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1、長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)材料設(shè)計(jì)概論結(jié)業(yè)論文第1頁(yè)共7頁(yè)論述碳纖維的制造技術(shù)及在航天發(fā)射領(lǐng)域的應(yīng)用論述碳纖維的制造技術(shù)及在航天發(fā)射領(lǐng)域的應(yīng)用王曉剛王曉剛200905731.摘要摘要:碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材,在過(guò)去的二三十年里得到廣泛的研究。其含碳量在90%以上,與其它高性能纖維相比具有最高比強(qiáng)度和最高比模量。特別是在2000℃以上高溫惰性環(huán)境中,是唯一強(qiáng)度不下降的物質(zhì)。此外,其還兼具其他多種得天獨(dú)厚的優(yōu)良性能:低密度、高升華熱、耐高溫、耐腐
2、蝕、耐摩擦、抗疲勞、高震動(dòng)衰減性、低熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、電磁屏蔽性、紡織加工性均優(yōu)良等。因此,碳纖維復(fù)合材料也同樣具有其它復(fù)合材料無(wú)法比擬的優(yōu)良性能,被應(yīng)用于軍事及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域,在航空航天領(lǐng)域的光輝業(yè)績(jī),尤為世人所矚目。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:碳纖維制造航天領(lǐng)域應(yīng)用2.2.碳纖維的制造碳纖維的制造2.12.1發(fā)展歷程發(fā)展歷程碳纖維主要是由瀝青、人造絲和聚丙烯腈為主要原料而制造的,目前結(jié)構(gòu)材料中主要使用PAN碳纖維。1950年,美國(guó)Wri
3、ghtPatterson空軍基地開始研制粘膠基碳纖維。1959年,最早上市的粘膠基碳纖維Thnel25就是美國(guó)聯(lián)合碳化物公司(UCC)的產(chǎn)品。與此同時(shí),日本研究人員也在1959年發(fā)明了用聚丙烯腈(PAN)基原絲制造碳纖維的新方法。在此基礎(chǔ)上,英國(guó)皇家航空研究院開發(fā)出了制造高性能PAN基碳纖維的技術(shù)流程,使其發(fā)展駛?cè)肓丝燔嚨?,PAN基碳纖維成為當(dāng)前碳纖維工業(yè)的主流,產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的90%左右。20世紀(jì)70年代中期,UCC在美國(guó)空軍和海軍
4、的資金支持下,研發(fā)高性能中間相瀝青基碳纖維;1975年研發(fā)成功ThnelP55(P55),在1980~1982年之間,又研發(fā)成功P75、P100和P120,年產(chǎn)量為230t。P120的模最高達(dá)965GPa,是理論值的94%,熱導(dǎo)率是銅的1.6倍,線膨脹系數(shù)僅為1.33106K,且在375℃空氣中加熱1000h僅失重0.3%~1.0%,顯示出優(yōu)異的抗氧化性能。它們已廣泛用于火箭噴管、導(dǎo)彈鼻錐、衛(wèi)星構(gòu)件、艦艇材料等方面。在20世紀(jì)80年代早
5、期,碳纖維開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,主要在歐洲和北美進(jìn)行應(yīng)用。然后,人們提高了對(duì)碳纖維的認(rèn)識(shí),開始把它當(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,歐洲空客公司開始將CFRP(碳纖維增強(qiáng)塑料)作為首要的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用在飛機(jī)上,而且,隨著在網(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。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)材料設(shè)計(jì)概論結(jié)業(yè)論文第3頁(yè)共7頁(yè)2.32.3瀝青基碳纖維瀝青基碳纖維瀝青基碳纖維是僅
6、次于PAN積極的第二原料路線,分為通用級(jí)低性能瀝青基碳纖維和高模量瀝青基碳纖維。瀝青基碳纖維的優(yōu)勢(shì)為生產(chǎn)成本低、市場(chǎng)價(jià)格低廉。瀝青基碳纖維的制備過(guò)程包括原料瀝青的精制、瀝青的調(diào)制、瀝青碳纖維的制取、預(yù)氧化處理、碳化和石墨化處理、后處理等步驟,其工藝步驟如圖2所示。圖2瀝青基碳纖維工藝流程圖原料瀝青的精制主要是除去瀝青中的氧,特別是焦油瀝青中含有的游離炭和其它固體雜質(zhì),這些雜質(zhì)在紡絲過(guò)程中可能堵塞紡絲孔,而殘留在纖維中的細(xì)小顆粒則是碳纖維
7、斷裂的根源。精制過(guò)程是原料瀝青中加入一定量的溶劑,如苯和喹啉,然后加熱到100℃以上,用不銹鋼網(wǎng)或耐熱玻璃纖維等進(jìn)行過(guò)濾,過(guò)濾必須在氮?dú)獗Wo(hù)下進(jìn)行,以防止瀝青的氧化。接下來(lái)的瀝青調(diào)制過(guò)程是通過(guò)瀝青的熱縮聚、加氫預(yù)處理、溶劑萃取的方法制取可紡瀝青,目的是除去瀝青中的輕組分。這些輕組分是紡絲過(guò)程中氣泡產(chǎn)生的根源,會(huì)造成絲的斷裂;另一目的是提高瀝青軟化點(diǎn),使相對(duì)分子質(zhì)量分布均勻。與PAN基碳纖維不同,可紡瀝青在極短的時(shí)間內(nèi)固化后就不能在進(jìn)行拉
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