碳纖維是一種含碳量在90%以上的無機高分子纖維,其中含碳量超過99%的又稱石墨纖維。碳纖維具有相當獨特和出眾的物理和化學性能,它具有高強度、高模量、耐腐蝕、、耐磨擦、耐高溫、導電和導熱等多種優異的性能,堪稱材料工業的明珠。碳纖維與各種基體經過復合工藝后制成的碳纖維復合材料,早就在航空航天和軍事領域得到了廣泛應用,碳纖維復合材料也在民用領域得到了大量應用。簡單地說,碳纖維的密度僅有不到2噸/立方米,鋼材的數分之一,強度卻是鋼材的10倍以上,其性能優勢極其明顯。
碳纖維的品級,通常以拉伸強度指標做為衡量標準。目前國際上最先進的碳纖維技術可以實驗室制造T1200級別的碳纖維材料,但是真正實現工業化生產的碳纖維中,以T800為最高級別。這一級別的碳纖維材料,已經能夠滿足絕大多數航空航天事業的裝備制造。
高強度的碳纖維在航空航天領域,有著廣泛的應用前景和使用需求,特別是各種導彈、運載火箭和航天器以及隱身戰斗機上,都大量需要使用碳纖維材。
美國全球鷹無人機機翼由碳纖維復合材料制成,這是其最大制造難點
建造期間的國際空間站,其巨大的桁架也由碳纖維復合材料制成
關于碳纖維強度“T”
1971年東麗公司建成了年產12噸碳纖維的試驗生產線,1974年產能達到了156噸,東麗公司正式將該型碳纖維命名為T300。1980年東麗公司的碳纖維才達到今天標準T300碳纖維的3530MPa的拉伸強度,或者說東麗公司從研制出T300碳纖維到改進完善用了大約10年時間之久。東麗公司此后又研制了T400、T700、T800、T1000、T1100、T1200等多個系列的高強度碳纖維,此外該公司還研制了M30、M35、M40、M46、M50、M55、M60和M70等多個系列的高模量(可以理解為高剛度)碳纖維。
直徑6微米的碳纖維單絲,背后是人類頭發
我國的碳纖維事業
碳纖維材料最早應用在軍工產品中,屬于技術密集型和政治敏感的關鍵材料。當時,以美國為首的巴黎統籌委員會(COCOM), 對社會主義國家實行禁運封鎖政策,1994年3月,COCOM解散,但禁運封鎖的陰影仍籠罩在社會主義國家上空,先進的碳纖維技術仍不能引進,特別是高性能PAN基原絲技術,即使我國進入WTO,形勢也沒有發生大的變化。因此,除了國人繼續自力更生發展碳纖維工業外,別無其它選擇。
我國在碳纖維研究領域起步較早,但在生產領域一度落后于世界先進水平。直到2010年前后,我國才穩定實現了T300級別碳纖維的大規模工業化批量生產,2011年,我國的T800碳纖維生產線開始試驗生產,此次T800生產線的建成,標準著我國與世界先進碳纖維生產水平的差距進一步縮小。
南京曼卡特碳纖維布
目前,國內正開展百噸生產級T800碳纖維生產線研發和建設工作。隨著我國碳纖維技術的發展,碳纖維加固材料也會得到更為廣泛的應用。
本文部分內容摘自《講武堂》欄目