基本介紹
- 中文名：天星型複合纖維
- 外文名：Star complex
- 學科：材料工程
- 領域：工程技術
特性及用途,碳纖維複合材料發展史,中國碳纖維的發展,國外碳纖維的發展,碳纖維複合材料的原料,碳纖維複合材料工藝,
特性及用途
天星型複合纖維sky-star type composite fiher由一種連續組分完傘包圍另一種不連續分散組分而形成的複合纖，又名原纖分散型複合纖維。多為“雙成分”纖維如滌、丙綸抗靜電纖維。一般用共混紡絲法成形。
碳纖維複合材料發展史
碳纖維複合材料的發展史應包含碳纖維的發展史何其複合材料套用史。碳纖維是碳材料的一種新形式。我們已經知道碳材料結構由四種類型，一是無定形碳、而是石墨、三是金剛石、四是白碳。碳纖維含碳99%以上，主要是石墨和無定形碳，纖維形狀是一種新的套用形式。1880年人類製造了第一批電燈泡，那是電燈泡的燈絲就是當時人類研製的第一批碳纖維，直到1901年發明鎢絲後才不用它做燈絲了。到1950年美國空軍材料研究所由於軍工的需求，加緊對碳纖維研究，1959年由聯合碳化合物公司實現了高強碳纖維的生產工藝。與此同時，1962年日本旭炭公司在遠藤教授研究的基礎上實現以聚丙腈纖維為原料，經過預氧化（不熔化）、1300℃以上高溫炭化而得到有實用價值的通用碳纖維的工業生產線。1970年以後東麗公司、東邦公司相繼參加聚丙烯腈基碳纖維的生產開發，形成2噸╱年的規模。1978年產量達1000t。20世紀80年代後期批量生產的M30、M60、T1000等石墨化程度更高的碳纖維。隨後碳纖維在全世界需求量隨年逐增。
中國碳纖維的發展
我國從1968年開始研究碳纖維，很快研究出碳纖維1#，相當於T200的水平，1976年建成中試線，那是與日本東麗公司的差距為5年。後來碳纖維2#的研究久攻不下。差距已拉大20多年，無競爭可言。同時由於已開發國家對我國幾十年的技術封鎖，至今沒能實現大規模工業化生產，工業及民用領域的需求長時間依賴進口，嚴重影響了我國高技術的發展，尤其制約了航天及國防軍工事業的發展，與我國經濟社會發展的進程極不相稱。所以，研究生產高性能、高質量的碳纖維，以滿足軍工和民用產品的需求，扭轉大量口的局面，是當前我國碳纖維工業發展的迫切任務。
國外碳纖維的發展
1959年日本發明了用聚丙烯腈原絲生產碳纖維的方法。1962年，日本東麗公司開始生產，之後又積極研製用於生產碳纖維的專用優質原絲，並於1967年成功生產T300PAN-CF。同時，英國皇家航空研究所，對PAN纖維生產技術進行技術改進，隨後英國考陶爾公司利用這項技術開始生產高強度、高模量PAN基碳纖維。1969年，日本東麗公司研究成功特殊的單體共聚PAN基碳纖維，結合美國、法國、德國也都引進或開發了PAN原絲基碳纖維的生產。原蘇聯開始主要研究以人絲為原料製造碳纖維，後轉向PAN基碳纖維。另外印度、南斯拉夫、以色列、韓國也在以PAN原絲製取碳纖維方面開展了大量的研製工作。日本東麗公司的碳纖維研發與生產一直處於世界領先水平。
碳纖維複合材料的原料
1.碳纖維的常用品種
碳纖維品種分類有四種：一是按原絲分子分類，有PAN基、瀝青基、黏膠基三類；二是按性能分類，有通用、標準、高強高模、高導熱、活性等碳纖維；三是按套用領域分類，有航空用、工業用的碳纖維；四是按套用於複合材料基體分類，有樹脂基用、金屬基用、陶瓷基用、C\C用碳纖維。
2.纖維編織布
碳纖維編織布適應一些特殊製品的需要而發展起來的，例如飛彈的端頭帽、飛機的剎車片，它們不能用簡單的纖維迭層方法製造，否則有些方向強度太低。一種簡易的編制布是X-Y方向正交的方格和斜紋布。更複雜的是三方向、四方向、七方向和九方向的編織物，那是根據特殊設計要求而製造的，沒有商品。編制平面部即可用於結構件，優點是製品工藝過程形態穩定，又可用於裝飾品，得益於它漂亮的花紋。套用3K斜紋布製作汽車排氣筒和汽車控制台面就為美觀。
3.基體材料
由於碳纖維的很多性能是玻璃纖維所不及的，它可以在絕氧氣氛下高於3000攝氏度的高溫還保持高強度，而玻璃纖維高於700攝氏度的高溫下已喪失了強度。所以沒有玻璃纖維增強鋁、增強陶瓷之類材料。只要工藝得當，碳纖維可以用來增強很多高分子材料、很多金屬材料、幾乎各種氧化鋁、矽酸鹽、氧化矽、碳化矽、氧化矽等陶瓷。碳纖維複合材料除了不透明外又擴展了很多材料和工藝的技術領域。其中CFRP樹脂基常用樹脂、C\C複合材料的基體碳、CFRM的常用金屬基體和CFRC常用陶瓷基材料。
碳纖維複合材料工藝
碳纖維材料硬度高，必須選用硬質很近刀具材料，航空部門在參考國外硬質合金選材基礎上經試驗認為，用鎢—鑽硬質合金是比較合適的。因為這類硬質合金有較高的抗彎強度和韌性，可以減少切削時崩刀，同時磨削加工性好，適於磨出鋒利的刃口。目前材質為Y300的Φ3-8mm的整體式磨花鑽頭、鉸刀，可滿足碳纖維複合材料構件的制孔要求。
我國已研製出幾種人造金剛石大直徑套料鑽和人造金剛石磨輪，用於加工Φ8mm以上的複合材料構件孔，獲得滿意的加工質量。
長碳纖維╱聚丙烯複合材料加工工藝：
CF長絲→送絲架→擠出機模頭→牽引切粒→包覆CF粒料→二次造粒→CF╱PP複合粒料
我國採用國內外通用的電纜包覆式生產工藝PP樹脂包覆CF長絲。此工藝的特點是設備簡單，操作連續，質量優異。
必須注意的是，由於長碳纖維在連續操作過程中，通過穿孔時因受PP樹脂返料的阻力作用易斷絲，所以在設計模頭時，要考慮減少熔融PP樹脂因受壓進入穿絲孔。
C╱C基本工藝過程
碳纖維→編織或纏繞→浸漬→炭化成C╱C→再浸漬、炭化、VI緻密化→石墨化→加工→防氧化處理
完成C╱C工藝必須的設備
1.反應容器和加熱裝置，這個容器必須是密封的，以便可以抽真空或加壓，其加熱功率要足夠大，當需要時可快速升溫；加熱方式可以阻抗式或感應式，必須控制加熱過程。
2.進氣系統，浸漬先驅體多是易燃體，必須通氮氣保護。
3.冷卻排氣系統，在反應過程中先驅體分解形成的廢氣需要排除，高溫汽化的先驅體需要冷凝聚回流。
4.進料系統，由於纖維配體在容器中先加熱並抽真空，在保持真空狀態下加入已預熱的先驅體流體，有利於先驅體進入纖維骨架的中心。預熱先驅體需要氮氣保護，並隨時補充進料。
5.測溫和控溫系統，製備過程中對於成形體的溫度必須進行控制，以便控制反應的進程；往往在纖維胚體內不同位置測量溫度，掌握溫度梯度的全面數據和緻密化情況。
6.其他附加裝置，例如冷熱交替脈衝式加熱器，對配體施加超音波促進炭化過程的裝置。
