甘肃郝氏炭纤维是一家专门从事碳布,硬质复合炭毡,炭纤维布,炭纤维复合毡的民营高新技术企业。
  • $
您所在的位置:首页 > 信息动态  > 碳纤维知识
碳纤维简史:今天从美国碳纤维技术发展史说起!
来源:www.gshaoshi.com 发布时间:2019/3/15 9:32:32
碳纤维简史:今天从美国碳纤维技术发展史说起!

碳纤维诞生在美国,其高性能化的基础科学研究也发端在那里。今天,美国仍是世界高性能碳纤维的生产和应用强国。研究美国高性能碳纤维技术的发展历程,对我国碳纤维产业的技术进步和健康发展应有所借鉴。

本文综述了美国高性能碳纤维技术的早期发展过程及两位科学家的重要研究贡献,分析了其经验。
一、碳纤维诞生在美国,始于白炽灯的发明
碳纤维是作为白炽灯的发光体诞生的。英国化学家、物理学家约瑟夫·威尔森·斯万爵士(Sir Joseph Wilson Swan,1828–1914)发明了以铂丝为发光体的白炽灯。为解决铂丝不耐热的问题,斯万使用碳化的细纸条代替铂丝。由于碳纸条在空气中很容易燃烧,斯万通过把灯泡抽成真空基本解决了这一问题。1860年,斯万发明了一盏以碳纸条为发光体的半真空电灯,也就是白炽灯的原型;但当时真空技术不成熟,所以灯的寿命不长。
19世纪70年代末,真空技术已渐成熟,斯万发明了更实用的白炽灯,并于1878年获得了专利权。1879年,爱迪生(Thomas Alva Edison,1847-1931)发明了以碳纤维为发光体的白炽灯。他将富含天然线性聚合物的椴树内皮、黄麻、马尼拉麻和大麻等定型成所需要的尺寸和形状,并对其进行高温烘烤;受热时,这些由连续葡萄糖单元构成的纤维素纤维被碳化成了碳纤维。1892年,爱迪生发明的“白炽灯泡碳纤维长丝灯丝制造技术(Manufacturing of Filamentsfor Incandescent Electric Lamp)”获得了美国专利(专利号:470925)(图1)。可以说,爱迪生发明了最早商业化的碳纤维。
由于原料源于天然纤维,早期的碳纤维几乎没有结构强力,使用中很容易碎裂、折断,即便只是作为白炽灯的发光体,其耐用性也很不理想。1910年左右,钨丝替代了早期的碳纤维灯丝。尽管如此,很多美国专利证实,爱迪生发明碳纤维后的30多年里,改进碳纤维性能的研究从未停止过。然而,这些努力都未能把碳纤维性能提高到令人满意的程度。此间,碳纤维研究停滞不前,处于休眠期。

二、人造纤维化学纤维的出现,为美国高性能碳纤维技术基础科学研究提供了前提人造纤维化学纤维的出现,把碳纤维技术引入了“再发明(reinvented)”时代。20世纪早期,粘胶(1905)和醋酯(1914)等人造纤维的出现,特别是20世纪中期,聚氯乙烯(1931)、聚酰胺(1936)和聚丙烯腈(1950)等化学纤维的商业化,为美国开创高性能碳纤维技术的基础科学研究提供了前提。
20世纪50年代中期,美国人威廉姆•F•阿博特(WilliamF. Abbott)发明了碳化人造纤维提高碳纤维性能的方法。作为卡本乌尔公司(Carbon Wool Corporation)的委托人,阿博特(Abbott)于1956年3月5日向美国专利局提交了“碳化纤维方法(Method for CarbonizingFibers)”的专利申请(申请号Serials No. 569,391),但此项申请是否获得专利,不得而知。1959年11月12日,阿博特再次提出了同样的专利申请(申请号Serials No. 852,530),1962年9月11日,该项申请获得了美国专利授权

阿博特(Abbott)专利的技术要点是:一种生产固有密度高、拉伸强力好的纤维形态碳材料的加工工艺。当时的碳纤维在很小的机械力作用下,就会断裂。阿博特的发明称,其可使碳纤维的碳密度和硬度更高,在机械力作用时保持纤维形态不被破坏;且直径更细,表面更清洁,柔韧性和弹性更好;纤维直径及性能可设计和控制;原料必须采用粘胶、铜氨和皂化醋酸等再生纤维素纤维及合成纤维,不能采用天然纤维。
三、高性能碳纤维技术的基础科学研究被确认为“美国历史上的化学里程碑”美国历史上的化学里程碑(National Historic ChemicalLandmark),是美国化学会(American Chemical Society‹ACS›)开展的一项发掘整理美国有历史影响的化学家和化学事件的活动。各区域分支机构申报本地区曾出现的人物和发生过的事件,美国化学会组织专家考核和认定。
位于俄亥俄州帕尔马市(Parma,Ohio)的葛孚特国际公司(GrafTech International Ltd.)向美国化学会申报了“高性能碳纤维(High Performance CarbonFibers)”项目。该公司的前身是美国联合碳化物公司(Union CarbideCorp.)。2003年9月17日,美国化学会确认,原美国联合碳化物公司帕尔马技术中心(US Union CarbideCorp.’sParma Technical Center)曾开展的高性能碳纤维技术研究,是一项“美国历史上的化学里程碑”;罗格·贝肯(Roger Bacon)1958年发现了“石墨晶须(graphite whiskers)”及其所具有的超高强现象;伦纳德·辛格(Leonard S. Singer)1970年发明了中间相沥青基碳纤维制备技术;他们开创了碳纤维增强复合材料的科学技术基础,是该领域的开拓者。