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碳纤维复合材料在航空航天领域的应用
来源:www.gshaoshi.com 发布时间:2019/8/16 17:31:43
碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

碳纤维复材中最重要的碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。其比模量比钢和铝合金高5倍,比强度要高3倍。而碳纤维的比重,一般在1.6左右,是铝的二分之一,钢的五分之一。碳在各种溶剂中不溶解,在隔绝空气的惰性环境中(常压下),在高温时也不会熔融,而且是在2000摄氏度以上唯一强度不下降的已知材料。只有在10Mpa压力和3000K以上高温条件下,才不经液相直接升华。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合,CFRP都具有很高的优势。

东西是好东西。可在现代化学工业诞生之前,人们却一直以为,碳产品的脆性非常大,碳纤维也很难做出来。就是好不容易做出来了,力学性能又极差。因此并没有认识到这是个宝贝。碳纤维的利用,可以追溯到1880年,那个以发明灯泡而著名的爱迪生,申请专利,提出利用碳纤维作为电灯的灯丝,后来因为钨丝的替代而不了了之。此后关于碳纤维及其复合材料的研发,在很长时间处于停滞状态。直至二战之后,美国和日本为主的研发工作陆续获得突破,才终于迎来了碳纤维的春天。

1950年,美国Wright-Patterson空军基地开始研究用人造丝制造碳纤维,并得到了力学性能优良的碳纤维。1967年,美国Uninon Carbide公司已经能够供应弹性模量为2.8-3.5×106公斤/厘米2的石墨纱。1969年,日本东丽公司研制成功特殊的聚丙烯腈共聚PAN纤维,并结合Uninon Carbide公司的碳化技术,生产出了比强度和比模量都很高的碳纤维。此后至今,东丽公司一直是首屈一指的高性能碳纤维供应商,产量居世界首位。其与日本东邦和三菱人造丝三家日本公司,生产世界70%以上的军用碳纤维,代表着当今高性能碳纤维的最高水平。而以Akzo和Zoltek为代表的美国公司,则把持着低端碳纤维市场的主要份额。

航空航天领域,特别是军用航空领域,在飞机结构上一般采用的是小丝束碳纤维复材,以3K的碳纤维为主。通常小丝束碳纤维的生产必须采用价格昂贵的特种聚丙烯睛PAN原丝,而且这些特种PAN原丝的生产技术是高度保密的,每家公司都有自己的专利技术。原丝制备技术高度保密,不出售,不转让。小丝束碳纤维产品的市场容量相对小,目前主要用于军工产品。

而大丝束碳纤维,能够以便宜而且公开出售的民用聚丙烯作为原料,制备碳纤维。因此,价格优势非常明显。举个例子,2012年的国内碳纤维市场,48K的只有一百多人人民币一公斤,24K的二百多,12K的三四百,到3K就要七八百,1K的则高达三四千元一公斤。

20世纪90年代中期以后,世界碳纤维发展的最大特点,是大丝束碳纤维获得重大突破。美国Zoltek公司近年来在PAN原丝的研究上取得了突破,成功地采用一般纺织工业用的聚丙烯,生产性能与T300基本相当的PAN-EX33碳纤维。

看到这里,那位问了:那能不能用便宜的大丝束产品,替代昂贵的小丝素产品呢?

用于飞机结构的小丝束产品,属于战略性物资,国外对华禁运,所以高层相当重视,现在也是战略重点。此外在工业应用领域内的低成本大丝束碳纤维,过去重视不太够,现在都在往这个方向努力,但是尚未达到产业化的程度。从需求上看,碳纤维从1950年代主要应用在火箭、宇航及航空等尖端科学,到1980年代被广泛应用于纺织、化工机械、建筑、风机叶片及医学领域。比如,在体育领域,碳纤维主要应用于高尔夫棒、网球拍、赛车、弓箭、跳竿、冰球棒、游艇、赛艇、滑翔机、人力飞机、帆船桅杆、摩托车及登山用品,如登山杖、滑雪杖、攀岩头盔等。国内各种应用占碳纤维率需求比例,大致分别为工业60%、体育30%,航空10%,因此从推动产业升级的角度来说,大丝束碳纤维,无疑具有更加广阔的商业前景。

碳纤维根据基本材料不同,可分为PAN基、沥青基、酚醛基、纤维素基…..等不同的生产工艺。这次,我们只谈军用高性能聚丙烯腈PAN碳纤维的生产工艺。虽然PAN基碳纤维生产细节的保密度比较高,但是大致的原理是公开的,先概要的介绍一下其生产过程。