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碳纖維的生產(chǎn)制造工藝和發(fā)展前景

發(fā)布時(shí)間：2017-06-02

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1971年，TORAY成了世界上碳纖維第一制造商，從事PAN基碳纖維的大型工業(yè)化生產(chǎn)，并將其產(chǎn)品命名為“TORAYCA”，是TORAY碳纖維的縮寫(xiě)。目前，TORAY是全球生產(chǎn)和銷(xiāo)售碳纖維的領(lǐng)導(dǎo)者。

目前，全世界主要生產(chǎn)兩種碳纖維。一個(gè)是PAN基碳纖維以聚丙烯腈為原料，另一個(gè)是瀝青基的碳纖維，由煤、石油利合成瀝青蒸餾而成瀝青，然后再聚合成纖維。

在強(qiáng)度上PAN基的碳纖維要優(yōu)于瀝青基的碳纖維，因此在全世界的碳纖維生產(chǎn)中占有絕對(duì)性的壓倒優(yōu)勢(shì)。

碳纖維生產(chǎn)制造工藝

碳纖維的生產(chǎn)工藝
對(duì)于碳纖維的生產(chǎn)工藝，當(dāng)生產(chǎn)PAN基碳纖維的時(shí)候，被稱(chēng)為“母體”的聚丙烯腈纖維首先要通過(guò)聚合和紡紗工藝加工聚丙烯腈而成。然后，將這些母體放入氧化爐中在200到300攝氏度進(jìn)行氧化。另外，還要在碳化爐中，在溫度為1000到2000攝氏度間進(jìn)行碳化制成碳纖維。除了常規(guī)類(lèi)型的細(xì)碳纖維之外，PAN基碳纖維還包括粗纖維，被稱(chēng)為“人絲束類(lèi)型碳纖維”，這種粗纖維的生產(chǎn)成本比較低。

碳纖維特性
正如通常人們所說(shuō)的，碳纖維比鋁還要輕比鋼還要硬，它們的比重是鐵的四分之一，比強(qiáng)度是鐵的十倍。通過(guò)與其它纖維的比較，你就可以初步了解碳纖維的特性。還有，碳纖維首先是一種物質(zhì)，是由和鉆石同等材質(zhì)的碳制成的。出于這種原因，另外還有在優(yōu)越的抗張強(qiáng)度利抗拉模量，碳纖維在化學(xué)組成上非常穩(wěn)定，并且具有高抗腐蝕性。碳纖維的其它特性包括高度的X射線穿透性，較高的抗化學(xué)，抗熱和抗低溫能力。

碳纖維的這些特性也就意味著它們可以被應(yīng)用于很多的領(lǐng)域。主要的應(yīng)用包括體育運(yùn)動(dòng)，例如高爾大球棒和釣魚(yú)桿；航空應(yīng)用包括飛機(jī)元件；還有工業(yè)應(yīng)用。隨著工業(yè)的不斷進(jìn)步，人們正在尋找很多具有新能的材料，碳纖維的需求在逐漸增長(zhǎng)，廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、壓力容器、土木工程和建筑材料、能源、其它新的工業(yè)應(yīng)用上。碳纖維的生產(chǎn)成本也在逐漸降低，加工技術(shù)趨向多元化，制造商可以按照具體的應(yīng)用提供一系列的碳纖維產(chǎn)品。所有的這些都支撐了以工業(yè)應(yīng)用為中心的新型應(yīng)用。

碳纖維的產(chǎn)品形式及制造工藝
碳纖維有四種產(chǎn)品形式：纖維，布料，預(yù)浸料坯，和短切纖維。布料指的是由碳纖維制成的織品。預(yù)浸料坯是一種產(chǎn)品，是將碳纖維按照一個(gè)方向一致排列，并將碳纖維或布料與樹(shù)脂浸泡使其轉(zhuǎn)化成片狀。短切纖維指的是短絲。按照不同的配比，這些產(chǎn)品和樹(shù)脂一起應(yīng)用將形成碳纖維強(qiáng)化塑料(CFRP)。

將樹(shù)脂附在纖維上可以制成壓力容器和軋滾，將它們纏繞在一個(gè)芯兒上，然后進(jìn)行塑化或硬化處理。這種方法被稱(chēng)為“纏繞成型法”。

將布料放入一個(gè)模型中，然后與樹(shù)脂浸泡，可以用來(lái)生產(chǎn)卡車(chē)和劃艇的車(chē)身部分。這就是所說(shuō)的“樹(shù)脂轉(zhuǎn)注成型法(RTM)”。

飛機(jī)元件的制造是通過(guò)在高壓釜中給預(yù)浸料坯加熱，加壓和塑化成型而成的。將預(yù)浸料坯纏繞在一個(gè)芯兒上，然后將其加熱和塑化，這就是所說(shuō)的“薄片纏繞法”，用這種方法可以用來(lái)制成高爾夫球棒和釣魚(yú)桿。短絲與樹(shù)脂混合可以形成混合物，經(jīng)過(guò)加工可以生產(chǎn)機(jī)器元件和其它產(chǎn)品。

過(guò)去，預(yù)浸坯料是應(yīng)用最廣泛的碳纖維形式，通過(guò)在反應(yīng)釜內(nèi)利用薄片纏繞法預(yù)制而成。然而，近來(lái)，隨著新的工業(yè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，纖維纏繞成型法，混合物和其他的預(yù)制方法得到了更加廣泛的發(fā)展。像RTM這樣的成型法的應(yīng)用，使得制造商可以更加有效地制成大型產(chǎn)品。碳纖維與最合適的樹(shù)脂及預(yù)制工藝的結(jié)合使得碳纖維的應(yīng)用更加具有吸引力。

應(yīng)用的發(fā)展
目前，各種應(yīng)用占碳纖維年需求的比例如下：體育應(yīng)用大約為30％，航空應(yīng)用為10％，工業(yè)應(yīng)用為60％。

體育應(yīng)用中的三項(xiàng)重要應(yīng)用為高爾夫球棒，釣魚(yú)桿和網(wǎng)球拍框架。目前，據(jù)估計(jì)每年的高爾大球棒的產(chǎn)量為3400萬(wàn)。按照《國(guó)家利地區(qū)分類(lèi)，這些高爾大球棒主要產(chǎn)地為美國(guó)，中國(guó)，日本和中國(guó)臺(tái)北，美國(guó)和日本是高爾夫球棒的主要消費(fèi)地占80％以上。全世界40％的碳纖維高爾大球椿都是由TORAY的碳纖維制成的。

全世界碳纖維釣魚(yú)桿的產(chǎn)量人約為每年2000萬(wàn)副，這就意味著這種應(yīng)用對(duì)碳纖維有著穩(wěn)定的需求。

網(wǎng)球拍框架的市場(chǎng)容量人約為每年600萬(wàn)副。其它的體育項(xiàng)目應(yīng)用還包括冰球棍，滑雪杖，射箭，和自行車(chē)，同時(shí)，碳纖維還應(yīng)用在劃船，賽艇，沖浪，和其它的海洋運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中。

在1992年間，航空應(yīng)用中對(duì)碳纖維的需求開(kāi)始有所減少，主要是受到了商業(yè)飛機(jī)業(yè)衰退的影響，但是在1995早期有得到了迅速的恢復(fù)。恢復(fù)的主要原因是由于生產(chǎn)效率在整體上都得到了提升，同時(shí)也開(kāi)始全力生產(chǎn)波音777飛機(jī)，TORAY的碳纖維被用做結(jié)構(gòu)材料，包括水平和垂直的橫尾翼和橫梁，這兩部分結(jié)構(gòu)是如此的重要，如果他們受損，那么整個(gè)飛機(jī)在飛行的過(guò)程中就可能墜毀。這些材料被稱(chēng)為“首要的結(jié)構(gòu)材料”，因?yàn)樗麄兪侨绱说闹匾詫?duì)他們的質(zhì)量要求是極其苛刻的。對(duì)于波音777飛機(jī)，TORAY是波音公司指定的唯一有資格的碳纖維制造商。

歐洲空客也在他們的飛機(jī)上使用了大量的碳纖維，TORAY的TORAYCA碳纖維有望將被大量地應(yīng)用在他們的新型客機(jī)A380上。

在工業(yè)領(lǐng)域，碳纖維的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，作為材料，它們正在替代金屬和混凝土來(lái)滿(mǎn)足環(huán)境、安全和能源要求，在工業(yè)領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求量正在呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

在土木工程和建筑領(lǐng)域，應(yīng)用碳纖維的抗震修復(fù)和加強(qiáng)法是一項(xiàng)主要突破，正在此領(lǐng)域得劍更加廣泛的推廣。在鐵路建筑中，大型的頂部系統(tǒng)和隔音墻在未來(lái)會(huì)有很好的應(yīng)用，這些也將是很有前景的應(yīng)用。壓力容器主要用在汽車(chē)的受壓大然氣(CNG)箱上，如圖所示，還用在救火隊(duì)員的固定式呼吸器(SCBA)上。CNG罐源于美國(guó)和歐洲國(guó)家，現(xiàn)在日本和其他的亞洲國(guó)家也對(duì)這項(xiàng)應(yīng)用表現(xiàn)山了極大的興趣。

碳纖維的其它應(yīng)川包括機(jī)器元件、家用電器、微機(jī)、及與半導(dǎo)體相關(guān)的設(shè)備的復(fù)合材料的生產(chǎn)，可以用來(lái)起劍加強(qiáng)，防靜電，和電磁波防護(hù)的作用，另外，在X射線儀器市場(chǎng)上，碳纖維的應(yīng)用可以減少人體住X射線下的暴露。

隨著碳纖維成本的連續(xù)降低，和世界范同內(nèi)的環(huán)保要求的提高，碳纖維開(kāi)始被應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域，將來(lái)它們會(huì)被應(yīng)用做尾部沸騰器，發(fā)動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)軸和燃料箱材料，在未來(lái)將有很好的前景。

碳纖維市場(chǎng)的歷史
碳纖維的全方位商業(yè)化始于20世紀(jì)70年代，70年代是高爾大球棒和釣魚(yú)桿應(yīng)用的引入和發(fā)展時(shí)期，主要是在日本。在80年代早期，碳纖維開(kāi)始被廣泛地用在客機(jī)和航空飛行器上作為結(jié)構(gòu)材料，主要是用在歐洲和北美。

然后，人們提高了對(duì)碳纖維的認(rèn)識(shí)，開(kāi)始把它當(dāng)成一種高質(zhì)量的材料，并在20世紀(jì)80年代中期得到了飛速的增長(zhǎng)。在80年代中期，空客公司開(kāi)始將CFRP作為首要的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用在它們的飛機(jī)上，而且，隨著碳纖維在網(wǎng)球和新的體育項(xiàng)目的應(yīng)用，碳纖維市場(chǎng)得到了穩(wěn)步的擴(kuò)展。盡管1991年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)之后，航空業(yè)的發(fā)展走向衰退，全球經(jīng)濟(jì)開(kāi)始停止不前，碳纖維的需求增長(zhǎng)也趨向緩慢，自90年代中期以后，碳纖維的工業(yè)應(yīng)用開(kāi)始成為新的需求增長(zhǎng)點(diǎn)。尤其是，歐洲和北美開(kāi)始將碳纖維應(yīng)用與壓力容器上，這種增長(zhǎng)非常顯著，由丁1995年的神戶(hù)大地震，加快了抗震加固應(yīng)用的需求。在未來(lái)，預(yù)計(jì)碳纖維的主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?cè)重于工業(yè)應(yīng)用，而且這一需求將會(huì)穩(wěn)步增加。另外，新一代的航天計(jì)劃和與汽車(chē)相關(guān)的應(yīng)用都將促進(jìn)碳纖維的工業(yè)化應(yīng)用。

供需狀況：
在2004年，常規(guī)型的碳纖維的產(chǎn)能約為25000 噸，其中75％由和日本相關(guān)的制造商生產(chǎn)。另外，低成本的粗碳纖維被稱(chēng)為“大絲束類(lèi)型”的碳纖維的產(chǎn)量也有幾千噸，大絲束類(lèi)型已經(jīng)開(kāi)始被用于低端的體育和工業(yè)應(yīng)用中，同時(shí)也被應(yīng)用于過(guò)去只有玻璃纖維才涉及的領(lǐng)域。

對(duì)于碳纖維來(lái)說(shuō)，通常所說(shuō)的70％的宣布的產(chǎn)能是實(shí)際的產(chǎn)能。所宣布的產(chǎn)能通常是以標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品類(lèi)型為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的，但是對(duì)于碳纖維，除了具有標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度和模量的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品之外，還有很多其他的根據(jù)技術(shù)特性而定的等級(jí)產(chǎn)品。纖維的粗度也不盡相同，因此，按照產(chǎn)品類(lèi)型和纖維粗度來(lái)劃分，他們的產(chǎn)能是不同的。在生產(chǎn)多種產(chǎn)品的時(shí)候，換產(chǎn)會(huì)很浪費(fèi)時(shí)間。因此，實(shí)際的產(chǎn)能通常會(huì)低于宣布的產(chǎn)能。

從2003到2010年按照應(yīng)用和領(lǐng)域來(lái)劃分的全球需求和需求預(yù)測(cè)。到2010年的這段時(shí)間內(nèi)，碳纖維的需求將每年增長(zhǎng)7.5%。預(yù)計(jì)到2010年碳纖維的總需求量將達(dá)到32000噸。

碳纖維的彈性模量高

產(chǎn)品性能：
1、抗拉強(qiáng)度是普通鋼材的8-10倍以上，彈性模量?jī)?yōu)于鋼材，具有優(yōu)異的抗蠕變性能，耐腐蝕性和抗震性。
2、重量輕、其重量?jī)H為鋼材的1／5，韌性好：可以盤(pán)卷，單卷長(zhǎng)度250m供應(yīng)而無(wú)須搭接。
3、施工便捷，施工質(zhì)量易保證材料不用預(yù)加工，工序方便，型材允許交叉。
4、表面光滑、耐腐蝕性耐酸、堿、鹽及大氣環(huán)境的腐蝕，不須定期維護(hù);機(jī)械性能優(yōu)良、易機(jī)加工等。

應(yīng)用領(lǐng)域：
建筑領(lǐng)域：混凝土樓加固、橋梁加固、混凝土、磚砌體墻加固、以及煙囪、隧道、水池加固,穿強(qiáng)螺絲桿等;體育用品：航模骨架、箱包骨架、箭桿、旗桿、高檔樂(lè)器配件、漁具配件;高科技領(lǐng)域：空中客車(chē)配件、飛機(jī)、艦艇、輪船配件;軍工設(shè)備配件;各種高端機(jī)械裝置的傳動(dòng)軸桿等。（文章來(lái)源：頂級(jí)復(fù)合材料技術(shù)分享館）

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