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mygalaxy1977铜虫 (正式写手)
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[交流]
国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向
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一． 国外情况 １９９６年世界碳纤维生产能力１５０００ｔ，实际产量约１００００ｔ左右，其中日本约占６０％。日本有三家大公司从事碳纤维的生产、研究和开发，东丽公司、东邦人造丝公司和三菱人造丝公司是世界著名的碳纤维生产企业，它们都在积极扩展碳纤维生产，继续加强其在世界市场上的主导地位，并纷纷实现从原丝到下游复合材料一体化的配套生产体制，碳纤维及其下游产品己成为这些公司的支柱产业和新的经济增长点。 随着航空航天飞行器各项性能的不断提高，对结构件用材料的性能要求也越来越高。今后日本先进复合材料的发展方向是：在增强材料方面，进一步提高碳纤维的强度和模量，降低成本；在树脂基体方面，主要提高树脂的冲击后压缩强度和耐湿热性；在复合材料成型技术方面，进一步实现整体成型技术、固化监控、自动化技术及三维复合材料技术，从而同时提高复合材料性能降低制造成本。 美国是碳纤维生产大国，更是消费大国，世界碳纤维４０％以上的市场在美国。美国１９９６年碳纤维生产能力约为４５００ｔ，其中卓尔泰克（ＺＯＬＴEＫ）公司１９９７年在美国德克萨斯州的亚平伦城和匈亚利的布达佩斯附近建了５条碳纤维生产线，１９９７年的总生产能力达３０００ｔ左右，一跃成为世界上生产碳纤维的最大集团之一。 它的产品有许多特色，最主要是低成本、低价格、大丝束、采用纺织用的丙烯酸原丝和开发工业级碳纤维等。该公司生产的碳纤维价格已降至１７.６４＄/ｋｇ，而日本东丽同类产品大约３０＄／ｋｇ。在应用方面，美国摩里逊（Ｍｏｒｉｓｏｎ）公司为达纳（Ｄｃｎａ）公司生产汽车传动轴，供通用汽车公司用；采用碳纤维复合材料可使原来由两件合并成一个传动轴简化成单件，与钢材料相比，可减重６０％。美国斯道顿复合材料公司（Ｓｔｏｕｇｈｔｏｎ）开发碳纤维复合材料集装箱，重量轻、耐磨，在碳纤维价格降至１７.６＄/ｋｇ时，此集装箱的价格可与金属集装箱竞争。 目前，美国正在开发碳纤维复合材料的五大新市场，即清洁能源车辆、土木建筑工程、近海油田勘探和生产、风力发电机大型叶片、高尔夫球杆和球拍。这是推动美国和世界碳纤维复合材料大发展的动力。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的下降，在增强木材、机械和电器零部件、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用必将迅速扩大。 除日美之外，德国、英国和韩国也具有一定碳纤维复合材料生产能力。据预测，今后十年世界碳纤维及复合材料需求量将稳定高速增长。国外碳纤维及复合材料业已步入良性循环，而我国目前尚不具备国际竞争能力。我国当前及今后一个时期内最大的市场在体育用品方面。我国碳纤维及其复合材料业存在的几个问题为：原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、应用基础研究薄弱等。 二．国内情况 1.转自泰州市科协《科技快讯》总第110期：碳纤维取代钢筋 钢筋是混凝土不可缺少的材料，现在日本科学家开发出利用碳纤维取代钢筋制作钢筋混凝土的技术。根据这项新技术，先将1.2万根直径约7微米的碳纤维困在一起，制成30根碳纤维绳，然后呈螺旋状在骨架上缠绕碳纤维绳，只在连接处用树脂固定起来。整个工作由机器人按输入的设计完成。 连接处以外的碳纤维可以折叠，便于运输和保管。在施工现场，先将碳纤维绳拉直，使之恢复原状，然后浇注混凝土。但要注意的是如处理不当，就有可能损伤碳纤维。 碳纤维的强度大，相当于钢筋的10倍，其重量大约为钢筋的1/4，但弱点是与混凝土的附着性差。于是科学家们改变了碳纤维结构，使之能够很好地与混凝土附着在一起。作为混凝土的骨架材料的棒状碳纤维价格比钢筋贵，但采用这项新技术，可以减少利用树脂和电焊的工作量，因此可以降低成本。 2.转自南方纺织网： 国内首套大型工业化聚丙烯腈基碳纤维工程开工 来自中国华源集团的消息说，由华源主投资的国内首套大型工业化聚丙烯腈基碳纤维工程日前正式开工。 这项工程由中国华源集团与安徽蚌埠灯芯绒集团共同投资建设，华源占９０％的股份。工程位于蚌埠市高新技术开发区，占地１９７亩，其中一期工程为年产２００吨聚丙烯腈基碳纤维及５００吨原丝项目，总投资２．２亿元，全套装置和技术从国外引进，由英国艾麦克（ＡＭＥＣ）公司总承包，预计２００５年初建成投产。 据悉，碳纤维是国际上２０世纪７０年代发展起来的高性能材料，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗蠕变、稳定性强等特点，既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用。鉴于此，碳纤维广泛应用于航空航天、现代国防、汽车制造、特种机械、新型建材、体育设施等领域，前景广阔。 目前，我国对碳纤维的研究还停留在小试、中试阶段。华源这一项目的建设成功将填补我国碳纤维及原丝工业化生产的空白。 3.中国塑料机械网：聚丙烯腈基碳纤维前景喜人 目前，世界PAN基碳纤维约占各种碳纤维材料的80%以上，其中PAN基小丝束碳纤维的世界总需求约为10000t/a强。东丽、东邦和三菱人造丝三家公司提供了70%以上的需求，而它们三者的总产能占了世界中产能的78%，其余由美国hexcel、英美的bp amoco和中国台湾的台塑三家分担。 在1998年底，世界小丝束PAN基碳纤维的生产能力为1875t/a，到1999年底增加为2055t/a，增幅8%，其中日本的增幅占42%；在大丝束PAN基碳纤维方面，1998年世界的总产能为7630t/a，到1999年底增至10080t/a，增长率高达32.1%，主要由美国akzo-fortafil、zoltek和德国sgl集团3家独占。 在市场应用方面，全球的CFRP生产厂家约有100余家。从1997年至2005年，航空方面的需求增长149%，体育休闲用品为116%，工业用为252%，合计将增长175%。在飞机方面，美国f-18战斗机已采用10%的CFRP；新一代的战斗机yf-22a属雷达难以搜索型，CFRP占35%。在民航机方面，空中客车公司的新一代a3xx机，其ACM将扩大至60%。在体育休闲用品方面，高尔夫球杆自1993年起需求急速增长，在1995-1997年亚洲市场增长减速，到1999年后美国市场也趋于饱和。网球拍曾在1993-1995年红火一时，目前台湾和国外厂家都已转移至我国生产，其芯部结构为聚氨酯泡沫，外包缠CFRP、GFRP、硼纤维或kevlar纤维等。 在工业领域，有六大方面正在推广应用： （1）土木建筑领域 主要是桥梁和抗震补强材料，特别是发生阪神、淡路、tolco和台湾省大地震后，海外的需求量大增，日本的耐震补强材料和技术已向海外扩展。另外，伴随着信息社会的发达，出现了机密泄露和通过内外部的各种情报、通信设备而相互干扰等社会问题，其对策便是利用CFRP网格混入混凝土中形成电磁波屏蔽墙加以解决。此外，CFRP管制的桁梁构架屋顶，比钢制品轻1/2，使大型结构物达到了实用化的水平，而且施工效率和耐震性能得到了大幅度提高。 （2）汽车 由于目前碳纤维的价格偏高，只能说是未来潜在的大市场。日产汽车公司的“skylinegt-r”的外装材料已使用CFRP；丰田汽车公司自1996年秋起已将CFRP用于“mark ii ”等3种车的内装材料，这两家公司都正与东丽共同开发CFRP制车体，应用于卡车上。现最引人注目的是美国的压缩天然气（cng）压力容器和消防车的氧气压力容器。今后随着大丝束碳纤维价格的进一步下降回收技术的确立，预期将应用于汽车的许多部件和结构材料。 （3）PAN系活性碳纤维 由东邦人造丝首先产业化和上市，具有起吸附作用的微孔，吸脱附速度快，在低浓度下的吸附性能优良，可用于清酒的脱色、净化器滤材等。 （4）海底油田上的油管等 作为深海海底油田的输送管，具有轻量、强、耐腐蚀等特性。此外，平台支架、钻井套管等也需CFRP材料。 （5）风力发电用翼片 欧洲的风力发电翼片都采用CFRP材料，而随着其大型化，考虑到20-40m长的翼片其强度和质量，已开始采用CFRP。 （6）其它 CFRP和CFRPT（碳纤维增强热塑性树脂）可用于印刷轴承、凸轮、壳体、vtr、cd部件、ic托架、齿轮、制动器、泵、照相机部件、眼镜架等，目前CFRPT还用得很少。 在新工艺和新技术方面，日本三大公司和韩国cheil合成工业公司继承系统发表了PAN原丝至碳化等的新技术，其中三菱人造丝公司提出相当于T700性能水平碳纤维的PAN原丝指标。美国wilkinson公司也在研制PAN原丝，而英国国防安全部在研制中空碳纤维原丝及碳纤维。在预氧化、碳化方面，东丽最近发表了30k-100k PAN大丝束的烧成方法，可以使长度较短的大丝束进行连续碳化。三菱人造丝发明的新型碳化炉，可抑制碳化反应生产的分解物附着和堆积于炉壁和纤维上，从而稳定高效地生产高强度模的碳纤维。 东丽公司则研制一种三叶形断面的PAN原丝及碳纤维，可改进与树脂的粘合性、压缩强度和抗弯强度。 4.中国玻璃纤维及绝热材料网：碳纤维在国内外土木建筑中的应用 碳纤维及其复合材料是伴随着军工事业的发展而成长起来的新型材料，属于高新技术产品，具有高比强度，高比模量，耐高温，耐腐蚀，耐疲劳，抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，它既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用。因此其近年来发展十分迅速，在航空、航天、汽车、环境工程、化工、能源、交通、建筑、电子、运动器材等众多领域得到了广泛的应用，被誉为是21世纪的新材料。 在土木建材领域中，水泥的用量最大，但水泥有脆性大、抗拉强度低等缺点。为了改善这些弊端，人们利用碳纤维的力学特性，用混凝土或水泥做基体制成碳纤维增强复合材料。由于碳纤维和芳纶纤维等其有强度高、模量大、比重小、耐碱腐蚀，对人畜无害等特点，在土木建筑应用中日益受到人们的青睐。本文重点介绍短切沥青基碳纤维复合材料在土木建筑领域的应用动向。 （1）碳纤维增强混凝土 碳纤维增强混凝土指的是短纤维或长纤维增强的混凝土材料。它主要用作高层建筑的外墙墙板。碳纤维增强混凝土的主要特征为；具有普通增强型混凝土所不具备的优良机械性能、防水渗透性能、耐 自然温差性能，在强碱环境下具有稳定的化学性能、持久的机械强度和尺寸的稳定性。用碳纤维取代钢筋，可消除钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用，使建筑构件重量减轻，安装施工方便，缩短建筑工期。碳纤维还具有震动阻尼特性，可吸收震动波，使防地震能力和抗弯强度提高十几倍。短切碳纤维增强水泥所用碳纤维的长度为3、6mm，细度或宽度范围在7~20 m，抗拉强度范围在0.5~0.8GPa。 纤维增强材料历史悠久，早在吉埃及文明时代，就曾经使用过稻草增强晒干土砖，日本很早就将稻草或麻丝与黏土混合后用于土墙或抹灰墙中。到了近代，于1900年开发了石棉板，20世纪70年代则开发了钢纤维增强混凝土（SFRC）和玻璃纤维增强水泥（CRC），它们已经作为现代建材被广泛应用。将力学性能优异，化学性能稳定的碳纤维用于土木建筑用的纤维复合材料是伴随着碳纤维的工业化而发展的。开始用作建筑材料时，由于价格非常高，实用化受到影响。然而到了80年代，由于石棉被强制限制使用，以及较便宜的沥青基碳纤维（短纤维）的开发，在土木、建筑方面开始得到实质性应用。到了80年代后期采用长纤维碳纤维增强的各种FRP长条、网及预浸带来代替钢筋和PC钢材的研究日益增多，部分技术和产品于90年代得到实际应用。自 1984年由Kajima，在伊拉克首次使用后，到目前为 止，已有30多座大型建筑使用碳纤维增强混凝土外 墙墙板。日本东京ArkHollMori-Building使用了32000m2的碳纤维增强混凝土墙板，每块墙板的尺 寸为1.47m×3.76m。这些以重量3％的纤维增强混凝土外板可承受630kgf/m2的风压。且外墙可实现减轻40%的重量，大楼钢架整体重量减轻400t。 （2）复合材料棒材 建材工业中最广泛使用的结构材料有钢材和中碳钢增强混凝土，钢材的腐蚀会导致建筑物的灾难性破坏。碳纤维树脂基复合材料棒材便成为人们开发出替代建材用钢材的新型高性能建材的重要品种。混凝土增强用碳纤维增强树脂基复合材料棒材最近在美国已经商品化。据悉，商品名称为CBARTM，由美国Marshall Industries Composites of Lima开发和生产的这种复合材料棒材，不腐蚀、不导电，重量是钢材的1/4，热膨胀系数与钢材比较更接近混凝土，价格大约比环氧涂覆保护的钢材贵20％左右。使用复合材料棒材增强比使用中碳元钢增强，其弯曲强度增加％％。复合材斜棒材和水泥的粘结强度比元钢和水泥的粘结强度高约50~O％。因此它可以在海堤、造纸厂、化工厂、高速公路护栏、房屋地基和桥梁等易腐蚀场合使用。在美国West virgine的一座跨度为52m的桥上共使用了3Okm碳棒复合材料棒材。 （3）．纤维增强胶接层板 最近几年Wood Composites Engineering已经成功地开发了纤维增强胶接层板技术和产品。这种纤维增强胶接层板是在木板的一面或二面胶粘一层或二层纤维增强胶接层板，以承受拉伸或压缩载荷。纤维增强胶接层板制造技术的关键是纤维增强层板和木板之问的应变匹配。纤维增强胶接层板表面的纤维增强复合材料层板具有良好的阻燃性能，一般采用拉挤工艺制备。所使用的增强材料为混杂的碳纤维和其它纤维（玻璃纤维），基体为环氧树脂体系。由于使用纤维增强胶接层板比使用钢桁架的天花板系统价格低8％，比使用传统木桁架价格低25％，以及可明显减少重量和减少木材的需求，纤维增强胶接层板目前发展很快，应用日趋广泛。 （4）．碳纤维复合材料片 碳纤维复合材料片是采用常温固化的热固性树脂（通常是环氧树脂）将定向排列的碳纤维束粘结起来制成的薄片。把这种薄片按照设计要求，贴在结构物被加固的部位，充分发挥碳纤维的高拉伸模量和高拉伸强度的作用，来修补加固钢筋混凝土结构物。日本、美国、英国将该材料用于加固震后受损的钢筋混凝土桥板，增强石油平台壁及耐冲击性能的许多工程上，获得了突破性进展。碳纤维复合材料片具有轻质（比重是铁的I/4~1/5），拉伸模量比钢高十倍以上，耐腐蚀性能优异，可以手糊，工艺性好等优点。因此，碳纤维复合材料片在修补加固已劣化的钢筋混凝土结构物（约束裂纹发展、防止混凝土削落）和提高结构物耐力以及对用旧标准设计建成的钢筋混凝土结构物的补强、加固应用将越来越多。 （5）．其它应用 短碳纤维还可以以下几种形式应用于土木建筑领域：①制作帘墙板（非承重墙）。日本鹿岛公司在160℃和0.98MPa压力下高压蒸汽固化8小时制作这种产品，是一种具有优良耐老化性和突出机械特性的轻量板，此板可应用于高层建筑和海边耐腐蚀建筑。②防水房顶涂层。水对.CFRC的透渗性非常低，因此可将碳纤维水泥混合物用于涂覆平坦的房顶，作为耐风化和不透水的表面，且此涂层表面外观优美。短碳纤维的含量越高，耐擦伤和耐腐蚀性越高。③电磁屏蔽板和导电板。由于碳纤维的高导电性，可消除来自大气的放电和雷击的静电。CFRC可用作防止电磁辐射的屏蔽板、地下管线和地下结构。④墙和防腐蚀涂层。⑤耐磨铺地材料。⑥耐化学腐蚀性地板。 三．结语 碳纤维在土木建筑领域的应用还是一个全新的技术。过去因碳纤维的价格高、产量少，在航空航天领域以外的应用有一定难度，但近年来碳纤维的应用越来越多，并随产量的增加而使成本下降。与传统方式相比，在土木建筑领域中应用碳纤维，虽然纤维强化材料的价格较高，但综合材料成本、施工成本、使用成本，就比较相近了；在施工结果的防腐性、轻量化方面，纤维增强材料更好，这样就拓展了高性能纤维的应用领域。 |
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