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文檔簡介
1、長春工業(yè)大學材料設計概論結業(yè)論文第1頁共7頁論述碳纖維的制造技術及在航天發(fā)射領域的應用論述碳纖維的制造技術及在航天發(fā)射領域的應用王曉剛王曉剛200905731.摘要摘要:碳纖維是一種力學性能優(yōu)異的新材,在過去的二三十年里得到廣泛的研究。其含碳量在90%以上,與其它高性能纖維相比具有最高比強度和最高比模量。特別是在2000℃以上高溫惰性環(huán)境中,是唯一強度不下降的物質。此外,其還兼具其他多種得天獨厚的優(yōu)良性能:低密度、高升華熱、耐高溫、耐腐
2、蝕、耐摩擦、抗疲勞、高震動衰減性、低熱膨脹系數(shù)、導電導熱性、電磁屏蔽性、紡織加工性均優(yōu)良等。因此,碳纖維復合材料也同樣具有其它復合材料無法比擬的優(yōu)良性能,被應用于軍事及民用工業(yè)的各個領域,在航空航天領域的光輝業(yè)績,尤為世人所矚目。關鍵詞關鍵詞:碳纖維制造航天領域應用2.2.碳纖維的制造碳纖維的制造2.12.1發(fā)展歷程發(fā)展歷程碳纖維主要是由瀝青、人造絲和聚丙烯腈為主要原料而制造的,目前結構材料中主要使用PAN碳纖維。1950年,美國Wri
3、ghtPatterson空軍基地開始研制粘膠基碳纖維。1959年,最早上市的粘膠基碳纖維Thnel25就是美國聯(lián)合碳化物公司(UCC)的產品。與此同時,日本研究人員也在1959年發(fā)明了用聚丙烯腈(PAN)基原絲制造碳纖維的新方法。在此基礎上,英國皇家航空研究院開發(fā)出了制造高性能PAN基碳纖維的技術流程,使其發(fā)展駛入了快車道,PAN基碳纖維成為當前碳纖維工業(yè)的主流,產量占世界總產量的90%左右。20世紀70年代中期,UCC在美國空軍和海軍
4、的資金支持下,研發(fā)高性能中間相瀝青基碳纖維;1975年研發(fā)成功ThnelP55(P55),在1980~1982年之間,又研發(fā)成功P75、P100和P120,年產量為230t。P120的模最高達965GPa,是理論值的94%,熱導率是銅的1.6倍,線膨脹系數(shù)僅為1.33106K,且在375℃空氣中加熱1000h僅失重0.3%~1.0%,顯示出優(yōu)異的抗氧化性能。它們已廣泛用于火箭噴管、導彈鼻錐、衛(wèi)星構件、艦艇材料等方面。在20世紀80年代早
5、期,碳纖維開始被廣泛地用在客機和航空飛行器上作為結構材料,主要在歐洲和北美進行應用。然后,人們提高了對碳纖維的認識,開始把它當成一種高質量的材料,并在20世紀80年代中期得到了飛速的增長在80年代中期,歐洲空客公司開始將CFRP(碳纖維增強塑料)作為首要的結構材料應用在飛機上,而且,隨著在網球和新的體育項目的應用,碳纖維市場得到了穩(wěn)步的擴展。長春工業(yè)大學材料設計概論結業(yè)論文第3頁共7頁2.32.3瀝青基碳纖維瀝青基碳纖維瀝青基碳纖維是僅
6、次于PAN積極的第二原料路線,分為通用級低性能瀝青基碳纖維和高模量瀝青基碳纖維。瀝青基碳纖維的優(yōu)勢為生產成本低、市場價格低廉。瀝青基碳纖維的制備過程包括原料瀝青的精制、瀝青的調制、瀝青碳纖維的制取、預氧化處理、碳化和石墨化處理、后處理等步驟,其工藝步驟如圖2所示。圖2瀝青基碳纖維工藝流程圖原料瀝青的精制主要是除去瀝青中的氧,特別是焦油瀝青中含有的游離炭和其它固體雜質,這些雜質在紡絲過程中可能堵塞紡絲孔,而殘留在纖維中的細小顆粒則是碳纖維
7、斷裂的根源。精制過程是原料瀝青中加入一定量的溶劑,如苯和喹啉,然后加熱到100℃以上,用不銹鋼網或耐熱玻璃纖維等進行過濾,過濾必須在氮氣保護下進行,以防止瀝青的氧化。接下來的瀝青調制過程是通過瀝青的熱縮聚、加氫預處理、溶劑萃取的方法制取可紡瀝青,目的是除去瀝青中的輕組分。這些輕組分是紡絲過程中氣泡產生的根源,會造成絲的斷裂;另一目的是提高瀝青軟化點,使相對分子質量分布均勻。與PAN基碳纖維不同,可紡瀝青在極短的時間內固化后就不能在進行拉
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