材料之王世纪之交的碳纤维

材料之王——世纪之交的碳纤维主要内容碳纤维简介极其重要的军用战略材料碳纤维在支柱产业中的广泛应用PAN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(carbonfiber)的分类（1）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）按力学性能分通用级(GP):T-3003.5GPa高性能级(HP)高强(HS):T-10007.0GPa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：300GPa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T-300级碳纤维及原丝中试稳定化研究T-300级碳纤维及原丝百吨级建设T-700碳纤维及原丝关键技术的研究973国家重点基础研究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高比强度、高比模量耐高温，使用温度2000℃。在3000℃非氧化气氛中不融不软耐强酸、强碱及强有机溶剂的浸蚀热膨胀系数小，约等于零热导率高，约为10～140W/(m。K)摩擦系数小,有自润滑作用。导电性好碳纤维战术导弹起飞碳纤维低空隐型飞机2019/12/24dhu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柱产业中的广泛应用支柱产业中的广泛应用新型建材汽车工业能源飞机建筑材料中的广泛应用加固修复材料钢筋代用材料型材混凝土增强材料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补强效果同钢材，自身荷重轻。可按结构形状自由剪裁。不生锈，对海岛型气候尤其适合。容易设计，施工简便。与混凝土粘合紧密，粘结强度高。有超强的防水效果。比钢材加固综合成本下降20%左右。CF补强片材的经济效益仅按台湾的使用量来推算我国至少需要CF10000吨/年35亿元/年CF片材50亿元/年修补建筑物100亿元/年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。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CO57.5%NO化合物29.8%挥发性有机物27.2%CO223.8%全部来自高速公路的车辆参加攻关单位: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4.54Kg/年计，CF总需求量约为8.1万吨/年，按上表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）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150017503500CF在能源领域的应用（2）汽车用压缩天然气瓶（CNG）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CO226%。减重:比钢瓶轻4倍以上能源问题概况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。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。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）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CF用量20000吨/年70亿元/年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CF用量6800吨/年23.8亿元/年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二次结构件辅翼方向舵升降舵一次结构件主翼尾翼机体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603119991641534004021272002年6933611191842306008026182003年79363125320634580012031662004年913921404238518100016038032005年105423157326777712002004545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”“先天不足，后天难补”好木材出好炭，好原丝出好碳丝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).解决办法:引入结构缺陷破坏结晶/改善溶解性易于纺丝.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？链结构控制及其与可纺性、原丝、碳纤维性能之间的关系链结构——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科学问题之1高性能原丝结构形态的形成机制与控制大分子缠结及解缠的新理论探讨及分子动力学模型原液在复杂流场中流变行为及拉伸对超分子结构影响凝固过程双扩散动力学初生纤维拉伸变形机理纤维结晶与取向的微细结构关键科学问题之2原丝与碳纤维结构性能的相关性外场下聚丙烯腈纤维凝聚态结构转变的机制聚丙烯腈大分子链结构与热氧稳定化的关系原丝结构转化过程中缺陷的“遗传”及演变热氧稳定化中原丝形态结构的转化机制原丝中微量金属等杂质及分布的研究聚丙烯腈纤维射频等离子法预氧化碳化机制关键科学问题之3关键科学问题4聚丙烯腈碳纤维及其原丝中缺陷表征方法和理论的研究流变学参数测定及原丝凝聚态结构的表征高性能碳纤维的结构特征及其与原丝关键结构参数的联系缺陷的定量表征方法聚合物结构参数的表征缺陷表征方法、理论的不足现有的测试方法均不合适压汞法不能测闭口孔X光小角散射法只能测微孔BET法只能测开口的微孔SEM、TEM法所测结果代表性差国家重点基础研究发展规划项目计划建议书缺陷的表征常规方法测定全跟踪新型测定方法的研究统计理论新方法的研究常规方法测定跟踪各段纤维全部力学性能的测定XRD、FTIR、AFM、ToF-SIMS、XPS等现代分析技术拉曼光谱原位观察热氧稳定化纤维和碳纤维石墨谱带的位移和加宽效应俄歇光谱结合XPS及透射电镜方法获得纤维径轴向组成及形态信息建立新的表征方法建立孔径分布及孔隙率的定量表征方法用声发射法收集单、复丝断裂过程的全部信息小分子探针扩散标记-激光共聚焦荧光显微技术国家重点基础研究发展规划项目计划建议书东丽公司原丝声发射图象国产原丝的声发射图象国家重点基础研究发展规划项目计划建议书统计理论新方法根据Griffith和Orowan脆性材料强度理论，得出强度、模量、缺陷和微晶参数的修正公式应用We