2011年8月1日 星期一

请教关于碳素纤维布www.tool-tool.com

碳素纤维又称碳纤维(Carbon Fiber,简称CF)。在国际上被誉为"黑色黄金",它继石器和钢铁等金属后,被国际上称之为"第三代材料",因为用碳纤维制成的复合材料具有极高的强度,且超轻、耐高温高压。

碳 纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,其含碳量随种类不同而异,一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性,如耐高温、耐摩擦、导 电、导热及耐腐蚀等,但与一般碳素材料不同的是,其外形有显着的各向异性、柔软、可加工成各种织物,沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小,因此有 很高的比强度。

1.由来

1880年美国爱迪生首先将竹子纤维碳化丝,作为电灯泡内之发光灯丝,开启了碳纤维(Carbon Fiber,简称CF)之纪元。碳纤维用在结构材料,首先问世者,则以美国Union Carbide公司(U.C.C.)为代表,并于1959年将嫘萦纤维为原料,经过数千百度之高温碳化后,得到弹性率约40GPa,强度约为0.7GPa 之碳纤维;尔后,1965年该公司又用相同原料于3000℃高温下延伸,开发出丝状高弹性率石墨化纤维,弹性率约500GPa,强度约为2.8GPa。

另 外,于日本大阪工业技术试验所之进藤博士,则以Polyacrylonitrile(简称PAN)聚丙烯腈为原料,经过氧化与数千度之碳化工 程后,得到弹性率为160GPa,强度为0.7GPa之碳纤维。1962年日本碳化公司(Nippon Carbon Co.)则用PAN为原料,制得低弹性系数(L.M.)之碳纤维。东丽公司亦以PAN纤维为原料,开发了高强度之CF,弹性率约为230GPa,强度约为 2.8GPa,并于1966年起有每月量产1吨之规模;同时亦开发了碳化温度2000℃以上之高弹性率CF,弹性率约400GPa,强度约为 2.0GPa。于1965年,群马大学大谷教授,利用加热氯乙烯(Vinyl Chloride)得到之沥青(Pitch),经过熔融纺丝、不融化与碳化工程处理后,得到普通级碳纤维;大谷教授亦可利用木质素(Lignin)为原料 制作碳纤维。

碳纤维之需求量虽逐渐扩大,但1991年以后冷战结束后,军事用途之使用量萎缩,复因泡沫经济与景气萧条,供需失去平衡,产业受到冲击。然而,美国波音公司新锐机型B777之生产,加上土木、建筑、汽车与复合材料之扩大应用,碳纤维产业逐渐缓步成长中。

2.碳纤维之种类

经 高温处理后,其含碳量超过90%以上之纤维材料,称之为碳纤维。碳纤维之种类分类有许多方法,可依原料、特性、处理温度与形状来分类。若依原 料可分为纤维素纤维系之嫘萦(Rayon)系与木质(Lignin)系;聚丙烯腈(Polyacrylonitrile)系;沥青(Pitch)系;?酚 树脂系与?气相碳纤系等六种。若依特性则分为普通碳纤维;高强度高模数碳纤维与活性碳纤维等三种。普通碳纤维之强力在120㎏/㎜2以下,杨氏模数 (Young掇 Modulus)在10000㎏/㎜2以下者称之;高强度高模数者,则强力在150㎏/㎜2以上,模数在17000㎏/㎜2以上时称之。

若 依加工处理温度分类时,则可分为耐炎质;碳素质与石墨质等三种。耐炎质碳纤之处理加热温度为200~350℃,可供作电气绝缘体;碳素质碳纤 之处理加热温度为500~1500℃,可供电气传导性材料用;石墨质碳纤之处理加热温度在2000℃以上,除耐热性与电气传导性提高外,亦具自我润滑性。

若按碳纤维制品之形状分类时,可分为棉状短纤维;长丝状连续纤维;纤维束(Tow);?织物;?毡毯与?编制长形物等。

3.碳纤维之研制

3.1 嫘萦系碳纤维

嫘萦纤维素纤维加热处理时不会熔融,若在无氧状态下的不活性气体(Inert Gas)中加热处理,则极易取得碳纤维。

3.2 聚丙烯腈系碳纤维

聚丙烯腈(PAN)系碳纤维之制造工程大致可分为聚丙烯腈纤维之制备;安定化工程(耐炎化);碳化工程;?表面处理与上浆工程;?石墨化工程等五个程序。

3.3 沥青系碳纤维

原油经900℃以上之高温提炼后的残渣中,约含有95wt%之碳质,若以电解法去除其中之硫酸,再经水洗后可得纯度极佳之沥青(Pitch)。

3.4 气相成长碳纤维

气相成长碳纤维有基材上成长法与流体化触媒成长法两种。将铁、钴、镍等金属微粒(M)加热至1100℃,令乙炔(C2H2)热分解脱氢形成碳素沈积成长于金属微粒下方,形成碳纤维。为基材上成长法之简图,可知其间须喂入氢(H2)气与苯(C6H6)等气体。

3.5 活性碳纤维

目 前商业化之活性碳的形态有粉末状;颗粒状与纤维状等三种,其中粉末状活性碳(Powdered Activated Carbon,简称PAC),大多由木屑制成,平均尺寸约为15~25μm;颗粒状活性碳(Granular Activated Carbon,简称GAC),大致由煤、沥青粉末制成,平均尺寸约为4~6㎜;纤维状活性碳(Activated Carbon Fiber,简称ACF),则大多由PAN、Rayon、Pitch与Phenolic Resin等纤维制成,平均直径约为7~15μm。

活性碳纤维之吸着性

活 性碳纤维之特性,其吸着性依原料不同有所差异,其中以日本等国开发之Phenolic Resin系之效果较佳。在溶剂吸着之过程中,首先是表面质传,再于孔洞内扩散,接着活性真吸附与多层吸附,最后形成毛细凝结,故活性碳纤维为一种优良之 溶剂吸着材,甚至回收利用。同时对于空气净化、脱色、脱臭、医疗用卫生、防毒面具/口罩、电子材与各项污染防止过滤材等用途皆可广泛利用。

4.结论碳素纤维每年虽呈小幅成长,但仍具稳定之特殊固定市场性与用途需求性。碳素纤维之用途依国家不同而异,美国主要发展用于国防与航天,而日本则用于运动休闲器材,在未来预期在环保用途将会大幅成长。碳素纤维依产品设计与结合特殊他种材料会展开另一新纪元。

5.碳纤维之主要用途与比例

用途 航天/船舰 工业/汽车 运动器材

国家

美国 74.40% 13.60% 12.10%

日本 4.00% 33.60% 62.40%

引用出處:

http://www.jiameng.com/ask/v_1225.htm

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