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碳纤维的起源

2014-05-09  人气:

1880年,美国发明家爱迪生首先将竹子纤维碳化成丝,作为电灯泡内发光灯丝,开启了碳纤维(CarbonFiber,简称CF)的先河。碳纤维用于结构材料的首创者,则以美国UnionCarbide公司(U.C.C.)为代表,于1959年以螺距纤维为原料,经过数千百度的高温碳化后,得到弹性率约40GPa,强度约为0.7GPa的碳纤维;1965年该公司又用相同原料于3000℃高温下延伸,开发出丝状高弹性石墨化纤维,弹性率约500GPa,强度约为2.8GPa。

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  1961年,日本大阪工业技术试验所进藤召男博士,以Polyacrylonitrile(简称PAN)聚丙烯腈为原料,经过氧化与数千度的碳化工序后,得到弹性率为 123456

  160GPa、强度为0.7GPa的碳纤维。 123456

  1962年,日本碳化公司(NipponCarbonCo.)用PAN为原料,制得低弹性系数(L.M.)碳纤维。东丽公司亦以PAN纤维为原料,开发了高强度CF,弹性率约为230GPa,强度约为2.8GPa,并于1966年起达到每月量产1吨的规模,与此同时他们还开发了碳化温度2000℃以上的高弹性率CF,弹性率约400GPa,强度约为2.0GPa。PAN系碳纤维产量于1992年已达6500吨/年,至2000年已超过1万t/a以上。 123456

  虽然碳纤维需求量逐渐扩大,但于1991年冷战结束后,军事用途使用量萎缩,又因经济萧条,供需失去平衡,产业受到冲击。然而,美国波音公司新锐机型B777的生产,加上土木、建筑、汽车与复合材料应用领域的扩大,使得碳纤维产业逐渐缓步成长。

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  碳纤维的种类

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  经高温处理后,其含碳量超过90%以上的纤维材料,称之为碳纤维。碳纤维的分类有许多方法,可依原料、性能、形态来进行分类。若依原料可分为聚丙烯腈(Polyacrylonitrile)系碳纤维;沥青(Pitch)系碳纤维。其中聚丙烯腈(Polyacrylonitrile)系碳纤维具有高强度、高弹性率的性质,在航空器材、体育、休闲娱乐等领域大范围使用。沥青(Pitch)系碳纤维具有的高弹性模量、高导热性等特性是聚丙烯腈系碳纤维所达不到的,通常以长纤维形态被利用。由于沥青系碳纤维为高模量级纤维,比弹性模量显著优良,故适合于支配刚性结构物轻量化并赋予其结构刚性。另外,沥青系碳纤维具有高导热性、低电阻、低热线性膨胀率及化学稳定性好等特性。

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  依机械性能可分为超高弹性率碳纤维(UHM类型),弹性率600GPa以上,强度2500MPa以上;高弹性率碳纤维(HM类型),弹性率350GPa~600GPa,强度2500MPa以上;中弹性率碳纤维(IM类型),弹性率280GPa~350GPa,强度3500MPa以上;标准弹性率类型碳纤维(HT类型),弹性率200GPa~280GPa,强度2500MPa以上;低弹性率碳纤维(LM类型),弹性率200GPa以下,强度3500MPa以下。 123456

 

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