失重速率达到峰值。这是由于刚开始温度较低,环氧改性有机硅树脂的取代基或侧链上的基团首先发生分解;随着温度的逐渐升高,此时环氧改性有机硅树脂的主链中Si—O键、环氧基团,发生严重的断裂、降解等一系列反应。最终环氧改性有机硅树脂在900℃ 时失重率为51.07%。说明树脂的耐热性能良好。
2.2涂层热失重性能
将环氧改性有机硅树脂、固化剂和各种填料按一定比例配制而成的涂层,热失重曲线见图2。
由图2可看出,涂层的起始分解温度在379.6℃ 附近,起始失重较缓慢。当温度升至449.6℃时,涂层的失重率达到峰值。这是由于刚开始温度较低,树脂的取代基或侧链上的基团首先发生分解;随着温度的升高,树脂的主链发生严重的断裂、降解等一系列反应。同时,涂层里面复合型阻燃剂中的氢氧化铝在300℃时即会分解,失去水分。最终涂层在900℃时失重率为68.73%,比环氧改性有机硅树脂提高了17.66%。 可见,涂层的热失重性能较为优异。
2.3涂层与板材的附着力
胶粘带撕下后,在涂层切口交叉处有少许涂层脱落,但交叉切割面积受影响低于5%,测试结果表明其附着力达1级。 说明涂层与碳纤维复材板的界面粘接性能较好,在实际应用中,涂层不易脱落。
2.4涂层氧-乙炔烧蚀性能
涂层氧-乙炔烧蚀时间为10s,实验结果为氧-乙炔线烧蚀率为0.278mm/s,质量烧蚀率为0.0758g/s。该涂层具有较好的抗烧蚀性能。可从以下方面解释:(1)环氧改性有机硅树脂首先发生分解,生成的小分子挥发带走一定的热量;其中空心玻璃微珠可降低涂料的导热系数,较少热量传入内部;在400℃时会发生吸热熔融现象,可代替环氧改性有机硅树脂生成新的致密膜,从而进一步阻止热量向内部传播;(2)其他填料如钛白粉、云母粉、高岭土,均具有很高的耐热性能,能很好地提高涂料的耐高温抗烧蚀性能;(3)涂层里面含有复合型阻燃剂,可减少涂料的燃烧,其阻燃机理:树脂燃烧时会产生游离基·H、·OH和·O·的链式反应,十溴联苯醚在高温下分解生成溴化氢,溴化氢与·H、·OH和·O·反应生成水和氢气,终止链式反应,产生阻燃效果;此外氢氧化铝在300℃下便会分解,失去水分,生成氧化铝,吸收掉大量的热量;三氧化二锑在高温下会与十溴联苯醚分解产生的溴化氢发生反应,生成密度更大的溴化锑气体,而产生覆盖作用,从而隔绝或是稀释了空气,提高阻燃效果。
2.5涂层的热物理性能
涂层的热物理性能见表2。
材料的隔热性能主要取决于材料的导热性能,导热系数愈低,则材料的隔热性能愈好。由表2可知,涂层室温下的比热容为1107J/(kg·℃),导热系数为0.235W/(m·℃),热扩散系数为0.196×10-6m2/s。由室温升至150℃时,比热容增加了34.5%;热扩散系数逐渐降低;导热系数变化不大。可见, 涂层从室温到150℃范围内的导热系数均较低,具有较好的隔热性能。
2.6涂层的隔热性能
碳纤维复材板上涂层厚度为1mm,碳纤维复合板材正面温度为530℃,测定复材板的背壁温度随时间的变化,测试时间为30s,时间间隔为0.5s,测试结果见图3。
背壁温试验结果表明,空白复材板的背面温度在30s时间内由室温升至155℃。而表面涂有隔热涂层的复材板背面温度在30s时间内由室温升至60.8℃,比空白复材板降低了94.2℃,且复材板上的涂层没有发生脱落。可见该涂层短时间内对碳纤维复材板具有较好的隔热效果。
3结论
(1)热防护涂层主要由环氧改性有机硅树脂、空心玻璃微珠、滑石粉、高岭土、云母粉和阻燃剂等组成,二甲苯作为溶剂。
(2)该热防护涂层氧-乙炔线烧蚀率为0.278mm/s,质量烧蚀率为0.0758g/s,附着力良好,导热系数为0.235W/(m·℃), 且具有较好的隔热性能。
(3)涂料固化工艺简单,室温固化即可,可短时间用于碳纤维复材板的热防护。
参考文献
[1]徐光磊.含内衬纤维复合材料发射筒力学性能研究[D].南京:南京理工大学,2013.
[2]张友华,陈连忠,张骞.导弹发射筒防热材料气动热冲击试验[J].宇航材料工艺,2011,41(2):128-130.
[3]陆洪彬,陈建华.隔热涂料的隔热机理及其研究进展[J].材料导报,2005,19(4):71-73.
[4]江伟辉,周健儿,等.烧蚀防热材料的显微结构研究[J].无机材料学报,2002,17(6):1233-1235.
[5]马天信.有机消融涂层防热隔热机理及组成分析[J].航天制造技术,2013(2):10-13.
[6]靳涛,刘立强.玻璃微珠在涂料中的隔热性能研究[J].涂料工业,2008,38(9):15-17,21.
[7]董中强,张良均,郑志强,等.复合阻燃材料和纳米气相二氧化硅对长效防污闪涂料性能的影响[J].绝缘材料,2009,42(1):59-62.
碳纤维材料 篇11
东丽GR项目：普及到全社会的环保材料
东丽公司积极扩大能解决环境问题的事业，命名为Green Innovation事业扩大（GR）项目，从上一个三年计划开始贯彻实施。拉动事业发展的是碳纤维事业，但在服装以及空气、水环境改善等更接近普通消费者生活的领域，GR项目也在扩大其事业范围和规模。以社会整体为对象推进环保事业。
GR项目的目标是扩大能为解决地球环境问题及资源、能源问题作出贡献的事业。在中期经营课题“AP-G2016项目”中，提出了GR事业在2016财年实现销售额7000亿日元、2020年实现销售额1万亿日元的目标。东丽公司的GR产品也为解决中国的环境污染问题作出贡献。空气过滤器、净水器两个项目在中国顺利发展。
纤维事业方面，GR产品发展以①能带来节能效果的暖感、冷感功能材料的运用、②生物由来原材料、③再生利用为中心。能带来节能效果的暖感、冷感功能材料的运用是指和SPA共同推出的功能内衣。商品追求保暖性和穿着舒适性，每年都在提高，其商品开发和东丽公司供应链的扩大同时顺利发展。
纺织领域GR产品的另一重点是生物由来原材料，尤其是3GT（聚对苯二甲酸丙二醇酯，PTT）纤维不断增加运动用途的品种。
人造丝厂商：开发兼具环保和功能性的商品
人造丝以木浆为主要原料，在地表和土壤中能靠细菌生物降解。另外还有燃烧时不产生有毒气体等特点，人造丝厂商在加强功能性人造丝产品阵容的同时，积极宣传人造丝环保方面的特点。
DAIWABO RAYON公司发挥人造丝短纤维所具有的环保特性，同时掺入功能药剂，开发了多种功能性人造丝并开展销售。现在使用人造丝的服装增加也是由于以上原因，例如使用功能性人造丝的保暖内衣能降低冬季暖气温度，减少用电量，为WarmBiz作出贡献。
该公司的服装用途人造丝过去以内衣为主，现在还向外衣及袜子等用途推广功能性人造丝。另外，不局限于服装，还计划在干式无纺布用途提高功能性人造丝的销售。已经开发了能吸收磷及砒霜的功能性人造丝，发挥生物降解性等特性，开拓新的用途。
这些功能性人造丝还向海外市场销售。现在以阻燃人造丝“FR”系列的对美出口为主，出口比例将近10%，准备进一步提高这一比例。
另外，世界上对使用水溶性人造丝的湿巾需求正在提高，该公司也推出了水溶性人造丝的短切纤维，致力于开拓水溶性人造丝的市场。
OMIKENSHI公司把使用木浆为原料的人造丝短纤维定位于“Ecology Clean Fiber（ ECF）”，销售与天然功能药剂复合的功能性人造丝。另外，还推出了使用竹、红麻、黄麻、棉籽绒等草本浆为原料的“re-terra”，作为呵护环境的碳中和纤维加以推广。
该公司的代表性功能性人造丝是以甲壳类动物中提取的甲壳质为原料的“CRABYON”。具有抗菌防臭、消臭等特点。还有很多使用各种天然功能药剂的ECF，近年来在人造丝中掺入纪州备长炭的“纪州备长炭纤维”在海外被用于美容面膜等，销售增长。
该公司还在开发不使用二硫化碳、具有精制纤维素纤维同等强度的次世代人造丝短纤维。
丰岛“Orgabits”：通过有机棉为地球环境作贡献
丰岛公司积极推进有机棉品牌“Orgabits”向普通消费者的普及。近年来不局限于纤维、面料品牌的范围，而是作为向地球环境作出贡献的项目加以实施，从2014年开始采取各种措施，提高普通消费者的认知度、促进使用“Orgabits”的商品的普及。
为了扩大“Orgabits”的商品种类，引进了可转让许可制度。在内衣、袜子、毛巾领域招募受转让商，签约的受转让商从丰岛采购有机棉的纱线，能在自己生产的有机棉商品中使用“Orgabits”的吊牌及标签。丰岛公司对所有这些“Orgabits”每一件捐1日元，把其用于有机棉的普及。
为了提高普通消费者的认知度，在日本向日本纪念日协会申请“8月29日”为“Orgabits日”，并获得正式登记。丰岛公司准备以此为契机进一步推动Orgabits的普及。另外，日本纪念日协会加濑清志代表理事也称：“不仅是普通商品的推广，从社会贡献方面来说也有很重要的意义”，将努力推动纪念日的普及。
和其他团体的合作方面，2014年9月起正式通过与泷川Christel团体启动新项目等活动，促进认知普及。该团体以2020年前消灭猫狗捕杀、弃养、虐待行为为目标，开展“Project Zero”等活动。“Orgabits”商品的销售能与各种社会贡献活动相联系，因此这次合作也成为推广活动的一环。另外.还与东京的六本木农园种植有机棉的“六本木COTTON CLUB”活动合作。
此外还把棉花作为农产品，从“穿在身上的农产品”的想法出发，与经营有机食品的“Marche Orgabits”、社会及环保杂志“SOTOKOTO”等进行合作。
“Orgabits”是从群策群力、通过有机棉为地球环境作点滴贡献的想法起步的项目。以“做一点对地球有益的事”为口号，不局限于100%有机棉，从10%的混合比例开始促进使用和普及，扩大有机农田，改善地球环境。已经有70个品牌参加这一项目，每年生产约100万件“Orgabits”服装。
帝人：通过生物涤纶减轻环境负担
帝人公司高性能纤维事业环保战略的核心是涤纶化学再生系统“ECO CIRCLE”和生物基涤纶纤维“PLANTPET”。
碳纤维材料 篇12
国家新材料产业发展战略咨询委员会副秘书长李克健教授预测未来十年是中国碳纤维材料高度发展的十年。力学性能优良的复合增强基材,应用领域广泛。碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性,是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维。此外,碳纤维还兼有其他多种优良性能,如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热导性高、热膨胀系数低、X光穿透性高,非磁体但有电磁屏蔽性等。多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中,构成复合材料。从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。
在世界碳纤维格局方面,发达国家产业成熟,行业集中度高。世界碳纤维的生产主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家和我国的台湾省,日本的三家企业就占据了世界78%左右的产量。发达国家的碳纤维行业已逐步走向成熟。截至2 0 0 8年,主要的碳纤维生产厂商大、小丝束产能共计64,200吨。
但李克健同时也指出,现在的碳纤维市场投资具有盲目性,国营、民营都在做,导致了严重的低水平重复。甚至有的打着“新材料产业”的旗号,将碳纤维的生产当作一项政绩工程,只考虑招商引资,根本不顾新材料产业整体发展的大局。这其实造成很大的资金浪费。