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碳纖維簡史

放大字體  縮小字體 發布日期:2020-03-06  來源:碳纖維研習社  瀏覽次數:196
核心提示:雖然碳纖維已經存在了150多年,但它只是在過去半個世紀左右的時間里通過制造工藝的改進才獲得了優異的比強度和比剛度。這些現代
 
    雖然碳纖維已經存在了150多年,但它只是在過去半個世紀左右的時間里通過制造工藝的改進才獲得了優異的比強度和比剛度。這些現代技術的進步,加上過去幾十年制造成本的降低,使得碳纖維成為當今備受青睞的材料。
早期碳纖維史
    約瑟夫·威爾遜·斯旺爵士在1860年首次制造出碳纖維,用于早期的白熾燈泡。1879年,托馬斯·愛迪生在第一批用電加熱的燈泡中使用了以纖維素為基礎的碳纖維絲。具有高耐熱性使它們成為理想的導電體。這些纖維是由棉花或竹子制成的,而不是今天以石油為基礎的原材料,然后在高溫下烘烤,導致碳化。這種被稱為“熱解”的烘烤方法至今仍在使用。熱解是在惰性氣體中高溫加熱分解有機物的過程。20世紀初,當鎢絲成為燈泡燈絲的首選時,碳纖維在接下來的50年左右就被淘汰了。
    1958年,在位于克利夫蘭的聯合碳化物帕爾瑪技術中心,羅杰·培根嘗試通過在氬氣中加熱人造絲來測量碳的三相點,結果意外地制造出了第一種以石油為基礎的碳纖維。他注意到電弧爐的負電極上長出了細絲。然而,由此產生的纖維只有大約20%的碳,而且當時人們幾乎沒有重視碳纖維產品的剛度和強度特性,這使得培根的加工效率非常低。并且,他制造碳纖維的方法成本極高。
 
現代碳纖維
    20世紀60年代初,日本工業科技署的Akio Shindo博士使用聚丙烯腈(PAN)作為碳纖維的前身。PAN是一種合成的、半結晶的有機聚合物樹脂,它可以讓Shindo用一種成本更低的方法生產出55%碳含量的碳纖維。
    1963年,英國國防部的科學家W. Watt, L. N. Phillips和W. Johnson為一種新的碳纖維制造工藝申請了專利。這種制造工藝制造出的碳纖維產品比以前的工藝生產出的強度高得多。英國國家研究開發公司隨后將這一過程授權給勞斯萊斯、摩根萊特和考陶德。當時,勞斯萊斯已經開始生產碳纖維,這種新工藝使他們可以開始在噴氣發動機風扇組件的設計中使用碳纖維。隨后,他們帶著帶碳纖維壓氣機葉片的RB-211航空發動機打入美國市場。不幸的是,在遭遇鳥的撞擊后,暴露出壓氣機葉片強度不夠的問題,這導致了勞斯萊斯遭受重挫。最后,勞斯萊斯賣掉了他們的碳纖維工廠。
    1970年達成的一項聯合技術協議允許聯合碳化物公司生產以PAN為基礎的碳纖維,這種碳纖維以前只由日本東麗工業公司生產。早前,Morganite曾決定將碳纖維業務排除在其核心業務之外,這使得Courtaulds成為英國唯一一家碳纖維制造商。然而,他們的無機工藝在碳纖維中留下了雜質,而其他碳纖維公司的工藝中卻不會出現這種情況。于是到1991年,總部位于英國的面料、服裝、人造纖維和化學品制造商Courtaulds停止了碳纖維的生產。
如今的碳纖維
    自20世紀70年代末以來,其他幾種類型的碳纖維絲進入了全球市場。這些較新的纖維含有95%的碳,并大大提高了抗拉強度和彈性模量。例如,東麗現在生產的碳纖維抗拉強度為4000 MPa,模量為400 GPa。這些在強度、彈性模量和成本方面的改進促使90年代的工程師們最終充分了解了碳纖維在各類應用中的巨大潛力,使其成為當今最受歡迎的材料之一。
 
關鍵詞: 復合材料 碳纖維
 
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