高性能碳纖維材料項(xiàng)目建議書.doc

《高性能碳纖維材料項(xiàng)目建議書.doc》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。

1、高性能碳纖維材料項(xiàng)目建議第一章研究背景一、定義碳纖維是先進(jìn)復(fù)合材料最常用的也是最重要的增強(qiáng)體。碳纖維是由不完全石墨結(jié)晶沿纖維軸向排列的一種多晶的新型無機(jī)非金屬材料?；瘜W(xué)組成中碳元素含量達(dá)95%以上。碳纖維可分別用聚丙烯睛纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經(jīng)碳化制得；按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維；按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強(qiáng)度為1000兆帕（MPa）、模量為lOOGPa左右。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型（強(qiáng)度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。強(qiáng)度大于4000

2、MPa的又稱為超高強(qiáng)型；模量大于450GPa的稱為超高模型。碳纖維制造工藝分為有機(jī)先驅(qū)體纖維法和氣相生長法。有機(jī)先驅(qū)體纖維法制得的碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)高溫固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成。應(yīng)用的有機(jī)纖維主要有聚丙烯（PAN）纖維、人造絲和瀝青纖維等。將有機(jī)母體纖維（例如粘膠絲、聚丙烯月青或?yàn)r青）采用高溫分解法在1000?3000度高溫的惰性氣體下制成的，其結(jié)果是除碳以外的所有元素都予以去除。氣相生長法制得的碳纖維稱氣相生長碳纖維。二、行業(yè)形勢雖然當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨重重危機(jī)，但碳纖維的需求仍在升溫。除了傳統(tǒng)的航空航天領(lǐng)域外

3、，汽車、風(fēng)力渦輪葉片及壓力容器等碳纖維新市場正在興起。據(jù)相關(guān)部門預(yù)測，世界碳纖維需求每年將以大約13%的速度飛速增長，預(yù)期2012年聚丙烯M（PAN）基碳纖維全球需求量將達(dá)6萬噸，到2018年需求量將達(dá)到10萬噸。7大碳纖維制造商——東麗、東邦、三菱麗陽、SGL、Hexcel、Cytec和Zoltek,已宣布計(jì)劃在未來3?5年擴(kuò)產(chǎn)78%,總投資額為87970萬歐元(13億美元)，短期看來碳纖維會(huì)供不應(yīng)求。國際碳纖維市場發(fā)展迅速，需求量不斷增長給我國碳纖維行業(yè)，提供了難得進(jìn)一步發(fā)展的機(jī)遇。但我國碳纖維行業(yè)基礎(chǔ)

4、薄弱，產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要技術(shù)、人才和資金的持續(xù)投入，而且其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品品質(zhì)的要求非常嚴(yán)格。客觀地說生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)量力而行，整個(gè)行業(yè)也應(yīng)發(fā)出明確的信息、引導(dǎo)企業(yè)正確投資，使我國碳纖維產(chǎn)業(yè)快速健康地發(fā)展。第二章研究內(nèi)容一、碳纖維性質(zhì)碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為230^430Gpa亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度即

5、材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個(gè)意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。綜觀多種新興的復(fù)合材料(如高分子復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料)的優(yōu)異性能，不少人預(yù)料，人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時(shí)代進(jìn)入到一個(gè)復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的時(shí)代。二、碳纖維的產(chǎn)品形式及制造工藝碳纖維有四種產(chǎn)品形式：纖維，布料，預(yù)浸料坯和切短纖維。布料指的是由碳纖維制成

6、的織品。預(yù)浸料坯是一種產(chǎn)品，是將碳纖維按照一個(gè)方向一致排列，并將碳纖維或布料剛樹脂浸泡使其轉(zhuǎn)化成片狀。切短纖維指的是短絲。按照不同的配比,這些產(chǎn)品和樹脂一起應(yīng)用將形成碳纖維強(qiáng)化塑料(CFRP)o將樹脂附在纖維上可以制成壓力容器和軋滾，將它們纏繞在一個(gè)芯兒上，然后進(jìn)行塑化或硬化處理。這種方法被稱為“纏繞成型法”。將布料放入一個(gè)模型中，然后用樹脂浸泡，這就是所說的“樹脂轉(zhuǎn)注成型法(RTM)”。飛機(jī)元件的制造是通過在高壓釜中給預(yù)浸料坯加熱，加壓和塑化成型而成的。將預(yù)浸料坯纏繞在一個(gè)芯兒上，然后將其加熱和塑化，這就

7、是所說的“薄片纏繞法”，用這種方法可以用來制成高爾夫球棒和釣魚桿。三、產(chǎn)品種類1、聚丙烯睛基碳纖維聚丙烯睛纖維制備碳纖維屬于有機(jī)先驅(qū)體纖維法。即將有機(jī)纖維在200°C——40(TC氧化介質(zhì)(如空氣、氧、臭氧、一氧化氮、二氧化氮、三氧化硫等)氣氛中進(jìn)行低溫處理，纖維內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)、環(huán)化、氧化脫氫、脫水、脫二氧化硫以及熱分解等復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，使其變?yōu)闊岱€(wěn)定型結(jié)構(gòu)，能承受進(jìn)一步高溫處理，并保持現(xiàn)狀而不熔融。此階段是形成纖維的穩(wěn)定化過程，也稱預(yù)氧化。將這種纖維再在1000°C——1500°C的惰性氣氛(高純氮)中進(jìn)行

8、高溫處理，此時(shí)纖維內(nèi)部產(chǎn)生交聯(lián)、環(huán)化、縮聚、芳構(gòu)化等一系列化學(xué)反應(yīng)。排除其中非碳原子，使碳含量達(dá)90%?96%,并形成石墨的亂層結(jié)構(gòu)，即獲得碳纖維。PAN纖維分子易于沿纖維軸向取向，碳化收率（1000?1500°C）為50?55%,在脫除碳以外的雜原子時(shí)其骨架結(jié)構(gòu)很少破壞，此外在i8（rc附件存在塑性，便于紡絲后的改性處理和經(jīng)受高溫碳化處理，這些特點(diǎn)使其成為迄今發(fā)展高性能碳纖維最受人注目的先驅(qū)體。先驅(qū)體纖維的質(zhì)量