1、长春工业大学材料设计概论结业论文第 1 页 共 7 页论述碳纤维的制造技术及在航天发射领域的应用王晓刚 200905731.摘要:碳纤维是一种力学性能优异的新材，在过去的二三十年里得到广泛的研究。其含碳量在 90%以上，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在 2000以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性、纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能，被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天
2、领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。关键词:碳纤维,制造,航天领域,应用2.碳纤维的制造2.1 发展历程碳纤维主要是由沥青、人造丝和聚丙烯腈为主要原料而制造的，目前结构材料中主要使用 PAN 碳纤维。1950 年，美国 Wright-Patterson 空军基地开始研制粘胶基碳纤维。1959年，最早上市的粘胶基碳纤维 Thornel-25 就是美国联合碳化物公司(UCC)的产品。与此同时，日本研究人员也在 1959 年发明了用聚丙烯腈(PAN)基原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上，英国皇家航空研究院开发出了制造高性能 PAN基碳纤维的技术流程，使其发展驶入了快车道，PAN 基碳纤维成为当前碳纤维工
3、业的主流，产量占世界总产量的 90%左右。20 世纪 70 年代中期，UCC 在美国空军和海军的资金支持下，研发高性能中间相沥青基碳纤维；1975 年研发成功Thornel P-55(P-55)，在 19801982 年之间，又研发成功 P-75、P-100 和 P-120，年产量为 230t。P-120 的模最高达 965GPa，是理论值的 94%，热导率是铜的 1.6 倍，线膨胀系数仅为-1.3310-6/K，且在 375空气中加热 1000h 仅失重 0.3%1.0%，显示出优异的抗氧化性能。它们已广泛用于火箭喷管、导弹鼻锥、卫星构件、舰艇材料等方面。在 20 世纪 80 年代早期，碳纤
4、维开始被广泛地用在客机和航空飞行器上作为结构材料，主要在欧洲和北美进行应用。然后，人们提高了对碳纤维的认识，开始把它当成一种高质量的材料，并在 20 世纪80 年代中期得到了飞速的增长在 80 年代中期，欧洲空客公司开始将 CFRP(碳纤维增强塑料)作为首要的结构材料应用在飞机上，而且，随着在网球和新的体育项目的应用，碳纤维市场得到了稳步的扩展。长春工业大学材料设计概论结业论文第 2 页 共 7 页2.2PAN 基碳纤维PAN 基碳纤维的制造分为两步进行，第一步是丙烯腈（AN）单体制造 PAN原丝，类似于纺织的 PAN 纤维的生产。第二步是原丝的预氧化和碳化，预氧化处理的目的是使 PAN 的线
5、性分子链转化为耐热的梯形结构，使其在高温碳化时不熔不燃，保持纤维形态。碳化过程是碳纤维形成的主要阶段，除去里纤维中大量的氧、氮和其他元素。再经过表面处理、干燥上浆得到具有金属光泽的PAN 基碳纤维产品。PAN 原丝的制备在整个碳纤维生产中至关重要，按纺织方法分为湿法、干法、干湿法和熔融法等，纺丝溶剂有 NaSCN、DMF（二甲基甲酰胺）、DMSO（二甲基亚砜）等，以 DMSO 溶剂的制造工艺具有技术成熟、产品质量稳定、原料及能耗消耗低、三废牌放量少、经济效益好等明显优势，是目前世界上 PAN 原丝生产主要采用的加工路线。图 1.PAN 基碳纤维工艺流程图长春工业大学材料设计概论结业论文第 3
6、页 共 7 页2.3 沥青基碳纤维沥青基碳纤维是仅次于 PAN 积极的第二原料路线，分为通用级低性能沥青基碳纤维和高模量沥青基碳纤维。沥青基碳纤维的优势为生产成本低、市场价格低廉。沥青基碳纤维的制备过程包括原料沥青的精制、沥青的调制、沥青碳纤维的制取、预氧化处理、碳化和石墨化处理、后处理等步骤，其工艺步骤如图 2 所示。图 2 沥青基碳纤维工艺流程图原料沥青的精制主要是除去沥青中的氧，特别是焦油沥青中含有的游离炭和其它固体杂质，这些杂质在纺丝过程中可能堵塞纺丝孔，而残留在纤维中的细小颗粒则是碳纤维断裂的根源。精制过程是原料沥青中加入一定量的溶剂，如苯和喹啉，然后加热到 100以上，用不锈钢网或
7、耐热玻璃纤维等进行过滤，过滤必须在氮气保护下进行，以防止沥青的氧化。接下来的沥青调制过程是通过沥青的热缩聚、加氢预处理、溶剂萃取的方法制取可纺沥青，目的是除去沥青中的轻组分。这些轻组分是纺丝过程中气泡产生的根源，会造成丝的断裂；另一目的是提高沥青软化点，使相对分子质量分布均匀。与 PAN 基碳纤维不同，可纺沥青在极短的时间内固化后就不能在进行拉伸，得到的沥青纤维十分脆弱。因此，在纺丝时就要求能纺成直径在 15以下的低纤维，以提高最终碳纤维的强度。沥青基碳纤维的纺丝方法主要有挤压法、离心法、熔吹法、涡流法。挤压法是用高压泵将熔化的高温沥青液体压入喷丝头，挤出成细丝；离心法是将熔化的高温沥青液体在
8、高速旋转的离心转鼓内通过离心力作用被甩出立即凝固成纤维丝；熔吹法是将熔化的高温沥青液体送到长春工业大学材料设计概论结业论文第 4 页 共 7 页喷丝头内，沥青液体从小孔压出后立即被高速流动的气体冷却和携带拉伸成纤维丝；涡流法是将高温沥青液体由热气流在其流出的且线方向吹出并被拉伸，所纺出的 纤维具有不规则的卷曲。由于沥青的可溶性和黏性在刚开始加温时会粘合在一起，而不能形成单丝的碳纤维，所以必须在碳化前先进行碳纤维的预氧化处理。预氧化还可以提高沥青纤维的力学性能，增加碳化前的抗拉强度。预氧化分气相法和液相法两种，气相法氧化剂有空气、二氧化氮、三氧化硫、臭氧和富氧气体等；液相法氧化剂采用硝酸、硫酸、
9、高锰酸和过氧化氢等溶液。氧化温度一般为 200400。在预氧化过程中，要求纤维氧化均匀，不应该形成中心过低、边缘过高的皮芯结构。3.碳纤维的应用3.1 航空领域应用的新进展 T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的为拉伸强度达到 5.5GPa，断裂应变高出 T300 碳纤维的 30的高强度中模量碳纤维 T800H 纤维。 军品 碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位
10、，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件 61.5%，减少紧固件 61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到 2728%。未来以 F-22 为目标的背景机复合材料用量比例需求为 35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是 T300级和 T700 级小丝束碳纤维增强的复合材料。 长春工业大学材料设计概论结业论文第 5 页 共 7 页图
11、2: 美国 F22 军用飞机民品 在民用领域，555 座的世界最大飞机 A380 由于 CFRP 的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。飞机 25%重量的部件由复合材料制造，其中 22%为碳纤维增强塑料(CFRP), 3%为首次用于民用飞机的 GLARE 纤维金属板（铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构）。这些部件包括：减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用 CFRP 制造。继 A340 对碳纤维龙骨梁和复合材料后密封框复合材料用于飞机的密封禁区发起
12、挑战后，A380 又一次对连接机翼与机身主体结构中央翼盒新的禁区发起了成功挑战。仅此一项就比最先进的铝合金材料减轻重量 1.5 吨。由于 CFRP 的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。从而大大减少了油耗和排放，燃油的经济性比其直接竞争机型要低 13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低 15%-20%，成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。 图 3: 空中客车 A-3803.2 航天领域的新进展 火箭、导弹 以高性能碳(石墨)纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。
13、其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上，碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热长春工业大学材料设计概论结业论文第 6 页 共 7 页材料，在美国侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用，美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料，如美国三叉戟-2 导弹、战斧式巡航导弹、大力神一 4 火箭、法国的阿里安一 2 火箭改型、日本的 M-5 火箭等发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为
14、5.3GPa 的 IM-7 碳纤维，性能最高的是东丽 T-800 纤维，抗拉强度 5.65Gpa、杨氏模量 300GPa。由于粘胶基原丝的生产由于财经及环保危机的加剧，航天级粘胶碳丝原料的来源一直是美国及西欧的军火商们深感棘手的恼头问题。五年前，法国 SAFRAN 公司与美国 WaterburyFiberCote Industries 公司以有充分来源的非航天级粘胶原丝新原料开发成功名为 RaycarbC2TM 的新型纤维素碳布，并经受了美军方包括加工、热/结构性质及火焰冲刷试验在内的全部资格测试，在固体发动机的全部静态试验中都证明该替代品合格，2004 年十一月，该碳布/酚醛复合材料已用于阿
15、里安娜 V Flight164 上成功飞行。 图 4: 法国阿里安娜 V 型导弹卫星、航天飞机及载人飞船 高模量碳纤维质轻，刚性，尺寸稳定性和导热性好，因此很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作，而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料。 碳纤维增强树脂基复合材料被作航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。美国发现号航天飞机的热瓦，十分关键，可以保证其能安全地重复飞行。一共有8 种：低温重复使用表面绝热材料 LRSI；高温重复使用表面绝热材料 HRSI；柔性重复使用表面绝热材料 FRSI；高
16、级柔性重复使用表面绝热材料 AFRI；高温耐熔纤维复合材料 FRICHRSI；增强碳/碳材料 RCC；金属；二氧化硅织物。其中长春工业大学材料设计概论结业论文第 7 页 共 7 页增强碳/碳材料 RCC，最为要的，它可以使航天飞机承受大气层所经受的最高温度 1700。 随着科学技术的进步，碳纤维的产量不断增大，质量逐渐提高，而生产成本稳步下降。各种性能优异的碳纤维复合材料将会越来越多地出现在航空航天领域中，为世界航空航天技术的发展作出更大的贡献。4.结语碳纤维的优异性能使得其在国防和民用领域均有广泛的应用。作为未来最有发展前景的新型结构材料，可以肯定碳纤维在 21 世纪将步入新的飞跃，应用领域
17、也将更加广泛。参考文献1周明英 碳纤维及其应用 J山东纺织科技，2003 （3）：482高瑞林 沈曾民 中国科学院山西煤炭化学研究所 基础知识讲座3陈达军 聚丙烯腈基碳纤维工厂设计实验J.江苏纺织，2008，（8）：50-54.4汪家铭 聚丙烯腈基碳纤维发展与应用J.化工新型材料，2009，37（8）：17.5毛德君 基碳纤维生产及应用J.炼油与化工，2002，13（4）：3-12.6毛立新,陈献桃,廖德仲等.氨基磺酸均相催化合成柠檬酸三丁酯J.湖南理工学院学报(自然科学版),2005,18(2):36387林德春 潘鼎 高健 陈尚开 碳纤维复合材料在航空航天领域的应用8赵嫁祥 2008 年世界碳纤维前景会J.高科技纤维与应用，2008，33（5）：1-6
