碳纤维布基本知识.docx

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碳纤维布基本知识

碳纤维布基本知识

碳纤维布基本知识

用途：

碳纤维布与结构胶配套使用成为碳纤维复合材料，适用于混凝土结构、木质结构的加固，可有效提高构件的承载力、抗震性能和耐久性。

是处理下列工程问题的优秀备选方案：

1、建筑物使用荷载增加；

2、工程使用功能改变；

3、材料老化；

4、混凝土强度等级低于设计值；

5、结构裂缝处理；

6、恶劣环境服役构件修缮、防护。

其他用途：

人造卫星、飞机、火箭、体育用品、工业产品等众多领域。

 特点：

1、碳纤维抗拉强度高，高于普通钢10-15倍；

2、耐酸碱，抗腐蚀，适宜在恶劣环境中服役；与结构胶配合使用，能阻止有害介质浸渗，对内部结构起保护作用；

3、比重是钢材的23%，基本不增加构件自重，不改变构件截面尺寸；

4、可弯曲缠绕成型，对各类曲面、异型构件加固优势更为显著；

5、可任意剪裁，易粘贴，施工质量易于保证。

不需大型施工机具，可搭接粘结任意延长，无明火作业，施工工期短。

碳素纤维布技术指标

碳丝密度（g/cm3）

纱束线密度（g/1000m）

800

每束纱含单丝数目（根）

12000

纱束型号

12K

幅宽（mm）

100，200，300，500，1000，1500

常备规格（g/m2）

200，300

计算厚度（mm）

（200g/m2），（300g/m2）

出厂包装（m/卷）

100

抗拉强度（MPa）

>3400

弹性模量（MPa）

>210000

伸长率（%）

>

注意事项

直接接触丝屑对人体有刺激性

碳纤维布使用说明

碳纤维布均与配套结构胶配合使用,形成高性能复合材料。

碳纤维加固工艺流程：

构件表面处理→粘贴面修补找平（若平整，此步骤可省去）→涂底胶→卸荷（根据实际情况和设计要求，此步骤有时省去）→配置面胶和裁剪碳纤维布→粘贴碳纤维布→固化→检验→维护

1.构件表面处理

2.粘贴面修补找平（若平整，此步骤可省去）

3.配置底胶

4.卸荷（根据实际情况和设计要求，此步骤有时省去）

5.配置面胶和裁剪碳纤维布

6.粘贴碳纤维布

7.固化

8.检验

9.维护

碳纤维发展简史

1860年，斯旺制作碳丝灯泡

1878年，斯旺以棉纱试制碳丝

1879年，爱迪生以油烟与焦油、棉纱和竹丝试制碳丝（持续照明45小时）

1882年，碳丝电灯实用化1911年，钨丝电灯实用化

1950年，美国Ｗright--Patterson空军基地开始研制黏胶基碳纤维

1959年，美国ＵＣＣ公司生产低模量黏胶基碳纤维“Ｔhornel—25”，日本大阪工业试验所的进藤昭男发明了ＰＡＮ基碳纤维

1962年，日本碳公司开始生产低模量ＰＡＮ基碳纤维（０.５吨/月）

1963年，英国皇家航空研究所（ＲＡＥ）的瓦特和约翰逊成功地打通了制造高性能ＰＡＮ基碳纤维（在热处理时施加张力）的技术途径

1964年，英国Courtaulds,Morganite和Roii--Roys公司利用ＲＡＥ技术生产ＰＡＮ基碳纤维

1965年，日本群马大学的大谷杉郎发明了沥青基碳纤维美国ＵＣＣ公司开始生产高模量黏胶基碳纤维（石墨化过程中牵伸）

1970年，日本吴羽化学公司生产沥青基碳纤维（１０吨/月），日本东丽公司与美国ＵＣＣ进行技术合作

1971年，日本东丽公司工业规模生产PAN基碳纤维（1吨/月），碳纤维的牌号为T300，石墨纤维为M40

1972年，美国Hercules公司开始生产PAN基碳纤维日本用碳纤维制造钓竿，美国用碳纤维制造高尔夫球棒

1973年，日本东邦人造丝公司开始生产PAN基碳纤维（吨/月）日本东丽公司扩产5吨/月

1974年,碳纤维钓竿、高尔夫球棒迅速发展日本东丽公司扩产13吨/月

1975年,碳纤维网球拍商品化美国UCC公司公布利用中间相沥青制造高模量沥青基碳纤维“Thornel—P”美国UCC的高性能沥青基碳纤维商品化

1976年,东邦人造丝公司与美国塞兰尼斯进行技术合作住友化学与美国赫格里斯（Hercules）成立联合公司

1979年,日本碳公司与旭化成工业公司成立旭日碳纤维公司

1980年,美国波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维

1981年,台湾台塑设立碳纤研究中心，日本三菱人造丝公司与美国Hitco公司进行技术合作

1984年,台湾台塑与美国Hitco公司进行技术合作，日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T800

1986年,日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T1000

1989年,日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维M60

1992年,日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维M70J,杨氏摸量高达690GPa

碳纤维生产技术路线及应用领域

按原料体系的不同，碳纤维主要分为：

黏胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维。

一、黏胶基碳纤维

黏胶基碳纤维主要用于耐烧蚀材料和隔热材料，目前,黏胶基碳纤维仍占据着其他碳纤维不可取代的地位，是重要的战略物资。

在民用市场方面，利用其柔软与导电性制作电热产品，利用其孔隙结构发达和容易调控的特性制造活性碳纤维系列制品,是良好的环保材料和医用卫生材料。

黏胶基碳纤维的产量不足世界碳纤维总产量的1%，它虽然不会有大的发展,但也不会被彻底淘汰出局。

二、聚丙烯腈基碳纤维

聚丙烯腈基碳纤维是目前的主流，占据了主要的市场费额：

1、瓦特的技术突破打通了制造高性能碳纤维的通道；

2、PAN原丝质量是制造高性能碳纤维的前提；

3、一条龙生产线得到发展，世界上几条著名的PAN基碳纤维生产线大多是从原丝开始，直到碳纤维以及中、下游产品开发。

例如：

日本东丽、东邦、三菱人造丝公司，美国的赫克利公司和阿莫科公司，以及中国台湾地区的台塑都是从聚合、纺丝开始，国外原丝主要生产工艺路线见下表：

研制单位

溶剂

工艺路线

纺丝方法

日本东丽

日本东邦

美国ＢＡＳＦ

日本三菱人造丝

二甲基亚砜

氯化锌水溶液

二甲基乙酰胺

二甲基甲酰胺

一步法

一步法

二步法

一步法

湿纺

湿纺

熔纺

湿纺

湿纺

日本爱克纶

英国考特尔兹

日本旭化成

NaSCN

二甲基甲酰胺

NaSCN

二甲基压砜

二步法

二步法

一步法

二步法

湿纺

湿纺

湿纺

干喷湿纺

当前，ＰＡＮ基碳纤维向两个方面发展：

一是提高，二是普及。

提高是指小丝束碳纤维（１～２４Ｋ）的质量提高，普及是指大丝束碳纤维（48~540K）的产量大幅度增加，价格日趋下降。

三、沥青基碳纤维

1965年,日本群马大学的大谷衫郎研制沥青基碳纤维获得成功，从此，沥青成为生产碳纤维的新原料，是目前碳纤维领域中仅次于PAN基的第二大原料路线。

四、碳纤维和深加工制品及其应用概况

碳

纤

维

长

丝

预浸料

单项预浸料（无纬布）

双向预浸料（带、布）

束丝预浸料

织物

二维织物

三维织物

多维织物

短切纤维

碳纤维纸

粒料

微纤（研磨）

镀、喷金属

各种浸渍物

短切复合纤维

包覆塑料

导线

电缆

五、碳纤维及其复合材料的应用领域

（一）

类别

应用领域

利用碳纤维的特性

航天航空

飞机

一次结构材料;主翼、尾翼、机体

二次结构材料；辅翼、方向舵、升降舵

内装饰材料：

舵底板、行李架、厕所、座椅

制动刹车盘、刹车片

隐身材料：

结构隐身材料

轻量化、耐疲劳、耐热性

宇宙飞行器

卫星：

抛物面天线、太阳能电池梁、壳体结构材料，航天飞机：

机翼、头锥、刹车盘

耐磨损、导热性

导弹、火箭

喷管、发动机罩、防热材料、仪器舱、导弹发射筒

轻量化、耐烧蚀、耐热

其他

宇宙空间站、卫星发电站、太空望远镜

轻量化、尺寸稳定性、耐热

文体器材

钓具

网拍类

高尔夫球

其他

钓竿、滑轮

网球拍、羽毛球拍

高尔夫球杆、棒头

冰球棒、滑雪板、自行车、赛车、赛艇、游艇、划艇、

水上划艇、弓箭、乒乓球拍、冰球鞋

轻量化、刚性、敏感性，

吸能减震性

碳纤维及其复合材料的应用领域

（二）

应用领域

应用实　例

利用特性

医用器材

Ｘ衍射仪的床板、头托、密着板、暗合、ＣＴ板

假肢、假手、假眼、人造骨、人造关节、人造假牙

人造韧带、肌腱、医疗电极、医疗热袋

高比强、高比模、Ｘ射线透过性好、生物相容性好

新能源

分离油用超级离心机转筒、核反映堆第一壁材

发动汽车构件及储能飞轮、风力发动叶片

太阳能发电板、抛物面激光器、太阳能热水器

燃料电池的电极材料、铅电池的栅极、锂电池电极材料

海上油田勘探和开采器材以及平台、油、气储罐及管道

高比强、高比模、线膨胀系数小、耐腐蚀、导电减振

土木建筑

高层建筑的幕墙、绝热板、圆顶建筑的横梁、薄材

自动门地板、防静电地板、采暖地板

增强混凝土，建筑物的结构补强、修补、维修、加固

增强木材复合材料

超长铁路桥、公路桥和人行桥的桥墩、隧道的加固及超强件，基础设施建设、建筑结构材料，碳纤维绳索

高比强、高比模、耐腐蚀、导电、加工性好

汽车与火车

传动轴、片簧、发动机罩、车轮、底盘、保险杆、制动器

压缩天然气罐（ＣＮＧ）、消声壁（隔音墙）

赛车底盘、气体及制动器

线性发动机牵引机车、超导列车的支撑件、集装箱

高速列车车厢及制动器、转向架构件、自动转动轴

高比强、高比模、减振吸能、耐疲劳、耐腐蚀、耐磨损

电子电气及仪器

电视天线、抛物面天线、非磁性导线、面状发热体

大型电波望远镜、光学仪器、摄象机、半导体支架

计算机和传真机等的电磁屏蔽材料、舰船通讯室设施

拾音臂、扬声器喇叭、滑动班、磁头罩、车器构件

静电消除刷、柔性刷、电刷

高比强、高比模、线膨胀系数小、电池屏蔽性好、减振

机械

纺织机械的框架、箭杆、梭、模具材料

大型造纸机、印刷机的滚筒、导辊（罗拉）

搬运机械的升降机箱、电梯构件、大吊车车壁

空压机轴、离心分离转子

密封填料、压力容器

高比强、高比模、尺寸稳定、耐腐蚀、耐磨损、导热

其他

雨伞、太阳伞的骨架

各种加热器、取暖器

治理河流、湖泊污染的净化材料

耐蚀性好、耐候性好、导电性好