碳纤维电热管的培训材料

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1、1碳纤维电热管的培训材料碳纤维电热管的培训材料碳纤维是一种新型的高性能纤维增强材料，它具有高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电、导热和远红外辐射等诸多优异性能。它可以依复合材料形式减轻构件重量，从而提高构件的技术性能。现已广泛应用于航天航空、新型纺织机械、石油化工、医药器械、汽车、机械制造、建筑行业、文体用品、电信、电加热等高新技术领域。它的广泛应用将会极大的改变我们的生活方式和提高我们的生活质量。用碳纤维复合的工程材料优于金属材料，其抗拉强度高于钢材于34倍；刚度高于23倍；耐疲劳性高于2倍；重量比钢材轻34倍；热膨胀小45倍。它的出现使纤维复合材料具有更广阔的发展和应

2、用前景。随着各种纤维材料增强技术逐渐变的与结构设计同样重要，碳纤维材料的发展过程先后引起了诸多发达国家和发展中国家的关注, 才有了碳纤维材料今天大力发展的形势。在碳纤维材料的研究和开发过程中，科技工作者已经认识到，碳纤维材料是进入二十一世纪的最具诱惑的纤维增强材料。一、碳纤维的分类及技术背景一、碳纤维的分类及技术背景碳纤维是以聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维为原丝，通过加热除去碳以外的其它一切元素制得得一种高强度、高模量纤维，它有很高的化学稳定性和耐高温性能，是高性能增强复合材料中的优良结构材料。根据炭化温度的不同，碳纤维分为三种类型：普通型（A 型）碳纤维 是指在 9001200下炭化得到的

3、碳纤维。这种碳纤维强度和弹性模量都较低，一般强度小于107.7cN/tex,模量小于 13462cN/tex。2高强度型（型或 C 型）碳纤维 是指在 13001700下炭化得到的碳纤维。这种纤维强度很高，可达 138.4166.1cN/tex，模量约为 1384216610cN/tex。高模量型（型或 B 型）碳纤维 又称石墨纤维，它是指在炭化后再经 2500以上高温石墨化处理得到的碳纤维。这类碳纤维具有较高的强度，约为 97.8122.2cN/tex,模量很高，一般可达17107cN/tex 以上，有的甚至高达 31786cN/tex。根据制作原料不同可分为 4 类：1、聚丙烯腈（聚丙烯腈

4、（PAN）基碳纤维）基碳纤维作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有本征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代军民两用新材料，已广泛用于航空航天、交通、体育与休闲用品、医疗、机械、纺织等各领域。美国联合碳化物公司（UCC）于1959年开始最早生产粘胶基碳纤维，五六十年代是粘胶基碳纤维的鼎盛时期，虽然目前已开始衰退，但是它作为耐烧蚀材料至今仍占有一席之地。1959年，日本研究人员发明了用聚丙烯腈（PAN）原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上，英国皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纤维时技术流程，使其发展驶入了快车道，PAN基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流。产量占世界总产量的90左右。

5、1974年，美国联合碳化物公司开始了高性能中间相沥青基碳纤维ThornelP55的研制，并取得成功。目前ThornelP系列高性能沥青碳纤维仍是最好的产品，这样就形成了PAN基、沥青基和粘胶基碳纤维的三大原料体系。我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维，至今已有三十多年的历史。1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线，产品性能基本达到日本东丽公司的3T200，国内也叫做高强型碳纤维。我国从“六五”开始研制高强型碳纤维（相当于T300），但历经20年，产品性能指标仍未达到T300标准，至今仍处于中试放大阶段。PAN基碳纤维因其具有的高强度、高刚度、重量轻、

6、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点，在与其他纤维的竞争中发展壮大。目前世界主要聚丙烯腈（PAN）基碳纤维生产厂家的总生产能力已达到31650吨的规模，仅次于芳纶，跃居世界高性能纤维的第二位。 聚丙烯腈（PAN）基碳纤维有两大类，即大丝束碳纤维（LT）和小丝束碳纤维（CT）。20世纪90年代中期以前世界上生产的都是CT型碳纤维。1996年美国在LT型碳纤维技术上取得重大突破并进行了工业化生产，生产出位伸强度可以与CT型碳纤维相媲美的LT型碳纤维，逐渐取代了原来由CT型碳纤维独占的军事国防、航空航天、体育休闲等应用领域，进而广泛地向其他领域渗透和发展。 LT型碳纤维与CT型碳纤维相比，有下列两方面

7、优势：一是LT型碳纤维可以采用民用聚丙烯腈丝作为制造碳纤维的原丝，而民用聚丙烯腈丝作为普通化工品可以在国际市场自由购买。CT型碳纤维生产需用高性能特种原丝，这种原丝制备技术是CT型碳纤维生产的关键技术，日本、美国等主要生产公司长期以来不但对高性能特种原丝制备技术高度保密、不肯转让，而且也不出售高性能特种原丝产品，这就使CT型碳纤维长期垄断在少数日、美公司手中。LT型碳纤维技术的进展，打破了一直由少数日、美公司垄断的局。二是民用聚丙烯腈丝的价格的25，而通常原丝价格约占制备碳纤维的性能价格比远远高于CT型碳纤维。 世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓尔泰克

8、（ZOLTEK）、阿克苏（AKZO）、阿尔迪拉（ALDIL1）和德国的SGL公司等。其中日本三大集团占世界生产能力的75。世界CT型碳纤维总生产能力为22100吨/年；LT4型碳纤维总生产能力为9550吨/年；实际生产量约为7000吨/年。 现在PAN基碳纤维在国外获得应用的主要领域有：航空航天工业，地面交通工具，如汽车、赛气、快速列车等，造船工业、码头和海上设施，体育用品与休闲用品，电子产品，基础设施以及造纸、纺织、医疗器械、化工、冶金、石油、机械工业等领域，要求零部件在高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作。 2、粘胶基炭纤维、粘胶基炭纤维(Rayon Carbon Fiber

9、)18世纪中期，英国人约瑟夫.斯旺(J.Swon) 和美国 人爱迪生 (E.Tdisin) 利用棉、竹等天然纤维素经过一系列后处理制造炭丝，试制电灯的 灯丝。世界上第一盏电灯的灯丝就是用爱迪生制造出的炭丝。之后，由于发明了钨丝的制造 方法，它更有效地将电能转换为光能，且使用寿命长，一直沿用至今。从此，炭丝的研制工 作停顿下来，无人问津。但是，斯旺和爱迪生发明的粘胶炭丝制造方法为后人继续研制粘胶 基炭丝奠定了基础，他们无愧是研制炭纤维的先驱。本世纪50年代初，随着冷战和新一轮军备竞赛开始，航天航空和军事工业等尖端技术得到 迅猛发展，人们寻求具有高比强度、高比模量和耐烧蚀等特性的新型材料，它为炭纤

10、维的 发展提供了良机。炭纤维的研究与开发又引起各国的极大关注。1950年，美国帕斯空军基地 开 始研制粘胶基炭纤维，与此同时美国联合碳化物公司(UCC)也投入大量人力、物力和财力进 行开发，最早上市商品化炭纤维 Thornel-25就是该公司的第一代产品。50年代60年代 ，是粘胶基炭纤维发展的鼎盛时期。之后，随着PAN基、沥青基炭纤维的相继问世和强劲发 展，粘胶基炭纤维工业受到很大冲击，逐步萎缩，但仍保留着小规模的生产能力。前苏联在 70年代初开始研制粘胶基炭纤维，目前无论是质量、产量、品种和应用都居世界之首。当前 世界上研究和生产粘胶基炭纤维的主要国家有俄罗斯、白俄罗斯、5乌克兰、美国、印

11、度和中 国，粘胶基炭纤维总产量仅占世界炭纤维总量V/的1%左右。生产粘胶基炭纤维的原料主要有木浆和棉浆。美国、俄罗斯和白俄罗斯采用木浆，我国则 以棉浆为主。天然纤维素浆粕配制成纺丝液，用湿法纺制成粘胶连续长丝。粘胶纤维经水洗 和浸渍催化剂后，再经预氧化和炭化工序就可转化为炭纤维。浸渍催化剂和预氧化处理是制 造粘胶基炭纤维的重要工序，是由有机纤维粘胶丝转化为无机炭纤维的关键所在。纤维素的基本链节单元是-D-葡萄糖，通过1，4-苷键相连接成线型大分子。它的结 构单元中有三个羟基，即一个伯羟基和两个仲羟基，分别在6.2.3三个碳原子上，赋予其较 强的吸水(湿)性，而1，4-苷键则是热裂(解)的基础。

12、在热处理过程中，未脱掉羟基的链节 转化为左旋葡萄糖，进一步再转化为焦油；脱掉羟基的链节则向碳四残链(片)转化， 进一步 转化为乱层石墨结构。浸渍催化剂处理后，由于可降低热解活化能，强化了脱除羟基过程， 从而抑制了左旋葡萄糖的生成，有利于提高炭化收率和粘胶基炭纤维的性能。目前，新的催 化体系、高效催化体系和功能催化体系仍在继续研究，一旦有所突破将促进粘胶基炭纤维的 发展。粘胶基炭纤维在结构和性能上有许多独道之处，其它种类炭纤维无法与其比拟，因而 不 会被彻底淘汰出局。它的独特性能主要表现在：比重小，一般比PAN基、沥青基小15%左右， 所制复合材料的结构轻量化效果更显著；属于难石墨化炭，类似玻璃

13、炭，层间距d002大，石墨微晶不发达，排列紊乱、取向度低、强度低、模量低、伸度大，属于大伸长型炭纤维，韧性好，易深加工；碱、碱土金属含量低，抗氧化和热稳定好， 耐 烧蚀；它由天然纤维素转化而来，生物相容性好，这也是其它类型炭纤维无法与其比拟的。 由于粘胶基炭纤维具有上述特性，在某些领域得到广泛应用。6粘胶基炭纤维主要应用于以下几个方面：(1)战略武器方面的应用。美国和俄罗斯把粘胶 炭 纤维增强酚醛树脂复合材料用于战略武器的隔(防)热材料，利用了粘胶基炭纤维耐烧蚀的特 性和酚醛树脂残碳量高、焦化强度高和发烟量少的性能，两者的性能叠加，使其复合材料的 综合性能优异无比，成为当今仍是不可取代的防热材

14、料。美国和俄罗斯仍保留有年产百吨级 粘胶基炭纤维的生产能力，原因就在于此。(2)隔热保温材料。材料的热导率与其密度成正 比，低密度的粘胶炭纤维赋予其优异的隔热保温性能。此外，炭材料靠晶格波传热，它的La 较小，也使其具有隔热保温性能。软式和硬式炭毡作为隔热保温材料已得到广泛应用。(3) 各类加热器。利用粘胶基炭纤维的导电性和柔软可加工性来制造各类加热器材。炭纤维、炭 带、炭布和炭纸都可作为发热元件，可与橡胶、塑料、无机绝缘材料 复合制造各种形状、不同功率、不同用途的加热器材。俄罗斯在这方面的应用开发相当成功 ，值得我们借鉴。(4)医用生物材料。利用粘胶基炭纤维与生物的相容性制造医用生物材 料，

15、如医用电极和探头、韧带，骨夹板和假骨。值得一提的是外伤包扎带(绷带)，已在俄罗 斯等国得到实际应用，是值得研制和推广的项目。此外，粘胶基炭纤维经活化处理后可制得 活性炭纤维，柔软性和可深加工性也是无比优异的。粘胶基炭纤维能否东山再起?取决于它的系统工程创新。3、沥青基炭纤维沥青基炭纤维(Pitch Based Carbon Fiber)沥青基炭纤维是以燃料系或合成系沥青原料为前驱体，经调制、成纤、烧成处理而制成的纤维状炭材料。沥青炭纤维在20世纪60年代初由日本学者大谷杉郎首先研制成功，并于1970年由日本吴羽化学工业公司进行工业化生产。此后，由于碳质中间相的发现和“液相炭化”工艺的开发，特别

16、是美国学者Singe等人在70年代用中间相沥青制造高性能连续沥青炭纤维工艺的开发成功，使沥青炭纤维的研7究开发进入了一个新的阶段。由美国联合碳化物公司(UCC)制造的以“Thornel-P”为代表的高性能级沥青炭纤维问世，标志着沥青炭纤维工艺趋于成熟，成为继聚丙烯腈基炭纤维之后又一新型炭纤维材料。煤及石油加工副产物以及合成沥青均可作为沥青炭纤维的原料。沥青调制是沥青炭纤维制造中的一项重要工艺步骤，原料沥青经热致和溶致等主要调制手段，得到的调制沥青可作为纺丝沥青。调制成的纺丝用沥青原料，因其调制方法的不同而呈不同的特性，一般分为两类，即普通纺丝用沥青(各向同性沥青)，高性能纺丝用沥青(中间相或潜在中间相型沥青)。沥青调制处理是使调制成的沥青的组成结构尽量整齐均匀的处理工艺。因为用于熔融纺丝的这种调制沥青，决定着沥青的可纺性、热稳定性、流变特性以及炭化收率等性状，并关系到由其制成的炭纤维的性能。原料来源不同，其调制将会涉及到多项化学化工技术，诸如沥青的氧化、氢化、树脂化、晶质化等方法。普通沥青基炭纤维的纺丝用原料调制工艺