2010136103徐銘華復(fù)合材料

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1、聚丙烯腈基（PAN）碳纖維復(fù)合材料2010136103徐銘華摘要:對(duì)PAN基碳纖維的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀以及以其為增強(qiáng)體的復(fù)合材料進(jìn)行了綜述，并對(duì)PAN基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的主要應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹，最后對(duì)我國高性能碳纖維復(fù)合材料的現(xiàn)狀及發(fā)展重點(diǎn)進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞:PAN基碳纖維;復(fù)合材料;航天領(lǐng)域;應(yīng)用Abstract:Inthisarticle,thedevelopmentofPAN-basedcarbonfiber,itscharacterandcompositesreinforcedbyitisoverviewed.The

2、mainapplicationofcarbonfiberreinforcedcompositesonaerospaceisalsointroducedhere.Finally,thestatusandfuturedevelopmentofPAN-basedcarbonfiberisdiscussed.Keywords:PAN-basedcarbonfiber;composites;aerospace;application1.前言隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步以及各國對(duì)空間光學(xué)遙感器的進(jìn)一步需求，空間遙感器必然向高分辨率、長焦距、大口徑、大視

3、場(chǎng)、大體積而質(zhì)量更輕的方向發(fā)展[1]，然而，發(fā)展質(zhì)量更輕的空間光學(xué)遙感器，必須采用性能優(yōu)異的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)這一要求的最好途徑之一。CFRP是以樹脂為基體，碳纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料[2]碳纖維具有碳材料的固有本征特性，又有紡織纖維的柔軟可加土性，是新一代軍民兩用的增強(qiáng)纖維。它優(yōu)異的綜合性能是任何單一材料無法與其比擬的，現(xiàn)在己經(jīng)成為先進(jìn)復(fù)合材料的主要增強(qiáng)纖維之一。CFRP是20世紀(jì)60年代中期崛起的一種新型結(jié)構(gòu)材料，一經(jīng)問世就顯示了強(qiáng)大的生命力[3,4]。當(dāng)今，在眾多的先進(jìn)復(fù)合材料中，CFRP在技術(shù)

4、成熟度與應(yīng)用范圍方面的表現(xiàn)尤為突出，它所具有的高比強(qiáng)度和比模量、性能可設(shè)計(jì)和易十整體成形等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以滿足航天結(jié)構(gòu)高結(jié)構(gòu)效率的要求，易十得到尺寸穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。自從CFRP被一泛應(yīng)用十軍事、民用各個(gè)領(lǐng)域，尤其是航空航天領(lǐng)域后，其所展現(xiàn)出的優(yōu)異特性使它己經(jīng)成為一種不可或缺，同時(shí)一又不可多得的多功能的特種土程材料?，F(xiàn)在，CFRP己經(jīng)與鋁合金、欽合金、合金鋼一起成為航空、航天領(lǐng)域的四大結(jié)構(gòu)材料[5]。碳纖維是一種以聚丙烯睛（PAN),瀝青、粘膠纖維等人造纖維或合成纖維為原料，經(jīng)預(yù)氧化、碳化、石墨化等過程制得含碳量達(dá)90%以上的無機(jī)纖維材料，

5、具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，是航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的原材料。目前，世界碳纖維產(chǎn)業(yè)已形成了粘膠基、瀝青基和PAN基三大原料體系，其中粘膠基和瀝青基碳纖維用途較單一，產(chǎn)量也較為有限，PAN基碳纖維由于生產(chǎn)工藝簡單，產(chǎn)品力學(xué)及高溫性能優(yōu)異，兼具良好的結(jié)構(gòu)和功能特性，因而發(fā)展較快，成為高性能碳纖維發(fā)展和應(yīng)用的最主要和占絕對(duì)地位的品種，主要用于高性能結(jié)構(gòu)及功能復(fù)合材料，在航天、航空、兵器、船舶、核等國防領(lǐng)域具有不可替代的作用，是世界各國高度重視的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)材料。2.原材料丙烯腈3

6、.PAN基碳纖維的制備方法PAN基碳纖維的生產(chǎn)過程比較繁瑣，要經(jīng)歷聚合、紡絲、預(yù)氧化、碳化、石墨化等多個(gè)過程(圖1-1)，其中每個(gè)過程都有復(fù)雜的物理變化、化學(xué)變化及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并涉及多個(gè)工藝參數(shù)[6-8]。制備高質(zhì)量的原絲和控制工藝參數(shù)對(duì)于研制高性能碳纖維都非常重要，尤其是預(yù)氧化和碳化過程的工藝參數(shù)，因?yàn)樵谶@兩個(gè)中伴隨著大量的非碳元素脫除，因此是決定碳纖維結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的關(guān)鍵[8]。(1)聚丙烯腈原絲的制備。紡絲工藝主要分為濕法紡絲紡、干噴濕紡、干紡、熔融紡四種。聚丙烯睛原絲紡絲工藝流程[9-11]如下：蒸餾一聚合一脫單一脫泡一初生絲

7、形成一一牽一二牽一多段水洗一上油一干燥一收絲一成品(2)預(yù)氧化過程(又稱熱穩(wěn)定化)。預(yù)氧化過程是指在180300℃的空氣中，原絲受到牽伸力作用，聚丙烯睛線形分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為耐熱的非塑性梯型結(jié)構(gòu)。這也是其在碳化過程中能夠耐上千度高溫而不熔不燃的原因[11]。預(yù)氧化過程主要發(fā)生環(huán)化、脫氫、氧化和裂解等反應(yīng)，以脫除非碳元素。預(yù)氧化程度程度的表征參量有芳構(gòu)化指數(shù)(又稱碳化指數(shù))、預(yù)氧化纖維的含水率、密度及極限氧指數(shù)[11]。北京化工大學(xué)沈曾民等[12]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，若預(yù)氧化程度過高，則得到的碳纖維的力學(xué)性能較差;若預(yù)氧化程度較低，則形成的梯形

8、結(jié)構(gòu)不耐熱，在碳化時(shí)纖維就會(huì)因高溫而熔斷。在預(yù)氧化過程，聚丙烯睛線形分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變十分劇烈，極易產(chǎn)生缺陷，如果工藝參數(shù)控制不當(dāng)會(huì)對(duì)碳纖維力學(xué)性能造成很大的影響，因此，控制好預(yù)氧化過程對(duì)改善碳纖維的結(jié)構(gòu)和提高力學(xué)性能意義重大。控制預(yù)氧化階