碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)論文-資料下載頁(yè)
2025-06-24 05:57本頁(yè)面
【正文】 產(chǎn)水平的提高。（3）未形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模國(guó)外碳纖維生產(chǎn)規(guī)模多在500t以上, 而我國(guó)以10t左右居多。生產(chǎn)成本高, 產(chǎn)品價(jià)格也比進(jìn)口的高, 而性能卻無(wú)法與進(jìn)口的媲美,故缺乏競(jìng)爭(zhēng)能力, 失去了市場(chǎng)。（4）碳纖來(lái)源大部分依賴進(jìn)口我國(guó)使用的碳纖絕大部分依靠進(jìn)口, 而美國(guó)、日本等賣給我國(guó)的碳纖絕不允許用于軍工、航天航空等領(lǐng)域, 僅限于生產(chǎn)文體用品, 且產(chǎn)品大部分外銷, 因而嚴(yán)重地制約了我國(guó)碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域的開拓。第 2章 設(shè)計(jì)過(guò)程制備碳纖維的前驅(qū)材料很多, 可以用粘膠纖維、瀝青、聚丙烯氛、聚乙烯醉、木質(zhì)素、聚抓乙烯、酚醛樹脂、聚苯并唾哇等為原料。但到目前為止, 取得工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的只有3種。其中聚丙烯臘基碳纖維綜合性能最好, 產(chǎn)量占90%以上。瀝青基碳纖維成本較低粘膠基碳纖維工藝復(fù)雜、成本高, 主要在軍事領(lǐng)域應(yīng)用。（1）聚丙烯腑基碳纖維碳纖維用PAN原絲。三菱人造絲公司研發(fā)出纖度為2202299000dtex, 至少為20k的PAN原絲, 沿纖維軸向的質(zhì)量離散系數(shù)%；英國(guó)國(guó)防部發(fā)表了中空碳纖維用中空PAN原絲的制備專利我國(guó)在PAN原絲的研制方面也作了不少工作,其中山東大學(xué)DMSO法原絲小試已通過(guò)技術(shù)鑒定, 碳絲強(qiáng)度。中科院山西煤化所也從事DMSO法小試研究。（2）PAN預(yù)氧化纖維。目前世界上最大的抗燃、耐熱PAN預(yù)氧化纖維生產(chǎn)廠家是德國(guó)SGL集團(tuán)和美國(guó)ZOLTEK公司, 其產(chǎn)量皆超過(guò)2022t/a, 各占世界總產(chǎn)量的1/3；日本帝人所屬的東邦公司產(chǎn)能達(dá)500t/a；旭化成公司約有的250t/a產(chǎn)能。 5 / 14預(yù)氧化纖維經(jīng)低溫和高溫活化可制成碳纖維,經(jīng)碳化活化可加工成活性碳纖維。(3)PAN碳類纖維生產(chǎn)。聚丙烯氰基碳纖維最早在1959年由日本進(jìn)藤昭男研制成功, 1964年英國(guó)皇家航空研究中心在纖維熱穩(wěn)定化過(guò)成中施加張力牽伸, 打通了制備高性能碳纖維的工藝流程并沿用至今。到21世紀(jì), 生產(chǎn)工藝已分化為美國(guó)為代表的大絲束碳纖維工藝和日本為代表的小絲束碳纖維工藝, 小絲束的生產(chǎn)追求高性能化。東麗公司是世界高性能碳纖維研究的領(lǐng)頭羊, 該公司, 是目前世界上強(qiáng)度最高的碳纖維。 碳纖維生產(chǎn)工藝路線碳纖維制造方法分為有機(jī)纖維法和氣相生長(zhǎng)法，大多數(shù)采用有機(jī)纖維法。有機(jī)纖維法是采用有機(jī)纖維為原料，目前工業(yè)上生產(chǎn)碳纖維的原料主要有黏膠，聚丙烯腈和瀝青纖維三大類，各種不同的原料經(jīng)紡絲、氧化、石墨化、表面處理、上膠、卷繞機(jī)包裝，分別制得各種不同性能的碳纖維，其工藝流程如下圖【5】 ：碳纖維主要采用大絲束聚丙烯睛纖維作為原絲, 獲得中等力學(xué)性能的碳纖維, 大絲碳纖維生產(chǎn)工藝流程見下圖 【3】 ： 6 / 14穩(wěn)定化是 CF 制備過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，很大程度上個(gè)決定了 CF 的結(jié)構(gòu)和性能。PAN 纖維絲線性高分子，耐熱性差，高溫下熱處理會(huì)分解，得不到碳纖維。在溫度較低的含氧氣氛加熱（180300℃） ，氣氛中的氧會(huì)促進(jìn) PAN 線性分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，生成帶有共軛環(huán)的梯形結(jié)構(gòu)，提高了 PAN 的熱穩(wěn)定性，使其能經(jīng)得起高溫碳化處理，得到碳纖維。這就是穩(wěn)定化的目的。碳化是碳纖維形成的主要階段。預(yù)氧絲在惰性氣體保護(hù)下通過(guò)碳化爐（13001600℃） ，在此溫度下，預(yù)氧絲中的非碳元素如 N、H、O 等從纖維中排出去。碳化后得到的 CF 有較高的強(qiáng)度，如果要獲得較高模量的 CF，還要在更高的溫度下處理碳化后的纖維一般將經(jīng) 2022℃以上處理得到的碳纖維稱為石墨纖維或高模碳纖維。石墨化的碳絲應(yīng)具備以下條件：σ=β 0(lme)1/m 其中 β 0、m 是 Weibulllm 參數(shù)；l 為絲束長(zhǎng)度；m 是評(píng)價(jià)強(qiáng)度分布的，m值越大，強(qiáng)度分布越小。前面已經(jīng)介紹過(guò)我國(guó)研究生產(chǎn)碳纖維材料的難點(diǎn)主要是工藝不成熟, 設(shè)備落后, 自動(dòng)化程度低。（1）PAN原絲質(zhì)量不過(guò)關(guān)，碳纖來(lái)源大部分依賴進(jìn)口。而PAN前軀體是制備工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一，其機(jī)械性能決定了碳纖維的優(yōu)劣。我國(guó)的睛綸原絲存在著毛絲、并絲、斷絲等問(wèn)題, 原絲的強(qiáng)度、純度、取向度、細(xì)旦化及值還未達(dá)7 / 14到先進(jìn)國(guó)家的水平, 而美國(guó)、日本等賣給我國(guó)的碳纖絕不允許用于軍工、航天航空等領(lǐng)域, 僅限于生產(chǎn)文體用品, 且產(chǎn)品大部分外銷, 因而嚴(yán)重地制約了我國(guó)碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域的開拓原絲質(zhì)量是影響碳纖質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，研究開發(fā)出高質(zhì)量的原絲是首要任務(wù)。（2）設(shè)備落后。我國(guó)碳纖生產(chǎn)設(shè)備落后, 自動(dòng)化程度低,勞動(dòng)強(qiáng)度大, 生產(chǎn)環(huán)境差, 而發(fā)達(dá)國(guó)家的封鎖又使我國(guó)無(wú)法引進(jìn)國(guó)際上的一、二流設(shè)備,影響了生產(chǎn)水平的提高。因此引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)設(shè)備或自主研發(fā)是關(guān)鍵。（3）未形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模生產(chǎn)成本高, 產(chǎn)品價(jià)格也比進(jìn)口的高, 而性能卻無(wú)法與進(jìn)口的媲美,故缺乏競(jìng)爭(zhēng)能力, 失去了市場(chǎng)。因此，形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模降低成本，才能具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。致 謝本設(shè)計(jì)在李曉生老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下業(yè)已完成，從課題選擇、方案論證到具8 / 14體設(shè)計(jì)和調(diào)試，無(wú)不凝聚著李老師的心血和汗水。在此向李曉生老師表示深深的感謝和崇高的敬意。感謝論文中引文的原作者，他們都是材料界的名師大家，大師風(fēng)范，高山仰止。通過(guò)這次設(shè)計(jì)加強(qiáng)了對(duì)自身專業(yè)知識(shí)的掌握能力。使我認(rèn)識(shí)到所學(xué)的專業(yè)知識(shí)的局限性，此次設(shè)計(jì)是對(duì)我本學(xué)期所學(xué)專業(yè)知識(shí)以及文獻(xiàn)檢索能力的一次全面檢驗(yàn)。參考文獻(xiàn)[1] 熊家炯. 材料設(shè)計(jì). 天津：天津大學(xué)出版社，2022[2] 趙九蓬等主編. 新型功能材料設(shè)計(jì)與制備工藝. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2022[3] . 碳纖維技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用前景. 國(guó)外建材科技. 2022 年，24 卷（3 期）：4344[4] 世界碳纖維前途光明. 年 5 期：2728[5] . 碳纖維—一種高性能的新興工業(yè)材料. 福建輕紡.2022 年 11 月第 11 期(總第 138 期)：14[6] 碳纖維發(fā)展?fàn)顩r. 年 2 期：2833
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