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碳纤维复合材料的发展历史

文章出处:人气:-发表时间:2016-07-07 15:10【

碳纤维复合材料

要说碳材料大家肯定会想到煤炭,但碳材料大家庭可不止煤炭一种。从石墨到金刚石、从碳纤维到碳纳米管、从富勒烯到石墨烯,碳材料大家庭可谓五彩缤纷,各行各业都有碳材料的应用。碳材料是人类早利用的元素,人类对碳材料的利用伴随着人类文明史的发展,本篇我们回顾一下碳纤维复合材料的发展历史。

中国人是早利用碳材料的,从文献记载和考古发掘来看,至迟在汉代就已用煤了。《汉书。地理志》说:“豫章郡出石,可燃为薪。”豫章郡在今江西省南昌附近,这里所说的可燃为薪的石头,其实就是煤。可见这时煤已用于群众的日常生活。18世纪工业革命,开启了煤炭作为工业燃料的时代,直到今天煤炭也是我们重要的能量来源,全国煤炭发电占总发电量的80%。

碳材料的另一种存在形式是金刚石,印度是世界上早发现钻石的国家,3000年前,印度是钻石的唯一产地。

目前南非拥有世界上产量大、且现代化的维尼蒂亚钻石矿。

虽然人类对碳材料的利用非常早,但是人类真正对碳材料的认识却是近200-300年的事。1722年,瑞尼·瑞欧莫发现铁在转变为钢的过程中会吸收一种物质,今天人们知道这就是碳。1772年,安东万·拉瓦锡证明钻石是完全由碳组成的。他燃烧了木炭和钻石,发现两者都没有产生水,而且形成的二氧化碳质量相同。人们曾以为石墨是铅的一种形态,但卡尔·威廉·舍勒在1779年证明了它和木炭相同,但混有小量铁,并会经硝酸氧化之后释放二氧化碳。1786年,法国科学家克劳德·贝托莱、加斯帕·蒙日和沙尔·奥古斯丁·范德蒙以拉瓦锡对钻石所用的方法证明,石墨同样主要由碳组成。石墨在燃烧后同样留下了铁,因此他们以为铁在石墨结构中是必要的。拉瓦锡在他1789年的教科书中将碳列为化学元素。1985年,科学家发现了一种新的碳单质富勒烯,其中包括巴基球、碳纳米管等等。发现者罗伯特·柯尔、哈罗德·克罗托和理查德·斯莫利因此获得了1996年的诺贝尔化学奖。

早在1860年英国人约瑟夫斯旺就已经开始用碳丝作为灯丝材料,但可怜的斯旺没能解决灯泡的真空问题,这样碳丝发光发热的时候还会在氧气环境下氧化,灯泡使用时间太短。一年后爱迪生解决了碳丝问题的同时也解决了真空问题,并申请专利,该灯泡亮了45小时,后来被钨丝替代。

1965年日本人大谷杉郎发明了沥青基碳纤维,并在1970年开始商业化。

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(0。5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,强度达到5510MPa。

1986年,日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T1000,强度达到7020MPa。

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 。

我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维,至今已有三十多年的历史。1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线,产品性能基本达到日本东丽公司的T200,国内也叫做高强I型碳纤维。

从2000年开始,我国碳纤维向技术多元化发展,放弃了原来的硝酸法原丝制造技术,采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前利用自主技术研制的少数国产碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。

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,2010年, PAN基碳纤维的全球需求量将达5万吨,到2012年将达6万吨,预计到2018年需求量将达到10万吨。

此文关键字:碳纤维 复合材料
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