学术

民用、工业领域需求强劲的碳纤维

日期:2017-02-06 15:09:21来源:《纺织科学研究》编辑:王菲

神奇的产业用纺织品专用纤维

名词解释

 

碳纤维,顾名思义,就是由碳元素组成的纤维,含碳量高于90%。在微观上,碳纤维的结构和石墨有点相似,都是由层状的碳片状晶体组成。这些碳片状晶体有一个名字,叫做石墨烯。它只有一层原子厚度,面内的碳原子呈六角形排列,类似于蜂窝的形状。这种独特的原子排列结构,使得石墨烯成为最强韧的材料。

在石墨中,这些碳片状晶体非常有规则地层叠起来;然而,在碳纤维中,这些碳片状晶体并不总是那么规则,有时候碳片状晶体可能出现相互交错情形。碳纤维的微观结构使其具有许多优良性能,在保持密度低的前提下,获得很大的轴向强度和杨氏模量,同时,碳纤维具有很好的耐超高温性,耐疲劳性和耐腐蚀性,以及良好的导电导热性能。这些优良的特性,是保证其在各领域中得到应用的前提。尽管碳纤维主要由碳组成,微观结构也和石墨非常接近;然而,人们至今还不能直接用碳或石墨来制取碳纤维,只能采用一些含碳的有机纤维原料,将有机纤维与塑料树脂结合在一起炭化制得碳纤维。

被选用来制备碳纤维的有机纤维主要包括:聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维等,其中应用较普遍的是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。选用不同的有机纤维作为原料,对具体的工艺参数会有不同的要求,制备出来的碳纤维性能也会有一定的差异。然而,在这过程中,普遍需要经历纤维纺丝、热稳定化(预氧化)、氧化、碳化四个过程,其间伴随着脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等化学变化。

经过这些过程以后,就可以得到碳纤维的原丝。然而,制备出原丝并不意味着制备碳纤维产品的过程就结束了。制备出原丝后,还需要经过上浆和固化的过程。

所谓的上浆就是将原丝和环氧树脂混合的过程。上浆过程使用的方法可以很多,可以通过自动放置机械会将碳纤维浸泡在环氧树脂中,也可以人工地将环氧树脂和其他高分子与碳纤维混合起来。上浆结束后,就需要经过最后的一个程序,那就是固化。固化过程常用到的方法是加热,或者将环氧树脂放在真空中加压。固化主要是让包裹了环氧树脂的碳纤维硬化;此外,在固化过程中,碳纤维可能会发生化学反应,生成原丝材料中不含碳的物质,导致纤维颗粒之间的团聚作用力更加强。这时候,碳纤维的产品就真正做好了。

碳纤维高强、高模、低密度、耐高温(3000℃),热膨胀系数约为0,高热导率〔10~140W/m·K)〕;耐各种强酸、碱和有机溶剂腐蚀,摩擦系数非常小,具润滑性,可降低复合材料磨损率,导电性好。

 
市场概况

 

2015年我国碳纤维有效产能约为1.5万吨,全年产量完成约3500吨,比上年略有下降,其中威海拓展、中复神鹰、江苏恒神、吉林碳谷、方大江城、上海石化、浙江精功等7家企业基本保持了百吨级以上的稳定生产。再看国际,2015年全球PAN基碳纤维的产能达到14.2万吨(小丝束占70%),排名前五的企业为东丽、帝人、德国SGL、三菱丽阳和美国Zoltek公司,占全球总产能的60%,其中东丽产能占比约18%。伴随着碳纤维应用领域的广泛拓展,国际主要碳纤维企业正在继续提高产能。

帝人集团将在美国南卡罗莱纳州投资300亿日元建立新的碳纤维工厂,这可以说是该集团近十年来最大的一笔设备投资。据了解,新工厂的最大年产能为3000吨,此次增产将使该集团碳纤维年产能增加约30%。东丽也宣布至2020年计划投资1000亿日元,在美国打造一条全新高效能碳纤维生产线,初期年产2000吨。

三菱丽阳近来也声明,将向旗下大竹事业所追加设备投资,将大丝束碳纤维的年产能从目前的2700吨增加到3900吨。新设备预计将于2017年第三季度投产运作。到2017年,三菱丽阳的总产能将从目前的10100吨提升至13300吨,提高约三成。

民用、工业领域需求强劲。相关数据表明,2015年全球PAN基碳纤维的总用量约为6万吨,航空、工业和运动休闲三大行业分别占据22%62%16%。对碳纤维需求量增幅较大的行业有风力发电、模塑料、压力容器及汽车。预计到2020年,碳纤维需求量将达到10万吨,其中72%将会应用于汽车行业和风电行业。

 

应用领域

 

航空航天

碳纤维是纤维状的碳素材料,含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能,与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中,是唯一强度不下降的物质。此外,其还兼具其他多种得天独厚的优良性能:低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性、纺织加工性均优良等。因此,碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域,在航空航天领域的光辉业绩,尤为世人所瞩目。

军品。碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上,碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了明显的减重作用,大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能,数据显示采用复合材料结构的前机身段,可比金属结构减轻质量31.5%,减少零件61.5%,减少紧固件61.3%;复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%

据悉,美国第四代战斗机F22采用了约24%的碳纤维复合材料,从而使该战机具有超高音速巡航、超视距作战、高机动性和隐身等特性。而据外媒报道,F-35战机首飞时间一推再推,其中很重要的一个原因就是超重。为破解这一难题,洛马公司采用多达35%的碳纤维复合材料才大幅降低了机体重量。美国防部在“面向21世纪国防需求的材料研究”报告中强调,“到2020年,只有复合材料才有潜力使装备获得20%~25%的性能提升”。

中国战机要想在未来实现超音速巡航性能,除了大推力发动机以外,必须还要使用碳纤维材料为战机减重,特别是,这在中国缺乏大功率发动机的现实下,具有很大意义。

民品。在民用领域,555座的世界最大飞机A380由于CFRP的大量使用,创造了飞行史上的奇迹。飞机25%重量的部件由复合材料制造,其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP,3%为首次用于民用飞机的GLARE纤维-金属板(铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构)。这些部件包括:减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。

火箭、导弹。以高性能碳(石墨)纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料,在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上,碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料,在美国侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用,美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料,如美国三叉戟-2导弹、战斧式巡航导弹、大力神-4火箭、法国的阿里安-2火箭改型、日本的M-5火箭等发动机壳体,其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为5.3GPaIM-7碳纤维,性能最高的是东丽T-800纤维,抗拉强度5.65GPa、杨氏模量300GPa

卫星、航天飞机及载人飞船。高模量碳纤维质轻,刚性,尺寸稳定性和导热性好,因此很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作,而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料。


 

汽车配件

碳纤维及其复合材料发挥着越来越重要的作用,从车身到发动机,碳纤维正在逐步取代金属材料,极大地提高了汽车的性能。

由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度,其适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的材料。主要的应用有:发动机系统中的推杆、连杆、摇杆、水泵叶轮,传动系统中的传动轴、离合器片、加速装置及其罩等,底盘系统中的悬置件、弹簧片、框架、散热器等,车体上的车顶内外衬、地板、侧门等。

预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重量40%~60%,相当于钢结构重量的1/3~1/6,因而有效提高车速。不仅如此,还能减少30%尾气排放量。目前主要在豪华车型应用碳纤维复合材料。

如宝马i3i8采用复合材料模块化设计,全碳纤维的座舱和独立动力系统。i3整车重量为1250kg,比传统电动车减轻了250~350kgCFRP车体比传统金属车体强度大大提高;i8为混合动力车,整车重量为1480kg

丰田氢燃料电池汽车MIRAI,由东丽提供热塑性复合材料地板,碳纤维储氢罐及碳纤维纸。奥迪Q7引入碳纤维复合材料,大幅减重350kg

福特打算在2020年之前,将碳纤维复合材料运用到更多的经济性轿车上,整车质量降低340kg

奔驰E级轿跑车Superlight,车身结构采用超高强度碳纤维材料制成,整备重量仅1300kg,比传统车型减重350kg

国外已经开始形成“碳纤维+主机厂”的联盟式产业化布局,或成立合资公司,或联合开发。例如:宝马+SGL;戴姆勒+东丽;通用+帝人;福特+陶氏;日产+三菱等。

这主要是因为碳纤维不同于传统金属材料,各企业产品性能、适用的工艺等都不相同,因此复合材料研究必须要求一定的针对性。另外,不同于金属材料存在众多的供应商,碳纤维生产的行业集中度高,若要持续合作,需要有战略基础。

但随着大丝束碳纤维价格的不断下降,预计碳纤维的应用在中端车型也将获得推广。这对环保事业具有重大意义。目前全球碳纤维工业化产品以PAN基碳纤维为代表,其力学性能最高,应用领域最广。

目前,全球碳纤维制造主要来自是日本公司和其在欧美的工厂,其次是依靠欧美航空航天市场健康发展的美国HEXCELCYTEC公司,以及依靠强大工业创新体系的德国SGL公司,随着中国在碳纤维领域投入的不断增大,中国碳纤维产量占世界份额也将不断提高。


 

风机叶片

复合材料是制造风力发电叶片及其它重要结构部件的主要材料,叶片90%以上重量由复合材料组成,能够满足开发大型化、轻量化、高性能、低成本的发电叶片的要求。

由于现有材料性不能很好满足大功率风力发电装置的需求,玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限,因此,在发展更大功率风力发电装置和更长转于叶片时,采用性能更好的碳纤维复合材料是势在必行。根据国外有关资料报道,当风力机超过3MW、叶片长度超过40米时,在叶片制造时采用碳纤维已成为必要的选择。事实上,当叶片超过一定尺寸后,碳纤维叶片反而比玻纤叶片便宜,因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。

 

建筑补强

碳纤维复合材料在被应用与建筑工程结构加固和承载能力及使用功能改善的过程中,可以感觉加固位置的不同,加固方法的差异以及所需功能的不同而有针对性的进行选择。比如,施工企业想要提升建筑的承载能力时,常常会选择那些强度较高的碳纤维布。当施工企业想要提升建筑的刚性时,则会选择碳纤维板。在应用嵌入式方法进行施工时,往往会选择碳纤维条带等等。

新的建筑工程施工建设过程中,常常由于要求的不同,会选择碳纤维复合材料族的碳纤维筋、索、型材以及由此而衍生出来的构建等。碳纤维筋能够通过替换钢筋,在使用环境存在较大腐蚀风险的情况下,确保钢筋结构的损害风险降低,从而有效提升结构的稳固性和延长结构的使用寿命。将其应用与那些混凝土中钢筋较为密集的部位,则可以起到减少钢筋使用量,节省成本,简化施工操作流程的作用。而碳纤维索应用的主要方向为大跨度结构建设中的吊索亦或者是锚索等,通过碳纤维索的应用不仅可以减少结构的自重,同时还能够起到高抗拉力的作用。

电力输送

碳纤维以其固有的特性赋予了其复合材料优异的性能,它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能,从而为其在电线电缆行业中的应用提供了可能。

 

体育用品

在文体用品方面,碳纤维增强复合材料主要用在以下几个方面:

高尔夫球棒。用CFRP制成的高尔夫球棒、可减轻重量约10~40%。根据动量守恒定律,可使球获得较大的初速度。另一方面,CFRP具有高的阻尼特性,可使击球时间延长,球被击得更远。

钓鱼竿。碳纤维增强复合材料制成的钓鱼竿比GFRP制品或竹竿都要轻得多,使其在撒竿时消耗能量少,而且撤竿距比后者远20%左右。CFRP所制的钓鱼竿长而好,刚性大,钓鱼竿在弯曲之后能迅速复原,使其传递诱饵的感觉较为灵敏。现在已有商品销售,用碳纤维增强塑料还可以制成渔具的卷铀,其重量不超过140克,但它的疲劳强度高,耐摩擦,因而使用寿命长。

网球拍。复合材料制成的网球拍,轻而坚,刚性大,应变小,可降低球与球拍接触时的偏离度;同时,CFRP的阻尼性好,可延长肠线与球的接触时间,使网球获得较大的加速度。例如,木制球拍的接触时间为4.33毫秒,钢制品为4.09毫秒,CFRP4.66毫秒,相对应的球的初速度则分别为149.6千米/时、138千米/时和157.4千米/时。这种网球拍已有商品供应市场销售。

赛车。用石墨纤维长丝制成的管材可用来制造比赛车或通用自行车的车架,其特点是重量轻,比钢制架可减重50%左右,使自行车的总重量减轻15%。碳纤维与玻璃纤维混合增强复合材料可用来制造越野赛汽车,它的特点是重量轻。用金属材料制造的同样车体的总重量为226.8kg,用CFRP制造时为63.5kg,用CF/GPRP制造时重量可减轻到31.836.5kg

滑雪板。用碳纤维增强复合材料制造的滑雪板,其特点是刚性大,耐摩擦,在转弯、斜坡和越野赛中脚底用力较小。用CFRP制造的滑雪杖在运动界也享有盛名。其特点是刚性大,重量轻,一般在150g左右。


除以上用途外,碳纤维增强复合材料在体育用品方面还可以制造动力雪撬用的弹簧板、洋弓、箭、跳竿、冰球棒、游艇、赛艇、赛艇桨、帆船桅杆、摩托车零件、登山用品以及滑翔机、人力飞机等。

 

(本文已获《产业用纺织品》授权转载)