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2.石墨可以有很高的加工速度,一般石墨的加工速度较普通金属快3-5倍。
而且选择硬度合适的刀具和石墨,可减少刀具的磨损和电极的损耗。
3.石墨成型容易且不会变形,有些形状的电极用铜不易制作而用石墨能轻易达到。
如:
薄片电极,铜在机加工和EDM时容易变形,而石墨却能很容易的达到,且石墨在EDM时可以用较大的电流和加工速度,不用担心因温度过高产生变形而使工件受到损坏。
4.石墨的修整和抛光,一般情况下石墨在加工完成后不需要进行抛光处理。
这也减少了电极在成型后的精度误差和缩短了生产周期。
5.石墨的EDM(电火花)速度快而损耗小。
因为铜的熔点是1083℃,而EDM时的温度在1100℃,铜电极在EDM后相对容易消耗和磨损。
而石墨在3550℃才会出现升华,只要配合好合理的加工参数,石墨电极可以做到理论意义上的零损耗。
从而避免了电极重复加工的次数。
6.在电极的设计和编程方面,石墨电极的设计也不同。
许多模具厂通常在铜电极的粗加工和精加工有不同的预留量,而石墨电极则可以使用相同的预留量,这减少了CAD/CAM的工作量和机器加工的次数。
单是这个原因就足以缩短模具的设计和加工周期,而且也减少加工中了出错的概率。
诚然,石墨也有其不足的地方。
不像铜电极能回收利用。
但相对如此高的生产效率,这一点就相对显得微不足道。
当然,
由铜电极转用石墨电极,需要了解该如何使用石墨材料,以及要考虑其他许多因素。
石墨分为不同等级,在特别应用程序使用适当等级石墨和机器参数才可达到理想的效果。
如使用石墨电极的机器操作人员使用与铜电极相同的设定,结果是令人失望的。
转换至全石墨放电加工有许多优点。
能否成功转变,有赖原始设备制造商(OEM)和石墨制造商提供必需的知识和培训,以达到理想表现的效果。
目前,许多模具厂现正转换为石墨加工,以缩短产品的交货期以增强在市场上的竞争力。
石墨电极包括:
(1)普通功率石墨电极。
允许使用电流密度低于17A/厘米2的石墨电极,用于炼钢、炼硅、炼黄磷等的普通功率电炉。
(2)抗氧化涂层石墨电极。
表面涂覆一层抗氧化保护层的石墨电极,形成既能导电又耐高温氧化的保护层,降低炼钢时的电极消耗。
(3)高功率石墨电极。
允许使用电流密度为18~25A/厘米2的石墨电极,用于炼钢的高功率电弧炉。
(4)超高功率石墨电极。
允许使用电流密度大于25A/厘米2的石墨电极。
用于超高功率炼钢电弧炉。
(二)石墨阳极类
主要以石油焦为原料,煤沥青作粘结剂,经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、浸渍、石墨化、机加工而制成。
一般用于电化学工业中电解设备的导电阳极。
包括:
(1)各种化工用阳极板。
(2)各种阳极棒。
(三)特种石墨类
主要以优质石油焦为原料,煤沥青或合成树脂为粘结剂,经原料制备、配料、混捏、压片、粉碎、再混捏、成型、多次焙烧、多次侵渍、纯化及石墨化、机加工而制成。
一般用于航天、电子、核工业部门。
它包括光谱纯石墨,高纯、高强、高密以及热解石墨等。
石墨有如下特性
(1)耐高温性:
石墨的熔点为3850±
50℃,沸点为4250℃,即使经超高温电弧灼烧,重量的损失很小,热膨胀系数也很小。
石墨强度随温度提高而加强,在2000℃时,石墨强度提高一倍。
(2)导电、导热性:
石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。
导热性超过钢、铁、铅等金属材料。
导热系数随温度升高而降低,甚至在极高的温度下,石墨呈绝热体。
(3)润滑性:
石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小,鳞片越大,摩擦系数越小,润滑性能越好。
(4)化学稳定性:
石墨在常温下有良好的化学稳定性,能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。
(5)可塑性:
石墨的韧性很好,可碾成很薄的薄片。
(6)抗热震性:
石墨在高温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏,温度突变时,石墨的体积变化不大,不会产生裂纹。
(二)主要用途
由于石墨具有上述的特殊性能,所以在冶金、机械、石油、化工、核工业、国防等领域得到广泛的应用,其主要用途为:
(1)耐火材料:
在冶炼工业中,用石墨制造石墨坩埚、作钢锭的保护剂、作冶炼炉内衬的镁碳砖。
(2)导电材料:
在电器工业中,广泛采用石墨作电极、电刷、电棒、碳管以及电视机显像管的涂料等。
(3)耐磨材料和润滑剂:
在许多机械设备中,用石墨作耐磨和润滑材料,可以在-200~2000℃温度范围内以100m/s的速度滑动,不用或少用润滑油。
(4)密封材料:
用柔性石墨作离心泵、水轮机、汽轮机和输送腐蚀介质的设备的活塞环垫圈、密封圈等。
(四)石墨热交换器
将人造石墨加工成所需要的形状,再用树脂浸渍和固化而制成的用于热交换的不透性石墨制品,它是以人造不透性石墨为基体加工而成的换热设备,主要用于化学工业。
(1)块孔式热交换器;
(2)径向式热交换器;
(3)降膜式热交换器;
(4)列管式热交换器。
(五)炭电极类
以炭质材料如无烟煤和冶金焦(或石油焦)为原料、煤沥青为粘结剂,不经过石墨化,经压制成型而烧成的导电电极。
它不适合熔炼高级合金钢的电炉。
(l)多灰电极(用无烟煤、冶金焦、沥青焦生产的电极);
(2)再生电极(用人造石墨、天然石墨生产的电极);
(3)炭电阻棒(即炭素格子砖);
(4)炭阳极(用石油焦生产的预焙阳极);
(5)焙烧电极毛坯。
(六)炭块类
以无烟煤、冶金焦为主要原料,煤沥青为粘结剂,经原料制备、配料、混粘、成型、焙烧、机加工而制成。
其中高炉炭块作为耐高温抗腐蚀材料用于砌筑高炉内衬;
底部炭块、侧部炭块、电炉块则用于铝电解槽和铁合金电炉等。
(1)高炉炭块;
(2)铝槽炭块(底部炭块及侧部炭块);
(3)电炉炭块。
(七)炭糊类
以石油焦、无烟煤、冶金焦为主要原料,煤沥青为粘结剂而制成。
有的用于各种连续自焙电炉作为导电电极使用的电极糊;
有的用于连续自焙式铝槽作为导电阳极使用的阳极糊;
有的用于高炉砌筑的填料和耐火泥浆的粗缝糊和细缝糊。
高炉用自焙炭块虽用途不同,但和糊类制品的生产工艺相仿,暂归在糊类制品内。
(1)阳极糊;
(2)电极糊(包括标准、非标准电极糊);
(3)底糊(包括多灰、少灰底糊);
(4)密闭糊(包括多灰、少灰密闭糊);
(5)其它糊(包括粗缝糊、细缝糊、自焙炭砖等)。
(八)非标准炭、石墨制品类
这是指用炭、石墨制品经过进一步加工而改制成的各种异型炭、石墨制品。
包括铲型阳极、制氟阳极以及各种规格的坩埚、板、棒、块等异型品。
(九)不透性石墨类
这是指经树脂及各种有机物浸渍、加工而制成的各种石墨异型品,包括热交换器的基体块。
(十)电炭产品类
这是指炭精棒、电刷等产品。
二、炭素纤维
它包括各种炭纤维、石墨纤维、预氧丝、炭布、炭带、炭绳、炭毡及其复合材料。
其中炭纤维为含碳量高于93%的纤维。
用聚丙烯睛纤维、粘胶丝和沥青纤维经碳化制成。
热处理温度由低至高,可分别制成耐热纤维、碳化纤维和石墨纤维。
碳纤维长远发展仍有空间
时间:
2009-12-3009:
11来源:
中国环氧树脂行业在线
金融危机下,国内碳纤维生产商还有发展空间吗?
答案是肯定的。
虽然当前世界经济发展面临重重危机,但碳纤维的需求仍在升温。
除了传统的航空航天领域外,汽车、风力涡轮叶片及压力容器等碳纤维新市场正在兴起。
据相关部门预测,世界碳纤维需求每年将以大约13%的速度飞速增长,预期2009年聚丙烯腈(PAN)基碳纤维全球需求量将达5万吨,到2012年将达6万吨,到2018年需求量将达到10万吨。
7大碳纤维制造商——东丽、东邦、三菱丽阳、SGL、Hexcel、Cytec和Zoltek,已宣布计划在未来3~5年扩产78%,总投资额为87970万欧元(13亿美元)。
短期看来碳纤维会供不应求,但到2012年供应可能会超过需求。
国际碳纤维市场发展迅速,需求量不断增长给我国碳纤维行业,提供了难得进一步发展的机遇。
但我国碳纤维行业基础薄弱,产业发展需要技术、人才和资金的持续投入,而且其应用领域对产品品质的要求非常严格。
客观地说生产企业应量力而行,整个行业也应发出明确的信息、引导企业正确投资,使我国碳纤维产业快速健康地发展。
——日本生产商产能不断扩大
沥青基碳纤维在产业领域的需求也在增长,特别是在环境相关产业的开展引人注目,其市场规模约3000吨,预计到2012年将扩大到4000吨。
沥青基碳纤维根据沥青的结晶状态,可分类为等方性和中间相两种,等方性耐热性和耐药品性、滑动性优异,中间相具有高强度、高模量等机械特性。
除了大型的半导体晶片和太阳发电系统用硅基板制造炉用的需求急速增长以外,在PAN基碳纤维和CFRP的烧成炉,也作为必不可少的绝热材料使用。
日本东丽工业有限公司、帝人股份有限公司,和三菱有限公司计划联手,大规模生产循环碳纤维,以促进高强轻质材料的回收利用。
这3家企业共同掌握着全球碳纤维70%的市场份额。
日本《化学经济》2008年3月临时增刊报道,碳纤维生产厂家相继增设生产能力。
以PAN(聚丙烯腈)基碳纤维为例,除世界最大的东丽将在日、美、法3个基地增加生产线外,东邦特纳克斯也在日本和德国建设新的生产线。
另外吴羽和日本石墨纤维这两家以煤炭沥青,和石油沥青为原料的沥青基碳纤维生产企业,也在2009年扩大产能。
碳纤维企业正以能源问题和环境问题为契机,努力扩大市场需求。
碳纤维与金属相比,具有强度和模量、耐热性、导电性、耐磨性等优异特性,在体育休闲、一般产业、航空宇宙等领域广泛使用。
PAN基碳纤维的世界需求估计约3万吨,以每年13%的速度,预期到2010年将增加到近5万吨。
对于这种需求扩大,日本生产厂家从去年就提出了扩大产能计划。
东丽2008年年初在日本本土提高了生产能力,并在2008年年底之前增强了在欧美的子公司的产能。
另外东丽计划于2009年7月,设置加工性优异的特殊织物级的专用设备(1000吨/年),这次扩大产能的投资额约710亿日元,其目的是为了应对今后航空机和产业用的需求增加,使集团的生产能力在2010年年末前扩大到2.5万吨/年,将其市场占有率由现在的34%提高到38%。
帝人集团的东邦特纳克斯投资107亿日元,于2008年4月在日本本土的产能增加约6成,在德国的子公司TTE也将于2009年8月扩大产能,其目标是强化收益能力。
在碳纤维成形隔热材料领域市场占有率达50%的吴羽公司宣布,在2012年以前分阶段增加在中国的隔热材料设备,达产后将比现在产能扩大3倍左右,并将销售额增加1倍,约达到120亿日元。
——碳纤维主要应用领域仍有发展
最近几年尤其在亚洲和欧洲,飞机乘客数量的增加促进了新飞机的需求增长。
《空客全球市场预测》估计,2006~2025年间,飞机运营商将需要22700架客机和货机。
这些OEM正引领着结构性复合材料用量的巨大增长,其中包括碳纤维,其最新的应用就是B787和A380飞机。
航空航天领域是世界碳纤维的传统市场,根据世界第2大碳纤维生产商——日本东邦公司的预测,航空器中碳纤维复合材料的使用量,未来几年将以年均12%的速度继续增长,估计将从2007年的6820吨,增加至2010年是的10000吨以上,2012年可达13000吨。
截至2007年12月空客A380收到了189个订单。
A380为大型喷气式客机,其结构(包括主要结构)使用了22%的碳纤维复合材料。
截至2008年1月中旬,波音公司宣布B787订单达到857架。
B787中碳纤维/环氧预浸料的唯一供应商是东京的东丽公司(Toray),2家公司已经就Torayca预浸料签订了长达18年的供应合同,一直到2021年。
据报道787主要结构的合同价值,高达20.3亿欧元(30亿美元)。
新型超大型客机——空中客车A380和波音787,均大量使用环氧树脂浸渍碳纤维,或碳纤维增强塑料(CFRP)作为主要的结构材料。
空中客车A380已在2007年10月投入商业服务,波音787计划在2009年进入商业运营。
碳纤维复合材料约占A380飞机35吨结构材料中的20%以上,包括中央翼盒、机尾组件以及压舱壁;
波音787中结构材料有近50%需要使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料,包括主机翼和机身。
金属结构材料采用碳纤维复合材料后不仅可以减轻机身质量,而且还可以保证不损失强度或刚度,大大提高了燃油经济性。
新一代的客机将使用更高比例的碳纤维复合材料。
空中客车公司日前宣布,碳纤维复合材料将在新一代喷气式客机A350XWB中用于主机翼和机身材料。
碳纤维在中小型喷气客机中的需求也将快速增长。
例如三菱重工计划利用碳纤维复合材料,制作新一代支线喷气客机MRJ主机翼和尾部组件,该机型预计在2013年进入市场。
欧洲空中客车公司授予赫氏复材其远程宽体客机A350XWB主结构件的长期供应合同,此合同要求赫氏复材供应碳纤维复合材料直至2025年。
随着A350XWB设计告一段落,在未来的几个月里,赫氏复材和空客公司将共同对用于主结构件的赫氏复材产品进行确认,并完成最终的规范和认证。
此合同预计将给赫氏复材带来40~50亿美元的收入。
另外除用于主结构件外,赫氏复材的复合材料还将用于,A350的次结构件和内装饰部件,产品包括织物、树脂、预浸料、胶膜、蜂窝、HexMC模压件等,这些与A350相关的材料,也将为赫氏复材带来相当可观的收入。
根据该合同赫氏复材将主要提供,用新一代高韧性环氧树脂浸渍HexTow茁中模量碳纤维的HexPly茁预浸料。
赫氏复材为扩大产能将明显增加投资,以满足日益增长的A350的订单。
确切的投资规模和时间将按照空客公司与其它供应商的预测进行。
复合材料及其部件将由赫氏复材,在美国、法国、西班牙、德国及英国的工厂生产。
风能发电成本低廉,已成为人类开发新能源的重要领域。
预计未来5年风能发电的市场需求将以每年1%~20%的速度增长。
近年来虽然风力发电产业发展很快,但风力发电装备的关键部件(叶片),多使用玻璃纤维增强材料(GFRP)制造,难于满足叶片尺寸加大对刚性的要求。
CFRP材料在叶片上的应用,无疑将促进风能发电产业的发展。
就风能系统而言丹麦风机生产商维斯塔斯(Vestas)预测,到2020年全球的电力消耗量中,风电的份额最高将达到10%。
该公司在风机叶片的载荷加强杆中使用碳纤维,目前为止已经安装了将近3.4万套的风机系统。
西班牙Gamesa公司宣称,去年1月在全球已收到超过8000MW的风力发电机订单,其中3000MW已经安装完毕。
风电应用将推动大丝束(24K)碳纤维产量的增长。
全球对清洁能源的需求还将促进终端产品制造商的持续投资。
碳纤维在风机叶片中的应用到2010年,将成为继航空航天后的第2大应用。
欧洲和亚洲在这一领域远远领先于美国。
全球风机装机容量的增长速度正在加快,高碳纤维含量的长叶片制成的大容量风机将成为主要趋势。
2008年新的风机装机容量大约为19000MW。
如果风机的平均容量为2.5MW,那么就需要安装7600台风机,叶片数量预计为22800片。
碳纤维在汽车行业需求前景也较为乐观。
碳纤维复合材料传动轴、尾翼和引擎盖已经在汽车行业广泛应用,虽然现在主要是用在豪华车型,但预计未来将在大众车型中推广。
日产汽车、本田汽车和东丽公司,将联手开发汽车车体用的新型碳纤维材料。
合作企业还包括三菱丽阳和东洋纺织,目标在2010年代中期以前开始量产,使车体较使用钢材者轻40%。
日本政府亦支持该项计划,希望在全球开发环保车辆的趋势中取得领先地位。
日本经济产业省计划未来五年投资这项计划20亿日圆(1850万美元)。
目前碳纤维价格仍高、但随着钢价持续上扬,将可缩小两者间的差距。
而采用碳纤维材质将可改善车辆的燃料效能,并使二氧化碳排放减少30%。
——企业重视环境友好型循环碳纤维
碳纤维制品多用于特殊领域,其使用寿命和更新周期均有严格要求,大量废弃的碳纤维产品急待处理。
据日本三菱人造丝公司估计,目前全球废弃的CFRP大约为1万吨,2010年可达2万吨。
随着CF生产能力的扩大及增强材料的大量使用,环境友好要求企业重视CF的回收利用。
发达国家已开始了这项工作:
德国Thuringian(TITK)研究所开发的新工艺,不采用撕切处理就能从废弃CF纺织品中获取长度≥20mm,一般长度为30mm~70mm的碳纤维;
西班牙INASMET运输安全机构经过两年的研究试验,采用化学和热解处理技术开发了CF-环氧树脂复合材料回收再利用的新途径,其回收产品可用于一般的CFRP。
据中国环氧树脂行业协会专家介绍,日本东丽公司、帝人公司(日本东京),和三菱丽阳公司计划联手大规模生产循环碳纤维,以促进高强轻质材料的回收利用。
这3家企业共同掌握着全球碳纤维70%的市场份额,他们计划在2009年建立一个合资企业,从飞机和其他设备中回收和循环利用使用过的碳纤维。
新公司的资金总额和所有权比率尚未确定,他们还计划邀请其他碳纤维制造商,如三菱塑料公司和吴羽公司来参与合作。
该合资公司的风险是将回收工作外包给三井矿业公司福冈辖区的工厂。
测试操作于4月开始,大约在今年秋天将标本运到这3家公司。
循环碳纤维的年产量将从开始的几百吨,增加到目前世界最大产量1000吨。
据中国环氧树脂行业协会专家介绍,东丽和其他公司将从合资公司购买碳纤维,然后将其与塑料混合,制造成每千克约2000日元材料,该价比同强度不可回收材料低30%。
汽车制造者将碳纤维视为轻质汽车材料,在东丽及一些其他公司的带动下,将进一步鼓励采用循环碳纤维,提高材料及零件可回收成分。
关于碳纤维在汽车上的应用,首先在汽车车身、底盘的应用,由于碳纤维增强材料有足够强度和刚度,其适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的最轻材料,可使汽车车身、底盘减重40~60%,相当于钢结构重量1/3~1/6;
在制动摩擦片上的应用,碳纤维还因其环保、耐磨特点,而应用在制动摩擦片上,但含有碳纤维复合材料都格外贵,所以目前主要应用高档轿车;
在座椅加热垫上的应用,碳纤维汽车座椅加热垫是一个突破,在汽车配套市场变得越来越受欢迎,将会完全替代传统的座椅加热系统;
在轮毂上的应用,德国轮毂制造专家WHEELSANDMORE,推出的“Megalight-Forged-Series”轮毂系列,采取2片式设计,外环为碳纤维材质打造、内毂为轻量化的合金,搭配不锈钢制的螺丝,较一般同尺码减轻重量40%左右;
在燃料贮罐上的应用,采用CFRP在满足要求的条件下,可以实现压力容器的轻量化。
碳纤维应用领域、供需情况及发展历史简介2009年12月24日
1971年,TORAY成了世界上第一人制造商,从事PAN基碳纤维的人型工业化生产,并将其产品命名为“TORAYCA”,是TORAY碳纤维的缩写。
目前,TORAY是全球生产和营销碳纤维的领导者。
目前,全世界主要生产两种碳纤维。
一个是PAN基碳纤维以聚丙烯腈为原料,另一个是沥青基的碳纤维,由煤、石油利合成沥青蒸馏而成沥青,然后再聚合成纤维。
在强度上PAN基的碳纤维要优丁沥青基的碳纤维,因此在全世界的碳纤维生产中占有绝对性压倒优势。
1.碳纤维的生产工艺
对于碳纤维的生产工艺,当生产PAN基碳纤维的时候,被称为“母体”的聚丙烯腈纤维首先要通过聚合和纺纱工艺加工聚丙烯腈而成。
然后,将这些母体放入氧化炉中在200到300摄氏度进行氧化。
另外,还要在碳化炉中,在温度为1000到2000摄氏度间进行碳化制成碳纤维。
除了常规类型的细碳纤维之外,PAN基碳纤维还包括粗纤维,被称为“人丝束类型碳纤维”,这种粗纤维的生产成本比较低。
2.碳纤维特性
正如通常人们所说的,碳纤维比铝还要轻比钢还要硬,它们的比重是铁的四分之一,比强度是铁的十倍。
通过与其它纤维的这种比较,你就可以初步了解碳纤维的特性。
还有,碳纤维首先是一种物质,是由和钻石同等材质的碳制成的。
出于这种原因,另外还有在优越的抗张强度利抗拉模量,碳纤维在化学组成上非常稳定,并且具有高抗腐蚀性。
碳纤维的其它特性包括高度的X射线穿透性,较高的抗化学,抗热和抗低温能力。
碳纤维的这些特性也就意味着他们可以被应用于很多的领域。
主要的应用包括体育运动,例如高尔大球棒和钓鱼杆;
航空应用包括飞机元件;
和工业应用。
随着工业的不断进步,人们正在寻找很多具有新能的材料,碳纤维的需求在逐渐增长,广泛地应用于医疗设备、压力容器、土木工程和建筑材料、能源、其它新的工业应用上。
碳纤维的生产成本也在逐渐降低,加工技术趋向多元化,制造商可以按照具体的应用提供一系列的碳纤维产品。
所有的这些都支撑了以工业应用为中心的新型应。
3.碳纤维的产品形式及制造工艺
碳纤维有四种产品形式:
纤维,布料,预浸料坯,和切短纤维。
布料指的是由碳纤维制成的织品。
预浸料坯是一种产品,是将碳纤维按照一个方向一致排列,并将碳纤维或布料刚树脂浸泡使其转化成片状。
切短纤维指的是短丝。
按照不同的配比,这些产品和树脂一起应用将形成碳纤维强化塑料(CFRP)。
将树脂附在纤维上可以制成压力容器和轧滚,将它们缠绕在一个芯儿上,然后进行塑化或硬化处理。
这种方法被称为“缠绕成型法”。
将布料放入一个模型中,然后刚树脂浸泡,可以川米生产卡=乍和划艇的车身部分。
这就是所说的“树脂转注成型法(RTM)”。
飞机元件的制造是通过在高压釜中给预浸料坯加热,加压和塑化成型而成的。
将预浸料坯缠绕在一个芯儿上,然后将其加热和塑化,这就是所说的“薄片缠绕法”,用这种方法可以用来制成高尔夫球棒利钓鱼杆。
短丝与树脂混合可以形成混合物,经过加工后可以生产山机器元件和
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