国外碳纤维及其复合材料的生产和应用概况.pdf
宇航材料?年第艺?期国外碳纤推及其复合材料的生产和应用概况曾汉民?中山大学高分子研究 所?摘要用多丝束?纤维?万万的生产碳纤维 起 源于西欧。此方 法大 大降低了破纤维生产成本,且 性能没有很大 差别。更适用于片状模压、短纤 注射 或湿缠 烧 增强等。?年以来,随着破纤维成本下降和工艺水 平 的提高,应 用于一般二业领城的破纤维 需 要童骤增。本文还着重介绍了破纤维在宇航和航空、交通、机械和仪器、电器、体育和娱乐用品、医学等方面的应 用概 况。日?音了?碳纤维及其复合材料八十年代以来,得到非常迅速的发展。碳纤维的生产量每年增长速度约?一?,其应用范围越来越广泛。由于它具有耐高温?在?时于惰性环境中仍能保持强度的唯一材料?、高比强度、高比模量、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、耐化学腐蚀、耐摩擦和抗疲劳性能好,并有导热和导电性等一系列优异的综合性能,故在发展航天和航空等尖端技术和其它工业部门的技术现代化方面具有重要意义。并正在发挥越来越大的作用。这类新材料的发展趋势将导致材料科学和工程出现一场革命。当前碳纤维及其复合 材料 研究的深度,应用的广度,生产发展的速度已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。碳纤维及其复合材料的发展不仅科技工作者、生产厂商和应用部门越来越感兴趣,而且作为一种很有发展前途的战略性材料已为一些国家政府统筹部署和受到国际科技和工业组织的高度重视。当今,不仅发达国家,而且一些发展中国家在联合国有关组织资助 下,都在加速碳纤维及其复合材料的发展。例如?年?月?一?日在巴西曾由联合国科学技术促进发展资金系统?和联合国工业发展组织?共同发起 与巴西政府 及其宇航中心?联合召开了“国际碳纤维应用会议”。现就国外碳纤维及其复合材料的生产和应用状况作一扼要介绍。一、碳纤维的生产状况六十年代中碳纤维的价格类似于硼纤维即非?,它主要用于宇航方面。直到七十年代中碳纤维价格下降到称?以下才在非宇航领域应用。在美国,碳纤维束或纱按其大小和性能,其价格为非?。一?。必须指出,七十年代中,美国联合碳化物公司开始采用中间相沥青制高性能碳纤维。由于其原料为石油沥青,成本很低,因此,有可能使碳纤维价格降至 非?。然而,目前由于中间相沥青碳纤维的生产成本高而抵偿了低价格的沥青原料,?年中间相沥青基碳纤维的价格反而倍增,而?基碳纤维由于采用多孔纺丝,故成本下降?约穷?。此外,正如前面所 讨论的两种类型的碳纤维?基和中间相沥青基?的结构和性能有很大不同。因此,?基碳纤维不会被沥青基碳纤维所代替?即使将来沥青基碳纤维价格也下降?。当前碳纤维的价格比玻璃纤维贵得多,但对芳纶来说价格并不太高,与碳化硅纤维或硼纤维?非导。?左右?相比碳纤维还是较便宜的。碳纤维生产工艺包括三个工序?纺丝稳定化碳化?或进一步石墨化?。沥青原料可用熔融纺丝法,而?目前主要采用湿纺法?亦有小部分采用干纺法?。当熔融纺丝与湿纺法及干纺法比较时,人们宁可采用熔融纺丝。因为,熔融纺丝可快速生产而没有溶剂及凝固、洗涤等一系列问题。然而,现代高分子工业技术有了很大发展,?纤维已可用?万孔数来进行湿纷,而一般纤维的熔融纺丝或干纺只限子约?。孔纺丝。此外,制备碳纤维时,原料纤维需在空气中?一?氧 化一稳定处理,使其转化为不熔融的纤维,随后进一步碳化。这种稳定化处理?纤维要花 一 至 数小时,而 中间相沥青纤维只需几分钟。采用多丝束?纤维生产碳纤维 是近几年来由西欧?英,西德?提出来 的。多丝束?纤维生产碳纤维比过去采用低丝 束?纤维时成本低得多,而且采用单丝测试方法测定碳纤维的性能时,多丝束和低丝束?纤维所得碳纤维的性能役有很大差别。多丝束工艺适应性与低丝束作比较时,多丝束工艺制的碳纤维更适用于片状模压、短纤注射或湿缠绕增强等。碳纤维的生产成本取决于原料成本、生产成本及所采用的生产规模。?年以来由于对碳纤维需要量急增,而转向大规模生产,从而有利于成本降低又可促进在更多领域 广泛使用。日本碳纤维出口量很大,这是由于国际航空组织许可应用东丽公司的碳纤维于民用飞机。从?年以来的使用情况看,西方国家主要用于宇航,而日本主要用 于体育用 品。随着碳纤维成本下降和工艺水平的提高,应用于一般工业领域的碳纤维需要量骤增。此外,为降低碳纤维复合材料的成本,越来越广泛地采用碳纤维和玻璃纤维混杂增强树脂。这种混杂纤维复合材料还可具有较高的抗冲击韧性。二、碳纤维复合材料的应用?一?宇航和航空方面碳纤维复合材料近二十年来一直主要作为结构材料和烧蚀材料用于宇航领域?如人造卫星、导弹、航天飞机等?。在航空工业方面,也已作为结构材料部分代替金属,首先应用于战斗机,近年来已越来越多应用于现代商业飞机。现代飞机空中公共汽车?中,一些部件已为先进复合材料所代替和将要被代替。事 实上,已研制出全结构复合材料的飞机。发展中国家巴西的航空工业正在积极发展碳纤维复合材料用于飞机的结构件。商业飞机的座椅有的已用碳纤维复合材料制造。预计今后复合材料应用于民航机的数量将大大增加。这里应指出的是,不久前日美科学家合作用碳纤维复合材料研制成功世界上第一架全塑飞机?型,并于?年?月?日在巴黎机场进行试飞。该机特点是?体积小,重量轻,节省燃料,所需跑道短。飞机重量只有?吨,是过去同类飞机重量的一半,只要有?米长的跑道就可以起飞,它的时速高达?幼公里,耗油少,为同类飞机耗油量的一半,可以乘坐?人。它是世界上第一架能横贯飞越美国大陆的小型飞机。?二?交通方面航空工业上成功地应用碳纤维复合材料的技术和经验可供汽车工业应用碳纤维复合材料代替金属制造各种零部件。福特公司取代金属的汽车部件试样已达?件。但是,由于目前碳纤维价格过高,致使还没有在该领域得到广泛的应用。碳纤维复合材料用于制造汽车的片弹簧、驾驶杆、小汽车结构件如骨架和发动机及车轮等的支架。目前,甚至还在试验用于发动机本身的一些部件。碳纤维复合材料汽车零部件不仅比金属轻、强度高,而且可以减少或消除振动。据报道,最近进行了一项新的试验,即设计了一种?米长的交通桥可用于重达?吨的运输车辆。这种桥的负荷结构件?如弦材?是用单向碳纤维增强环氧树脂复合材料制成。?三?在机械和仪器方面碳纤维复合材料已成功地用作涡轮机叶片、压缩机叶片、风力机叶片、超速离心机、飞轮及其它高次数旋转的机械。例如在德国安装一种新的具有转子叶轮长度为?米的风力发动抓“?”,其叶片用碳纤维复合材料制造,重量可以减轻?以 上。大体积结构件的新应用是重量轻的远离海岸的石油钻井设备所需的外部管道。这里需要高抗腐蚀的先进复合材料。首次在这领域的应用最近在法国?和?进行。用碳纤维增强热塑性树脂复合材料制造运动的机械零件很有发展前途。如作为纺织机械零件与过去使用的材料如木材相比较,不仅具有更高的比刚度,而且具有良好的耐疲劳和振动衰减特性。例如松棉机的操作 杆、针状骨架、穿梳操作杆、梭子式编织机的针状杆用碳纤维复合材料制造已取得成效。用石墨纤维复合材料制造松棉机的操作杆,事实上织布速度增加?,使用寿命从原来大约六个月延长至三年。但目前 由于价格较贵,推广使用受到 限制。又如碳纤维复合材料亦成功地用来制造 其它部件,造纸机或复印机的滚轮,香烟包装机的部件,或作为耐蠕变和耐磨的轴承。若用耐高温的树脂作碳纤维复合材料的基体时,尚有可能制造内燃发动机的部件?如 活 塞?。此外,一些高速运动的机械部件依据使用技术要求亦可采用碳纤维芳纶或玻璃纤维混杂增强复合材料,从而降低了成本,提高了性能。碳纤维复合材料具有高刚性、不易被应力弯曲、热膨胀系数小、尺寸稳定性高、耐腐蚀等特性,因此,它被用于制备高质量的静本机械结构部件如机器工件的支架或仪器部件如光学显微镜工作台,望远镜框骨和精密测微尺的旋转轴,以及用于输 电的电线塔架、电话通讯的空心电线杆、天线杆、桅杆等。在低温时金属材料出现脆化现象,而碳纤维复合材料多数适用于低温工程的 条件,因为?低温时,室温强度性能可 以保持不变,?随温度下降,树脂基碳纤维复合材料的层间剪切强度还有所改善,?碳纤维有很好的导热性和导电性。而在低温时,这些传导性能几乎消失。这些特殊的性能使碳纤维可以用于脉冲的超导电磁方面,例如,欧洲联合环形磁场的核聚变实验装置?等离子体物理研究所?。最后,碳纤维作为载体涂上超导镍、碳化氮层,目前正在开发作为这方面的特殊用途。碳纤维具有良好的耐化学腐蚀性能,当与耐化学腐蚀的树脂制成复合材料时,可制得耐化学腐蚀的碳纤维复合材料用于 化工设备的结构零件?如作为管式容器?。例如碳纤维增强的聚苯硫醚复合材料,工业上已经制成阀门,应用在温度为一?一?,压力 达?,盛有腐蚀性酸 或碱 的管道体系。早期的应用主要集中在用含少量碳纤维的树脂衬套覆盖的化学反应器和贮存容器,以改进 其抗腐蚀性能。活性碳纤维具有很高的吸附能力?超过一般活性碳?。在工业上可用于制造烟雾过滤器,以除去空气中污染物或有毒的污染物质?另作详细介绍?。?四?电器方面碳纤维具有良好的导电性。类似于用 沥青粘结的块状石墨,可用作普通的电极材料。四根碳 纤维等效于一条多股的导线,而且碳纤维制成纸或织物可以作为平面导体。电器方面应用的经济效益取决于有利于电化学或与温度无关的导电性与耐化学腐蚀,耐磨性 等综合性能。?碳纤维最早应用于电器方面的是加热器元件,如低温的空间加热器或高温的炉加热器。最近,还研制成功含有碳纤维的柔、韧复合材料的片状加热器。同样,碳纤维可用作填料以使塑料获得充分的导电性,从而可作为电磁干扰屏蔽材料。碳纤维作为填料的优点是,为了达到一定导 电性所需的填料数量比相应的炭黑粉数量少?倍。此外,碳纤维填充的塑料还可作为静电消除剂。用碳纤维制造的电极或含有碳纤维的电极有几方面的应用。最著名的是取得专利权的结构排列的碳纤维束或织物组成的电极,已开始用子从失效的电解质溶液中作阴极还原低浓度的残余金属。它将广泛应用到各种采矿和电镀工业的废液处理中。碳纤维填充的柔韧片同样被建议应用于这些领域中。不同形式的碳纤维正用作高温?一?实验的钠一硫电池的电极,在这种电池中电极性能通常随时间延长而变坏。在燃料电池中,毯制的碳纤维片已用作电极支承板。此外,含有碳纤维的许多其它电极正在研究之中,特别是作为高性能的小电池应用。高模量石墨纤维的高电导性和低磨损率的综合性能使其能用作调整电流的集电器?“电刷”?。全碳纤维的电刷和 用碳纤维填充金属?,人?制的电刷也已有评价。用夹层化或用超导物质?如?蒸气喷镀碳纤维也是获得更高导电性的方法。其导电性接近于高导电性的金属,如铜。?五?体育和娱乐用品方面由于碳纤维的特殊性能,使其在体育用 品中得到极为广泛的应用。这方面的应用有时是不考虑产品的价格,而是为了提高运动的技能和争取荣誊。新材料应用于体育使许多运动水平大大提高,它使体育擂上科学的 翅膀。首先生产的是碳纤维复合材料制的高尔 夫 球的 球棒。合理设计的球棒具有高度特殊的柔性且质轻,致使在棒头可承受更大的重量,这样增大的动量可从重的一端传递给球,从而使球被击到更远的距离。?年用于制造高尔夫球棒的碳纤维用量从?年的几百公斤 增加到约两万公斤,并以同样发展水平持续到?年由于更有效的碳纤维预浸渍和球棒装配工艺的发展,以及世界范围内销售增大,致使碳纤维用量迅速增长。当前,美国用于高尔夫球棒的碳纤维用量 约为?。公斤?年。近年来,碳纤维环氧树脂复合材料用于制造钓鱼杆和网球拍的用量增长非常快。因为,碳纤维的刚性大而重量轻,使所制得的钓鱼杆具有更准确的投掷性能和更好地控 制锈钾,还用碳纤维热塑性树脂注射成型钓鱼杆、轮。在制造网球拍时用碳纤维复合材料作为皮层覆盖于饱沫材料芯上,使其重量轻而又刚性大。这样,运动员在长期比赛和集训过程中可减少臂的疲劳,球拍而上的橡胶层面仍然可控制与球的接触性能。必须指出,用碳纤维复合材料制造网球、羽毛球、橡皮球的棒所采用的技术很多,但均必须注意棒不能过硬,以免使用者的肘部或腕关节损伤。此外,碳纤维复合材料还成功地应用于水上运动的体育用 品,如破浪板、赛艇船体、桅杆、上层结构、帆船舷、船的面板、滑水 板、船龙骨、舵、小游船和独木舟等。碳纤维复合材料用于制造比赛用的自行车的管状框架只有?公斤重,碳纤维复合材料管粘结于铝合金铸件。这种轻型而坚固的自行车用 于比赛有明显 的优点,而且现在有可能变为很有前途的普及型自行车。随着碳纤维价格降低,将发展成为一种新型的旅行自行车,因为,其节约的重量相当于现在金属制的旅行 自行车可载重的负荷。必须指出,应用碳纤维?或玻璃纤维、芳纶混杂纤维?制造比赛用的汽车已非常成功。它们不仅使本身重量减轻,而且可以在多次碰撞情况下吸收更多能量?特别是 当应用蜂窝夹层形式时?。碳纤维复合材料用于制造耐久 车的框架,壳体和盘等,这种耐久车不仅重量轻和刚性大,而且具有很好的抗空气动力振 动 的能力。一种称为?经济车是用碳纤维和芳纶混杂纤维复合材料与蜂窝夹层制成的。在比赛夹,中已取得?公里?升的成绩。碳纤维复合材料还应用于制造体育方面的滑翔机,以 及滑雪杖、雪屐、冰球棒?叶片?、弓、枪、桨、箭杆等。据最近有关调 查报告,碳纤维在运动器材上的应用量已达约?,?公斤?年。碳纤维复合材料同样被用来制造一些高质量的乐器,如用碳纤维环氧树脂复合材料制造小提琴和吉它的共鸣板,比木料制的更可靠,协调而且在改进 声音辐射方面超过木制的。此外,碳纤维 复合材料还大量应角于制造琴弓。目前这种高音质的吉它 价格 为?,?美 元,还是深受吉它爱好 者欢迎。碘纤维复合材料还被应用来制造高质量的杨声器,因为声波在碳纤维填充塑料模压的扬声器锥部表面传播速度比传统的扬声器要快几倍。这里还可 以使用较浅的 锥部而不影响音质,招而且达到其它喇叭所不能达到的水平矛这种扬声器在日本已有生产,并在不断改进。人、?六今在医学方面碳纤维是一种沿轴向择优取向的高 聚 物碳,它不仅具有优异的比强度和比刚度及抗疲劳性能等优良的力学性能,而 且如同其它碳材料一样,是一种可应用于生物环境中的新型生物材料。与金属和一般高聚物相比,碳材料具有优异的生物相容性?包括血相容性和组织相容性?及抗疲劳等特性。因此,它已越 来越广泛地应用于生物医学工程上。下面着重介绍碳纤维及其复合材料在医学上的两个方面的用途?医疗器械和移植材料碳纤维的优异力学性能及具有不 吸 收?射线和其它短波辐射的特性,因此,它是制造医疗用?一光机的理想材料。因为,医疗 设备必须减少病人与?一射线的接触,以消 除或减少?一射线过多的辐射剂量对病人有害的影响。通常,要拍?一光照片的病人和?一光胶片之间的任何材料都会吸收?一光,为了得到一 张晰清的?一光照片,往往对病人采用较大剂 量 的?一光进行拍照。因此,若将病人和胶片之间的胶片盒、支架座和支承病人的装置均用碳纤维复合材料制造,则可以很好地透过?一射线。从 而使用较低的剂量就可获得很清晰的?一光照片。此外?在日水已左用碳纤维复合材料制造病人用的轮材,以及拐杖和矫形正骨的支架。这些医疗辅助机械轻而坚硬,有助于提高医疗效果。碳纤维复合材料具有优异的生物组织相容性和血液相容性,以及在生物环境下具有高的稳定性、无生物降解作用,而且抗磨损、耐疲劳、强度高,并有与骨骼相匹配的弹性模量和较大的应变量。因此,它是一种很有发展前途的多功能生物医学工程材料,川 于外科移植可使病人早日恢复健康。过去用金属或高聚物作为移植材料都不理想,如用金属作移植材料存有不少缺点?腐蚀问题。它在体内会 被腐蚀,这不仅引起其机械性能的降低,而且还常发现腐蚀产物有毒而导致过敏原的,甚至致庙的反应。?磨损问题。如金属,用作臀关节假体,由于摩擦而产生磨损粉末会 引起炎症和痛苦。?弹性模量失配问题。金属用在骨头中常会产生应力集中,在正常生理应力下容 易 断裂,用高聚物作移植材料时,在人体中又常会出现生物降解问题,而且模量不高和存在蠕变的缺点。采用这种化学一生物惰性的碳素材料作为移植材料可克服金属或高聚物作为移植材料所出现的缺点。碳素材料也不同于金属和高聚物,它不会由于循环载荷而遭到 疲劳 破坏,作为假体材料是很理想的。因此,碳纤维增强碳的复合材料已成功的用来制造关节假体如人体臀关节和心脏阀,或用来制造假肢,如人造臂假体可 固定到断臂的根部,或牙齿移植材料?如牙齿根移植件?,颁面外科移植件等。碳纤维增强塑料也已试用一“制造人体移植件。超高分子量 聚乙烯是用作假体关节的 很 好材料,但易磨损和有一定蠕变。因此,用碳纤维增强改性。然而,超高分子量?的 聚乙烯难加工,不易得到好的复合材料,故人 们研究采用稍低分子量的聚乙烯或高密度聚乙烯作为碳纤维复合材料基体。这里存在界面粘结不好的问题仍有待解决。此外,碳纤维一环氧树脂复合材料亦在试验用于矫形外科移植材料。碳纤维增强聚矾复合材料作为外科移植材料也在试验中。碳纤维增强丙烯酸酮类复合材料可改善牙托的疲劳寿命。碳纤维增强聚丙烯或双丙烯酸醋类的牙托在研究中,但纤维一树脂界面粘结力不高 和 生物性能均有待进一步研究。在医疗上碳纤维?或其织物?可作为人体韧带和健修复被损伤的膝盖韧带。在西德,已有几百病人进行这种手术。然而,有关其使用寿命如何尚待进一步考察。此外,用热解碳涂覆的碳纤维束制备改善人体血液相容性的新型过逮器亦在研究 中。总之,近年来碳纤维及其复合材料作为外科移植材料在某些方面已在成功的动物试验基础上开始了临床试脸。作为人体新型移植材料的生物碳?通常有高强度的各向同性碳、碳化硅和碳复合材料,碳纤维及其复合材料?必将对移植假体科学技术产生深远的影响。结束语兔衬近年来碳纤维及其复合材料在各个领域的应用情况再次表明,材料是人类跨越时代的物质基础,现代科学技术的成就,无一不依赖于新材料的特有功能和效用。碳纤维的应用是非常广泛的,而且在某些应用领域?如宇航或竟赛用的体育用品?甚至可以不考虑成本。然而,含碳纤维的新型材料必将有助于解决 一些世界范围的问题,因为,?节能?可应用轻质材料制的部件,?节材?由于减 少化 学腐蚀或提高材料综合性能而延长使用寿命,?改善人类生存质量?使用长期生物相容的 人体部件和辅助设备,以及减少毒物所引起的环境污染。人们同样可以看到,这里有着大量开发工作需要化学家、物理学家、材料科学家和工程师及设计师们共同努力,去推动这种 被称为革命性材料碳纤维之类的新 材料的应用?和发展。叫卜,月 卜今月 卜中 月卜中 月卜中 月卜啼月?啼月卜今门?劝月卜中劝曰月 卜劝月 卜们月卜叫?月?峭,叫,闷叫?嘴月?,川 卜呜 月卜叫月卜月月 卜呜 月卜叫月卜叽月卜响月卜电月卜场阅卜?叼 卜峪月卜引月 卜气月卜?门 卜门?,闷卜叼卜叫 卜?叫 卜月阅 卜叨月 卜,“离子选择性电极的应用”通过局级鉴定?年?月?日,贵州省航天局在 国 营?厂召开了“离子选择性电极的应用研究”技术鉴定会。局与局属各厂专业人员?人参加了鉴定工作。离子选择性电极分析法是一种新兴的电分析法。在我国近年来发展很快,但应用于工厂试验室中的尚少。?厂在近二年进行了大量的实验,完成了七个应用项目的试验工作,分析误差均能达到国标或部标。代表们对离子选择性电极在材料 成分分析,环境水质分析、电镀槽液分析、火箭推进剂分析、热处理盐浴分析及渗层成分分析 中的应用很感兴趣。一致认为方法简便、快速、经济、设备简单,并可应用微处理机进行数据处理。特别对“渗氮层 中氮的浓度和层次分析”、“钢及合金中微量铝的分析”和“盐浴中的氰酸根测定”评价较高。钢和合金中微量铝的测定,原化学分析方法对?“级的铝含量因干扰元素多而不易测定,使用离子选择电极法可较容易地解决。钢氮化后渗层 中氮的浓度分析要用电子探针测定,现可以用“电 移一离 子 选择性电极法”不需要昂贵的仪器,适用于中小型工厂,对热处理工艺人员改进工艺有现实意义。与会代表希望尽快推广应用此项技术,推动各厂的分析工作,解决些具体问题。,?厂通 讯员哀冲明?
