高性能碳纤维技术发展历程与主要应用

 

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高性能碳纤维，是碳含量>92%，且具有强度≥3530MPa、模量≥230GPa、延伸率为0.7%~2.2%等优异力学特性的纤维形态的碳材料。

一、高性能碳纤维技术的发展历程

天然纤维基碳纤维→人造丝基碳纤维→聚丙烯腈基碳纤维→中间相沥青基碳纤维

关于碳纤维研究

No.1 原美国联合碳化物公司

20世纪50年代末，原美国联合碳化物公司建立了帕尔马技术中心从事碳材料的基础科学研究。高性能碳纤维的科学发现和中间相沥青基碳纤维技术的发明就诞生在这里。

罗格·贝肯1959年发现石墨晶须及其特性，确立了高性能碳纤维技术的追求目标。

伦纳德·辛格1970年发现液晶或中间相是实现碳纤维高模特性的关键，发明了中间相或液晶态沥青制备技术，发明了高模量沥青基碳纤维制备技术。

No.2 大阪工业技术试验所

大阪工业技术试验所的進藤昭男1959年发现聚丙烯腈纤维的热稳定性非常好。

经热处理，分子内的氮和氢转化成了氨气和氢氰酸，成分中保留了高比例的碳，可获得强力、模量和耐热性更好的高质量PAN基碳纤维，奠定了碳纤维产业化发展的技术基础。

No.3 英国皇家飞机研究中心

原英国皇家飞机研究中心研究员威廉姆·瓦特，首次制得了真正意义上的高性能PAN基碳纤维。

No.4 日本东丽工业公司

1961年：开始关注无机纤维树脂增强体的研究发展；

1970年：PAN基碳纤维产业化技术研发成功；

1971年：1吨/月试验线建成，Torayca品牌产品销售；

1973年：5吨/月生产线建成投产；

1990年：预浸料首次被认证为波音777飞机机尾主承力结构部件的原材料；

1992年：在美国建立预浸料工厂；

1997年：在美国建立原丝工厂；

2011年：被用于包括主翼在内的波音787飞机主承力结构的制造。

二、高性能碳纤维的主要应用

1、导弹、空间平台和运载火箭

2、航空器

3、先进舰船

4、轨道交通车辆

5、电动汽车

6、新概念货运卡车

7、风电叶片

8、电力电缆

9、燃料电池

10、压力容器

11、超高速离心机转子

12、特种管筒

13、公共基础设施

14、医疗设备

15、机械零件

16、体育休闲产品

17、乐器

18、时尚产品

1、碳纤维材料不可替代的四大领域

No.1 用于风电叶片

国产6MW风机：

CFRP主梁叶片：长77.7m，CFRP主梁重5t，叶片重量28t；完全采用GFRP制造，该叶片重量为36t；减重：8t。

美国GE公司哈利亚德X型12MW海上风力发电机：

高度：260m；叶轮直径：220m；叶片长度：107m；叶轮扫掠面积：38,000m2。容量系数：63%；年发电量：67GWh；供1.6万户欧洲家庭使用。

No.2 用于压力容器

纤维增强金属或塑料容器，提高其耐压性并保证安全，以贮存更多的气态或液态燃料，供航空航天器、舰船和车辆使用。

通过设计和控制纤维含量、张力、缠绕轨迹等参数，充分发挥纤维性能，使全缠绕纤维增强压力容器的爆破压力离散差尽可能小。

氢燃料电池动力汽车的高压储氢气瓶，抗压性能可达70MPa。

No.3 用于磁悬浮列车

工作原理：超导电磁铁相斥原理，以磁的吸力和排斥力为动力。

工作状态：运行时，轨道磁斥力将车体悬浮在空中，只需提供克服大气阻力的动力。

最高速度：可达500Km/h。

No.4 超高速离心机转子

超高速下稳定旋转、加速和刹车，且环境适应性好，可精密安装、长寿命使用、低成本维护：高速离心机用转子，以及制膜、造纸和印刷等设备用辊等。

力学性能优异，重量轻、惯性小、偏转低、固有频率高。

2、碳纤维应用的三大新兴领域

No.1 驱逐舰的上壳

朱姆沃尔特级驱逐舰是美国海军的下一代主战舰艇，其集成了当今最尖端的海军舰船技术，该舰上层建筑采用了一体化模块式复合材料结构，质量轻、强度高、耐锈蚀、透波性好，具有极佳的隐身性能，被发现概率低于10%。

No.2 乐器

碳纤维复合材料由于具有比模量高，弯曲强度大，耐疲劳性能好，受环境温度湿度影响小等特点。

应用于乐器中，不仅音色好不掉漆、对湿热环境不敏感，而且相对于普通木质乐器来说，制作效率更高，可以降低生产成本。著名大提琴演奏家马友友就有一把碳纤维材质的大提琴。

No.3 时尚奢侈品

碳纤维的质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，既有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，说它“外柔内刚”也是名副其实。还常常应用在卫浴产品，行李箱中。

高性能碳纤维技术科学发现距今已有60年，产业技术起步距今已有50年，形成产业能力已有40年；传统应用领域的竞争力靠学习、靠技术，前沿应用领域的竞争力靠想象力、靠创新。

过硬的技术结合创新的实力，高性能碳纤维技术高速发展，相信未来还会应用到更广泛的领域中。

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第四届国际碳材料大会暨产业展览会

Carbontech 2019

2019年11月26-29日 

上海跨国采购会展中心

王侨婷

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■ 本文来源｜中国纤维流行趋势、碳纤维研习社