大丝束碳纤维复合材料的发展简述

  目前世界各国,PAN基碳纤维是当今世界碳纤维发展的主流,占世界碳纤维市场的90%以上。国际上PAN基碳纤维的生产,从20世纪60年代起步,经过70~80年代的稳定,90年代的飞速发展,到21世纪初其生产工艺技术已经成熟。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。

  现已发展成为大丝束碳纤维和小丝束碳纤维两大种类。中国用聚丙烯腈为原料生产碳纤维的研究始于1962年,起步可谓不晚,但长期未取得实质性进展。促使大丝束碳纤维迅猛发展的原因可能如下:

  (1)市场的需求。

  九十年代前,航天航空需要高性能小丝束碳纤维,即使价格高也可用轻量化效果来解决。但九十年代以后对于航天航空工业来说,高价碳纤维限制它的应用,需开发价格较低的大K束碳纤维。同时, 12K以上碳纤维的性能也可满足航天航空工业的需求,性能与价格比占有一定优势。

  (2)可大量生产,碳纤维原料成本较低。

  PAN原丝K数愈大,价格愈低。以国产小丝束PAN原丝为例,1K、3K、6K原丝比12K原丝的价格分别高316%、100%和38%左右。对于PAN基碳纤维生产线来说,原丝占成本价格的56%~65%左右,原丝价格低,必然使碳纤维价格随之而下降。

  (3)大K数碳纤维制造加工成本较低。

  对于同一条碳纤维生产设备来说K数大的原丝,产量愈高,越有利于碳纤维价格的下降。

  由于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,特别是在2000℃以上的高温惰性环境中,碳材料是唯一强度不下降的物质,是其它主要结构材料(金属及其合金)所无法比拟的。此外,碳纤维还兼有其它多种优良性能,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。

  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。主要用于制备先进复合材料(ACM),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。