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简述碳纤维的优异特性与全球环境

   日期:2020-10-16     来源:碳纤维及其复合材料技术    浏览:230    
核心提示:什么是碳纤维?碳纤维是以聚丙烯腈(PAN)纤维或沥青纤维等有机纤维为原料,通过在惰性气氛中热处理以除去碳以外的元素制成的。
什么是碳纤维?碳纤维是以聚丙烯腈(PAN)纤维或沥青纤维等有机纤维为原料,通过在惰性气氛中热处理以除去碳以外的元素制成的。对于具有标准弹性模量的碳纤维,纤维中碳元素含量为90%以上,而除碳以外的主要元素是氮。对于具有高弹性模量的碳纤维,碳元素含量为几乎100%。除碳以外的主要元素是氮。
  将PAN原丝在高温下进行热处理以去除非碳成分,从而生产出高性能的碳纤维
  由于PAN基碳纤维的性能、成本、易用性等方面的平衡优于沥青基碳纤维,因此,市场上超过90%的碳纤维是由PAN纤维制成的,日本Toray东丽公司主要生产基于PAN的碳纤维,而且公司在性能、质量和产量方面均位居全球碳纤维行业首位。
  东丽公司于1967年开始研究丙烯酸纤维“Trelon”碳纤维,1970年与美国联合碳化物公司进行碳纤维的技术交流获得高温热处理技术,并在同一年获得在大阪工业技术实验室获得Shindo博士的专利许可,1971年在全球率先开始生产和销售基于PAN的高强度碳纤维T300,形成生产能力12吨/年。更多精彩内容可阅读《日本东丽总裁讲述公司碳纤维发展的悠久历史》(阅读原文)。
  PAN基碳纤维的特点是轻便而结实。它的比重为1.8,约为铁7.8的1/4,比金属铝的2.7或玻璃纤维的2.5轻得多。最重要的是,它具有优异的强度和模量,其拉伸强度除以比重的比强度约为铁的10倍,拉伸模量除以比重的比模量约为铁的7倍。这就是为什么碳纤维作为轻质材料替代传统金属材料的最重要原因。
  此外,碳纤维还具有其他各种优异的特性,例如耐疲劳、耐腐蚀、化学和热稳定性优异,使其成为即使在恶劣条件下也具有长期稳定特性的高度可靠的材料。
  利用这些特性,使得碳纤维复合材料具有轻质高强特性,并且具有良好的燃料效率,目前全球航空飞机中主结构如机身、主翼和尾翼的结构材料几乎全部由碳纤维复合材料制成。
  碳纤维对环境积极影响
  在制造碳纤维时,以精炼石油而获得的丙烯腈为原料,经过纺丝并烧成碳纤维,由于其在1000℃或更高的高温下燃烧,因此当制造1吨碳纤维时排放20吨CO。但即便如此,也不能影响碳纤维是一种环保材料。
  其原因在于碳纤维具有出色的比强度和比模量,碳纤维的使用极大地提高了全球变暖的对策。日本Toray东丽公司通过对碳纤维复合材料生命周期研究,评估了碳纤维对环境的影响,其主要评估内容包括原材料的提取、碳纤维产品的使用以及通过称为LCA生命周期评估的方法进行处置。
  最终评估结果显示,如果将碳纤维用于汽车轻量化领域,当汽车车身结构重量每减少30%的重量,则每吨碳纤维的减少CO排放量为50吨;而如果将飞机机身重量每减少20%,则飞机运行10年的累计减少CO排放量为1400吨。
  如果将碳纤维用于日本乘用车(轻型车除外,拥有4200万辆)和客机(拥有430架),并通过轻量化来提高燃油效率,则最终可以减少CO排放量将达到2200万吨。因此,碳纤维是有助于全球环境保护的先进材料,这是减少CO的“关键”。

 
 
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