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1、材料之王世纪之交的 碳纤维 主要内容 p碳纤维简介 p极其重要的军用战略材料 p碳纤维在支柱产业中的广泛 p 应用 pPAN碳纤维发展研究情况 碳纤维简介 碳纤维是由90%以上的碳元素组成的纤维。 碳原子结构最规整排列的物质是金刚石，碳纤维 结构近乎石墨结构，比金刚石结构规整性稍差， 具有很高的抗拉强度，它的强度约为钢的四倍， 密度为钢的四分之一。同时具有耐高温、尺寸稳 定、导电性好等其他优良性能。 碳纤维(carbon fiber)的分类（1） v 按原料分 粘胶基碳纤维 （Rayon基CF） 聚丙烯腈基碳纤维 （PAN基CF） 沥青基碳纤维 （Pitch基CF） 碳纤维的分类（2） v 按
2、力学性能分 通用级(GP):T-300 3.5GPa 高性能级(HP) 高强(HS):T-1000 7.0GPa 高模(HM) 高强高模(HSHM) 国外研究现状与发展趋势 T-1000 强度；7.06GPa 模量：300 GPa 对我国实行严密禁运、技术封锁！ 近年来重大突破 我国碳纤维状况 同步开始 关键技术没有突破性进展 没有优质原丝 T-300 不能稳定生产 T-700 达不到 远不能满足国防及国民经济需要 迫切需要解决的两大问题： 减小离散系数，提高强度 严重涉及国家安危！ “碳纤维一定要立足国内！” 科技部863碳纤维专项攻关 pT-300级碳纤维及原丝中试稳定化研究 pT-300
3、级碳纤维及原丝百吨级建设 pT-700碳纤维及原丝关键技术的研究 973国家重点基础研究国家重点基础研究 发展规划项目计划发展规划项目计划 高性能碳纤维用聚丙烯腈原丝的结构 优化及控制 极其重要的军用 战略材料 碳纤维的主要性能 p高比强度、高比模量 p耐高温，使用温度2000。在3000 非氧化气氛中 不融不软 p耐强酸、强碱及强有机溶剂的浸蚀 p热膨胀系数小，约等于零 p热导率高，约为10140W/(m 。K) p摩擦系数小,有自润滑作用。 p导电性好 碳纤维战术导弹起飞 碳纤维低空隐型飞机 *dhu 杀手锏武器发射英姿 先进歼击机 CF雷达天线罩 碳纤维制卫星天线 空间工作站 碳纤维在支
4、柱产业 中的广泛应用 支柱产业中的广泛应用 p新型建材 p汽车工业 p能源 p飞机 建筑材料中的广泛应用 p加固修复材料 p钢筋代用材料 p型材 p混凝土增强材料 p斜拉、悬索桥钢索代用材料 碳纤维增强混凝土高 楼 沿海城市建筑 高架桥碳纤维补强 碳纤维补强片材施工流程图 CF片材加固的技术特点 p补强效果同钢材，自身荷重轻 。 p可按结构形状自由剪裁。 p不生锈，对海岛型气候尤其适合。 p容易设计，施工简便。 p与混凝土粘合紧密，粘结强度高。 p有超强的防水效果。 p比钢材加固综合成本下降20%左右。 CF补强片材的经济效益 p 仅按台湾的使用量来推算我国至少需要 CF 10000吨/年 3
5、5亿元/年 CF片材 50亿元/年 修补建筑物 100亿元/年 p美国决定将国内高速公路待修的桥梁（40%左 右）全部用CF片材修补加固， 耗资1600亿美元。 p日本也打算将建成三十年的桥梁全部用CF片材 加固一遍。 ELAN碳纤维全外壳轿车 碳纤维汽车弹簧片 美国PNGV十年计划 为解决能源危机的需要 BTM当量的规定: (每立升汽油行程数) 2002年 26KM/1L汽油 2004年 34KM/1L汽油 2011年 42.5KM/1L汽油 为解决环保问题需要 国内空气中 CO 57.5% NO化合物 29.8% 挥发性有机物 27.2% CO2 23.8% 全部来自高速公路的 车辆 参加
6、攻关单位:国家实验室5家、汽车制造商3家、 供应公司50多家，大学15家。目标：减重的同时， 还要保持性能、舒适、安全、价格和重新回用性等 综合指标。 CF在典型汽车中的潜在用途 结构设计 1997年质量 （Kg） 潜在减重 （Kg） 最终总质量（ Kg） 40%CF质量 （Kg） 普通钢板、管 、棒、条 641.4404.5236.994.8 高强、中强纲 134.368.266.126.4 合 计 775.7472.7303.0121.2 目前世界碳纤维总产量约2.3万吨/年，现北美地区 汽车产量约1800万辆，按每辆车CF用量4.54 Kg /年 计，CF总需求量约为8.1万吨/年，按上
7、表CF需求量计 ，CF总需求量约为210万吨/年。汽车工业是未来碳 纤维的最大市场。 碳纤维风力发电机 安装在汽车上的 碳纤维CNG储气瓶 汽车CFCNG瓶 CF在能源领域的应用（1） p海底油田平台 （海底升降机、石油管道） 海底油田CF需要量 （单位吨/年） 2003年2005年2010年 150017503500 CF在能源领域的应用（2） p汽车用压缩天然气瓶（CNG） n环保:天然气替代柴油可以消除汽车排气中的NOX、SOX 等致癌物质，少排放CO2 26%。 n减重:比钢瓶轻4倍以上 能源问题概况 p世界风能潜力超过50000Gkwh，而目前实际利用率不到 1/2500。但是并网风
8、电机容量的增长速度为20%-30%， 成为当今世界发展最快的能源。并且代表了21世纪能源发 展的方向可再生能源。 p预测2020年风电机的装机容量可达120Gkwh，可占世界总 耗电量的10%。可以减少100亿吨大气中CO2的排放。 p我国能源主要依靠燃料，但是我国石油短缺日益严重，1/3 的石油依靠进口。预计2010年将短缺1亿吨石油。但是风 能利用却极小。 CF在能源领域的应用（3） p大型风力发电机叶片 优点如下： 1，比重小，有最佳的疲劳强度和机械性能，能承受恶劣的 气候条件，安全运转十年以上。 2，成本低，仅为总机成本的1/3。 3，耐腐蚀、紫外线照射和雷击性能好。 4，容易维护，费
9、用低。 美国南达可他州等两个州投资20亿美元，建立了1120MW 风电功率，2002年年收入可达3000亿美元。我国北京康 庄已经投资20亿人民币兴建了200座风力发电机。 CF天然气钢瓶经济效益 按各省均建一个50000只/年 规模的CNG储气瓶厂计 pCF用量 20000吨/年 70亿元/年 p储气瓶 140亿元/年 CF 风力发电机经济效益 按西北5省每年各产10台计 pCF用量 6800吨/年 23.8亿元/年 p风力发电机 100亿元/年 碳纤维在飞机上的应用 CF客机 CF客机 CF制轻质机驾驶舱及机舱 CF在民用客机上的应用 p二次结构件 辅翼 方向舵 升降舵 p一次结构件 主翼
10、 尾翼 机体 2003年2005年2010年 2109801650 民用客机CF需要量 （单位吨/年） 碳纤维制高级网球拍 碳纤维制高尔夫球杆 碳纤维比赛帆船 全碳纤维自行车 碳纤维制赛艇及吉他 碳纤维高尔夫球杆及保龄球 碳纤维制唱片及滑雪杆 PAN碳纤维 发展研究概况 国内军、民用PANCF市场 需求量预测单位（T/Y） 需求 量 （T/Y ） 年 份 需 求 领 域 宇航航 空 体育 用品 渔具 工业 休闲 用品 土木 建筑 压力 容器 其他 工业 总计 2001年6031199916415340040 2127 2002年69336 1119184230600802618 2003年79
11、363 12532063458001203166 2004年91392 140423851810001603803 2005年105423 157326777712002004545 差距产生的技术原因 流程长，要求严，涉及面广，难度大 任务紧，基础研究得不到重视 技术封锁，信息来源少 忽视原丝，缺乏创新 原丝是“瓶颈” p“先天不足，后天难补” 好木材出好炭，好原 丝出好碳丝 p事实证明 高性能碳纤维的突破口原丝 碳纤维强度的影响因素 缺陷裂纹 结晶部分 应变无定形部分 聚丙烯腈单元晶格 a. 石墨晶体结构 b. 乱层石墨结构 碳纤维晶体结构 石墨晶体理论强度 184GPa 碳纤维中的缺陷
12、碳纤维实际强度 7GPa 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 成纤聚合物链结构 分子量及其分布 共聚单体结构 共单体含量 立构规整性 畸变结构单元 预氧丝结构与性能 可纺性 预氧化 链结构的均匀性 原丝结构(凝聚态) 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 丙烯腈均聚物不适于制备炭纤维原丝 高度结晶 溶解性不好、可纺性较差. 预氧化时起峰温度高、放热集中(自由基机理). 解
13、决办法: 引入结构缺陷 破坏结晶/改善溶解性 易于纺丝易于纺丝. 共聚合(% 共单体) 引入共聚单体的作用 增加聚合物的溶解性和可纺性 改变环化机理(自由基离子机理) 降低环化温度、放热峰变宽 可能引入更多的无机杂质和有机杂质 降低原丝的结构规整性和结晶度 增加大分子链结构的不均匀性 分子量及其分布 流变学/可纺性 原丝结构与性能 分子量升高：可纺性降低. 原丝强度增大. 分子量分布加宽：可纺性增加？ 原丝强度降低？ 什么样的分子量及其分布是合适？ 如何控制成纤维聚合物的分子量及其分布？ 链结构控制及其链结构控制及其与可纺性、原丝、碳与可纺性、原丝、碳 纤维性能之间的关系纤维性能之间的关系 链
14、结构可纺性外在缺陷 链结构预氧化、碳化内在缺陷 (2) 什么样的共聚单体最好？ 其用量多少最合适？ 共聚单体结构 酸性单体: IA/AA 中性单体: MMA/BA 碱性单体: AM 改善预氧化过程. 1)改善可纺性. 2)提高氧扩散能力 改善预氧化过程. 改善可纺性. 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化
15、 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化
16、 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 原料单体聚合纺丝预氧化 炭 化 石墨化 原丝 预氧丝 表面处理 上 浆 成品加工 碳纤维 石墨纤维 丙烯腈系成纤聚 合物的设计与控 制合成 化学组成与序 列结构可控的 丙烯腈系成纤 聚合物的合成 分子量及其分布 可调控的丙烯腈 系成纤聚合物的 合成 立构规整性的丙 烯腈系成纤共聚 物的合成探索 新共聚单体、新 引发体系、新反 应介质的探索 链结构与纺丝原 液的流变性、可 纺性之间的关系 关键
