碳纤维的发展与现状.docx
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碳纤维的发展与现状.docx
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碳纤维的发展与现状
人员分工情况
资料收集:
蔡煜简江婷婷宋爽韵周晓楠张领
中英文摘要:
蔡煜张领周晓楠
内容编写:
发展部分简江婷婷宋爽韵
现状与差距部分蔡煜张领周晓楠
排版校对:
简江婷婷宋爽韵
宋爽韵20110815023
简江婷婷20110815036
蔡煜20110815045
周晓楠20110815047
张领20110815050
碳纤维的发展与现状
学生:
蔡煜简江婷婷宋爽韵周晓楠张领指导老师:
秦文峰
摘要:
简要介绍了碳纤维的性能、发展历史以及在航空航天领域中的应用,同时分析了国内外碳纤维的发展差距,给出了对我国碳纤维发展的建议。
关键词:
碳纤维;碳纤维复合材料;应用领域;发展差距;发展建议
Abstract:
Thebriefintroductionoftheperformanceanddevelopmenthistoryandapplicationintheaviation&aerospacefieldofcarbonfiber,theanalysisofthedevelopmentgapofcarbonfiberbetweenhomeandabroad,theadvisesofcarbonfiber’sdevelopmenttoourcountryaregiveninthispaper.
Key words:
carbonfiber;carbonfibercomposites;applicationterritory;developmentgap;developmentadvises
1前言.............................................................4
2碳纤维应用的发展与现状...........................................4
2.1发展概况....................................................4
2.2碳纤维在军机中的应用........................................6
2.3碳纤维在民机中的应用........................................8
2.3.1碳纤维在B777上的应用..................................9
2.3.2碳纤维在A380-800中的应用..............................9
2.4碳纤维复合材料(CFRP)在航天领域的应用.....................10
2.4.1碳纤维复合材料在国外航天领域的应用....................10
2.4.2碳纤维复合材料在国内航天领域的应用....................14
3国内外碳纤维发展差距和建议.......................................15
3.1国内外碳纤维发展差距.......................................15
3.2对我国碳纤维发展的建议.....................................16
3.3结语.......................................................18
1前言
碳纤维是指含碳量高于90%的无机高分子纤维,一般作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中,构成具有强度高、模量高、重量轻、抗疲劳、耐腐蚀等一系列优异性能的新型复合材料。
与传统的玻璃纤维(GF)相比,杨氏模量是其3倍多;它与凯芙拉纤维(KF-49)相比,不仅杨氏模量是其2倍左右,而且耐蚀性出类拔萃。
碳纤维根据原丝类型可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基等3种;根据力学性能可分为通用型、高性能型两种。
目前,全世界碳纤维生产中以聚丙烯腈基为主。
碳纤维的主要性能:
①密度小、质量轻,密度为1.5~2g·cm-3,相当于钢密度的l/4、铝合金密度的1/2;
②强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复l00%;
③具有各向异性,热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂;
④导电性好,25℃时高模量纤维为775μΩ·cm-1,高强度纤维为1500μΩ·cm-1;
⑤耐高温和低温性好,在3000℃非氧化气氛下不融化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;
⑥耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓HCl、H3PO4、H2SO4等侵蚀。
此外,还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。
但其耐冲击性较差,容易损伤,易在强酸作用下发生氧化,与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。
因此,碳纤维在使用前须进行表面处理。
自碳纤维工业化生产以来,世界各国都特别重视其应用开发。
通常,碳纤维不单独使用,而是与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料,该复合材料具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质,已在现代工业领域得到广泛应用。
随着碳纤维价格的不断降低,其应用范围从满足性能要求高的航空、航天领域逐步向文体和民用领域扩展。
2碳纤维应用的发展与现状
2.1发展概况
只有人们产生了某种需求,才能去认识并制造出一种材料。
同样碳纤维最早是为了满足制造优良的灯丝的要求应运而生的。
1860年,英国人瑟夫·斯旺将细长的绳状纸片碳化制取碳丝,并以此制作电灯的灯丝,但这项发明未能成功。
至1879年,美国人爱迪生将油烟和焦油的混合物做成丝,再碳化制成灯丝,并解决了电灯的相应使用问题,碳丝才在电灯上得到应用。
虽然这种碳纤维最终被钨丝等材料所代替,但是它的特点比如密度小,模量高,耐酸碱,耐氧化是以往的材料所不能比拟的,后来人们不断探索用其它方法来制造碳纤维。
20世纪50年代,美国为了研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机的性能,急需新型结构材料和耐烧蚀材料,使得碳纤维重新出现在新材料的舞台上。
美国最先开发出粘胶基碳纤维,应用于耐烧蚀和隔热材料。
由于在航空和军事方面的大量应用及性能的不断提升,使得粘胶基碳纤维在一段时间里处于鼎盛时期。
但后来陆续开发出更优越的碳纤维,粘胶基碳纤维的产量减少了。
粘胶基碳纤维发展的同时,在1959年,日本大阪工业试验所的近藤昭男发明了利用聚丙烯腈纤维制造碳纤维的新方法。
这一创新促进了碳纤维工业的大发展,成为当前碳纤维的主流。
他发明了生产碳纤维新的技术路线,但是并不能制造出高性能的PAN基碳纤维。
1963年,英国航空研究所(RAE)的瓦特(W.Wat)等人在预氧化过程中施加张力,抑制原丝在热处理过程中的收缩,奠定了现代生产PAN基碳纤维的工艺基础。
约翰逊(W·Johnson)等人改进预氧化装置,他们打通了制造高性能PAN基碳纤维的技术路线。
1965年,日本群马大学的大谷衫郎研制沥青基碳纤维,并获得成功。
使得沥青成为生产碳纤维的新原料,并成为当前碳纤维领域仅次于PAN基碳纤维的第二大原料路线。
1970年,日本吴羽化学工业公司生产的通用级沥青基碳纤维上市。
1975年,UCC开始高性能中间相碳纤维“Thomel-P55”的研制,并取得成功。
目前Thomel-P系列高性能沥青碳纤维仍是沥青基碳纤维中最好的产品。
碳纤维从诞生发展至今,经历了几起几落。
这既是优胜劣汰促进碳纤维工业发展的必然规律,也是市场经济的无情裁决。
20世纪60年代PAN基碳纤维的研制中心在英国,并且得到了很大的发展。
但是在激烈的市场竞争中,因为种种原因,碳纤维的研制和生产中心发生转移。
目前世界PAN基碳纤维生产厂商主要集中在日本和美国。
日本三大碳纤维生产商东丽集团、东邦集团和三菱集团为最大的生产商,三家公司合计产能占全球产能的70%以上。
其中东丽集团的产能最大,并且主要集中在高性能的小丝束的生产。
同时东丽的碳纤维的性能一直处于前列,堪称是碳纤维行业的领头羊。
其最早开发出的T300系碳纤维强度达到3.54Gpa,现在已逐步要被强度为4.92GPa的T700系碳纤维代替。
到了21世纪初,聚丙烯腈碳纤维工艺生产技术已经成熟。
现在已分化成为大丝束碳纤维生产和小丝束碳纤维生产两大种类。
大丝束生产对前驱体要求较低,产品成本低,较适合一般民用工业使用和产品开发。
小丝束生产追求高性能化,代表碳纤维发展的先进水平。
对于高性能PAN基碳纤维,美、日等发达国家均极为重视,在研发、生产方面给予经费、人力上的大力支持,并获得成功。
我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维,历经40多年的发展历程。
由于国外严格控制封锁,制约了我国碳纤维工业的发展,与国外相比有很大差距。
产量不能满足市场发展需求,PAN基原丝质量不过关,生产技术及设备落后等。
目前国内小规模PAN基碳纤维生产企业和科研院所共十余家,其中最大生产企业为吉化公司,其年生产能力号称300t,实际年产量不足100t,且产品质量不稳定,达不到T300级的水平。
20世纪70年代初突破连续化工艺,1976年在中国科学院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线,年生产能力为2t;20世纪80年代开展了高强型碳纤维的研究,于1998年建成一条新的中试生产线,年生产能力为40t。
我国主要研究单位有中国科学院山西煤炭化学研究所、上海市合成纤维研究所、北京化工大学、山东工业大学、东华大学、安徽大学、浙江大学、长春工业大学等。
随着我国经济的快速发展,碳纤维需求与日俱增,虽然国际上一些公司T300级原丝和碳纤维产品对我国开始解冻,但碳纤维及其复合材料的生产关系到国防建设,必须立足国内。
研制生产高性能、高质量的碳纤维,以满足军工和民用产品的需求,扭转大量进口的局面,是我国碳纤维工业发展亟待解决的问题。
碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品。
在国家政策的重点扶持下,国内碳纤维的研究开发和生产呈现出令人鼓舞的发展趋势。
2.2碳纤维在军机中的应用
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。
如果用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量,国外第四代军机的结构重量系数已达到27~28%。
未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求35%左右,其中碳纤维复合材料将成为主体材料。
国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机,已实现了结构的复合材料化。
目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材料。
美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料:
F-22的结构重量系数为27.8%,先进复合材料的用量已达到25%以上,军用直升机用量达到50%以上。
八十年代初美国生产的单人驾驶的“星舟”轻型机,结构质量约1800kg,其中复合材料用量超过1200kg。
1986年美生产的“旅行者”号轻型飞机,其90%以上的结构采用了碳纤维复合材料,创下了不着陆连续九天进行环球飞行的世界记录。
Boeing公司用GF/PPS制造海军巡航导弹的壳体,DuPont公司用GF、KF/PA、PPS,制造军机的零部件。
由于碳纤维增强复合材料不但是轻质高强的结构材料,还具有隐身的重要功能,如CF/PEEK或CF/PPS具有极好的宽峰吸收性能,能有效地吸收雷达波。
美国已用来制造新型的隐形轰炸机。
美国的P-22超音速飞机的主要结构就是采用了中等模量的碳纤维增强的特种工程塑料。
幻影III战斗机的减速降落伞盖和弹射的弹射装置也由这种材料制成。
已成功地用于飞机的肋条、蒙皮及一些连接件、紧固件等雷达波的吸收件。
战斧式巡航导弹壳体、B-2隐型轰炸机的机身基材,F117A隐型飞机的局部也都采用了碳纤维改性的高分子吸波材料。
英国ICI公司用GF/PA生产战斗机上的阀门,使飞机阀门在很宽的温度范围内与燃料长期接触也能保持其性能和形状的稳定;其它国家的飞机F/A-18、RAH-66、A330/A340、B77、Y-22上面也都采用了这种材质来制造机翼、蒙皮、主承力结构、中央冀盒、地板、尾冀、设备箱体及结构件。
2.3碳纤维在民机中的应用
机体结构复合材料化程度被认为是飞机先进性的重要标志,可以说是“一代飞机,一代材料”。
从民用飞机发展来看,美国波音公司第一代民用客机B707上没有采用复合材料,复合材料的用量为零。
1960、1970年代先进复合材料在民用飞机上的用量还只有1%~3%,像DC-9、DC-10、MD80和L1011等客机上先进复合材料的用量还只有1%左右,B747飞机的先进复合材料的用量当时比较高,也只有2%~3%。
1980年代民用飞机先进复合材料的用量有所提高,波音公司B757先进复合材料的用量为3%~4%,B767则达到4%~5%。
欧洲空中客车公司的先进复合材料的用量比美国波音公司高,A300-600达5%~6%、A310接近10%而A320则>10%。
到1990年代欧洲空中客车公司的A321、A330和A340的先进复合材料的用量都增长到13%~15%,A322则在15%~16%。
波音公司的B777在10%~11%。
表明在1980、1990年代先进复合材料在民用客机上的应用欧洲空中客车公司领先于美国波音公司。
21世纪以来,美国波音公司大力开展扩大先进复合材料在民用飞机上应用的研究,取得很大成绩,具体反映在最新一代的民用客机B787上。
B787用的材料见表1,铝合金用量约占20%,而先进复合材料在B787的用量高达50%。
同期欧洲空中客车公司大型客机A380上先进复合材料的用量在25%左右。
国外民用航空的发展表明,随航空技术的发展,飞机应用的材料也在不断变化和发展。
材料应用最明显的特点就是先进复合材料的比例在不断增长,包括在主承力构件、次承力构件和内装饰的应用,例如波音B787采用碳纤维复合材料制造机翼和机身结构,波音B787先进复合材料典型构件-机身段,它是长7m和宽6m的整体结构件。
先进复合材料主要指的是不同类型的碳纤维增强树脂基复合材料。
由于碳纤维增强树脂基复合材料用量比例大幅度增长,因此,对碳纤维的需求量也不断地增长,这是近年来国际市场上碳纤维供应日趋紧张的重要原因。
先进复合材料的大量采用,降低了飞机结构质量,而新型的发动机和创新的流线型机翼设计,使B787飞机比目前同类飞机节省20%的燃油消耗,此外波音B787除了让中型飞机尺寸与大型飞机航程的实现结合,也将以0.85倍音速飞行,这与当代速度最快的民用飞机波音747速度是相同的,这也使其点对点远程不经停直飞能力得以更好的体现。
2.3.1碳纤维在B777上的应用
美国波音公司的B777客机应用复合材料的比例达到9%,在B777客机上,先进复合材料主要应用在飞机尾翼、襟翼、副翼、天线罩、整流罩、短舱和地板梁等构件。
而美国波音公司制备碳纤维复合材料的原材料主要采用日本东丽公司的产品,包括:
T800H高强中模碳纤维、3900-2增韧环氧树脂等,用T800H高强中模碳纤维增强3900-2增韧环氧树脂的复合材料T800H/3900-2,用于制造B777的主承力构件。
S-2玻璃纤维增强环氧树脂用于制作雷达天线罩。
玻璃纤维和碳纤维混杂增强环氧树脂用作机身下主起落架舱门和固定前缘。
波音公司认为在波音系列客机中可以进一步采用碳纤维复合材料的主要有:
机翼结构与蒙皮、机身(前、后、中)及其蒙皮、压力舱等。
是否在下一代新机种上采用碳纤维复合材料要有一系列因素决定,减重绝对不是唯一决定因素,成本才是重要因素,性能和价格要统一考虑。
这里必须指出,性能和价格除了通常人们所说的飞机速度、航程、载重等以及原材料价格、制造成本、设备与折旧、工资等等外,还要包括操作性能与费用、维护与费用、市场与销售费用等,所有因素统一折平衡。
所以全面的性能/价格比才是决定因素。
为了促进复合材料在民用客机上的应用,一是要降低碳纤维复合材料成本;二是提高碳纤维复合材料制备效率;三是改进大型复合材料构件制备工艺技术。
2.3.2碳纤维在A380-800中的应用
A380客机大量采用碳纤维复合材料和玻纤增强铝合金,碳纤维复合材料构件包括:
襟翼、副翼、梁、后隔板、舱壁、地板梁、前缘、中央机翼盒、机身段、垂直稳定翼等。
A380飞机采用复合材料的比例虽没有波音B787高,量也没有波音B787大,但A380对碳纤维复合材料的需求量约为1000t/a。
2.4碳纤维复合材料(CFRP)在航天领域的应用
2.4.1碳纤维复合材料在国外航天领域的应用
CFRP在国外航天领域的应用主要体现在卫星结构、运载火箭、精密支撑结构件及光雪景体4大方面。
A在卫星结构上的应用
①卫星本体结构
由于CFRP具有较高的比强度、较大的比刚度和良好的抗疲劳性能等特性,适于用来制造卫星本体的结构CFRP在卫星本体上的应用主要包括卫星外壳、中心承力筒和各种仪器安装结构板等。
在法国电信一号通信卫星本体结构中,带有4条环形加强筋的中心承力筒是由CFRP制成的,它通过螺接连接在由CFRP制成的仪器平台上卫星的蒙皮是由T300CFRP制成。
由于CFRP的比模量高,在日本JERS-1地球资源卫星壳体内部的Φ500mm的推力筒、仪器支架、8根支撑杆和分隔环都使用了M40JBCFRP,此外,卫星的外壳、一些仪器的安装板均采用了碳纤维/环氧蜂窝夹层结构。
②卫星能源系统-太阳电池阵结构
卫星在太空中工作所需要的电能是由太阳电池阵提供的,用电量较大卫星发射时,大型太阳电池阵通常都是折叠的,在空中进行展开,面积较大,不能采用金属件制成。
由于CFRP具有质量轻、比强度高、比刚度大以及线膨胀系数小的特点,因此,大型太阳电池阵通常采用CFRP由德国MBB公司研制出并已应用于轨道试验卫星的一种刚性太阳电池阵是由CFRP面板、薄壁方形梁和铝蜂窝胶结而成,面积为11.4m2。
应用在国际通信卫星号上的太阳能电池帆板的面积为18.12m2,也采用了CFRP,每个帆板的长为7m,宽为1.7m德国MBB公司研制的另外一种太阳电池阵是半刚性的,其上面的方管形桁架采用了CFRP。
③卫星通信系统-天线结构
天线是任何卫星都不可缺少的星载设备,它一般均安装于卫星外表面,当观察一颗卫星时,天线往往是最容易看到的部分,不同用途的卫星通常需要不同用途的天线,即便同一颗卫星,为了完成不同的功能要求,往往需要多种天线,如美国ACTS卫星上包含着各种用途的反射天线、接收天线、遥控天线和C波段全向天线等。
卫星上安装的大型抛物面天线等强方向天线要求在温度急剧变化的空间环境中仍然能够保持稳定的外形,这就需要采用线膨胀系数极小的材料,即具有较好的热稳定性。
由于CFRP的可设计性,可以通过选择碳纤维的单层铺设角铺层比和铺层顺序来获得抛物面天线所要求的刚度、强度以及极小的线膨胀系数。
大型抛物面天线一般采用高强度和高刚度的CFRP蜂窝夹层结构,能承受主动段的静、动力载荷,以及良好的微波反射特性等。
国外在卫星结构中较早应用CFRP的是应用技术卫星(ATS-F)上的天线支撑桁架。
为了使天线支撑桁架具有较高的结构刚度和较低的线膨胀系数,采用了8根CFRP制成的66.3mm,长度为4.4m的圆柱形支撑杆组成桁架结构。
用CFRP制成的桁架在满足使用要求的前提下,比相同结构的铝台金桁架质量减轻约50%。
国外用CFRP制成的卫星天线见表2:
日本东丽公司近年来连续推出的T800和T1000等高强度纤维和M40J,M50J,M55J及M60J等高模量碳纤维,使CFRP在卫星上的应用正大量从次承力结构件转入主承力结构件。
B在运载火箭方面的应用
在运载火箭方面,由于CFRP具有耐高温、比强度高和比模量高等力学特性,常被应用在火箭的排气锥体、发动机的盖壳体、燃烧室、发动机喷管、喉衬、扩散段以及整流罩等部位。
目前,运载火箭上所采用的CFRP件在质量上比铝合金构件节省约10%~25%。
美国空军实验室1997年在国家导弹防御系统试验项目(BMDOCEP)支持下,成功设计并制造了以CFRP为加强筋的AGS整流罩,重量仅37kg,同类型铝合金防护罩重97kg,运用纤维缠绕技术实现了自动化生产,工艺周期缩短88%,比同类型蜂窝夹层结构制造复合材料整流罩减重40%,成本降低20%。
美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用CFRP,如美国三叉戟-2导弹战斧式巡航导弹、大力神-4火箭、法国的阿里安娜2型火箭日本的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5.3GPa的IM-7碳纤维,性能最高的是日本东丽公司生产的T800碳纤维,抗拉强度为5.65GPa,杨氏模量为300GPa。
C在精密支撑构件上的应用
随着空间技术的发展和对轻质复合材料的牵引,CFRP作为结构件逐步应用于空间光学遥感仪器结构中,尤其应用在支撑各光学元件的精密结构件中,且有逐步增长的趋势美国NASA的哈勃空间望远镜中有一台叫作FOC(FAINTOBJECTCAMERA)的相机这是一台包括滤光镜、折叠镜光屏以及检测器等多个通道的复杂光学系统的微弱目标相机这些光学元件都安装在由高模量碳纤维/环氧复合材料制成的光学平台上。
这个光学平台的纵向线膨胀系数为0±0.2×10-6/℃,横向线膨胀系数为-0.3×10-6/℃,在复杂的空间环境条件下都具有非常好的尺寸稳定性,可以观测到27等星。
美国哈勃空间望远镜的主支撑结构采用了CFRP制成的精密桁架结构采用桁架设计是为了使主镜和次镜能够达到间隔漂移3m,偏心10m,倾斜2"的对准精度该桁架结构由3个直径为2.4m横截面为工字形的支撑环和48根2.13m长的支撑杆构成,这些构件都有严格的线膨胀系数要求,48根支撑杆的线膨胀系数为0.025±0.035×10-6/F,3个支撑环的线膨胀系数为0.25±0.15×10-6/F每根支撑杆的结构都是由两种碳纤维组成的多层复合材料,T50纤维(2层)平行于支撑杆的纵轴放置,而T300纤维(1层)与该轴呈±59°放置3个支撑环设计成网状结构,由3层T300/934纤维组成每一层厚0.33mm支撑环的盖是多层复合材料,由2层0°铺层的T50纤维和1层±40°铺层的T300纤维构成。
通过分析和测试证明,该CFRP桁架结构可以达到工作环境下高稳定性的要求。
在国际紫外线探测卫星上,为了保证卫星的探测效果,经过详细的计算,要求卫星本体的轴向膨胀<2m常用的一些金属材料不能达到这个指标要求,因此,通过铺层设计采用了16根由碳纤维/环氧复合材料制成的桁架结构来支撑光学元件,不受空间温度变化的影响。
D在空间光学镜体上的应用
为了满足空间光学遥感器中光学系统的高分辨率、小体积、轻质量的要求,CFRP不仅大量应用在精密支撑构件上,而且正在向精度和稳定性很高的空间光学镜体上发展。
美国复合材料光学制造公司(CompositeOp-tics,Inc.,cot)从20世纪80年代开始研究发展CFRP镜面成型技术1995~1996年间,研制出了5种小型的镜面,有平面型和球面型的,制造精度在1~2mRMS之间。
20世纪80年代,欧洲空间局开展了XMM研究,采用了高模量碳纤维/环氧复合材料制造镜面,并获得了初期成功20世纪90年代后期,
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