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【技術干貨】簡述碳纖維的優異特性與全球環境
時間:2020年10月16日 來源:主要參考Toray官網  作者:佚名 瀏覽次數:

 什么是碳纖維?

    碳纖維是以聚丙烯腈(PAN)纖維或瀝青纖維等有機纖維為原料,通過在惰性氣氛中熱處理以除去碳以外的元素制成的。對于具有標準彈性模量的碳纖維,纖維中碳元素含量為90%以上,而除碳以外的主要元素是氮。對于具有高彈性模量的碳纖維,碳元素含量為幾乎100%。除碳以外的主要元素是氮。

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 由于PAN基碳纖維的性能、成本、易用性等方面的平衡優于瀝青基碳纖維,因此,市場上超過90%的碳纖維是由PAN纖維制成的,日本Toray東麗公司主要生產基于PAN的碳纖維,而且公司在性能、質量和產量方面均位居全球碳纖維行業首位

    東麗公司于1967年開始研究丙烯酸纖維“Trelon”碳纖維,1970年與美國聯合碳化物公司進行碳纖維的技術交流獲得高溫熱處理技術,并在同一年獲得在大阪工業技術實驗室獲得Shindo博士的專利許可,1971年在全球率先開始生產和銷售基于PAN的高強度碳纖維T300,形成生產能力12噸/年。更多精彩內容可閱讀《日本東麗總裁講述公司碳纖維發展的悠久歷史(閱讀原文)。

   PAN基碳纖維的特點是輕便而結實。它的比重為1.8,約為鐵7.8的1/4,比金屬鋁的2.7或玻璃纖維的2.5輕得多。最重要的是,它具有優異的強度和模量,其拉伸強度除以比重的比強度約為鐵的10倍,拉伸模量除以比重的比模量約為鐵的7倍。這就是為什么碳纖維作為輕質材料替代傳統金屬材料的最重要原因。
    此外,碳纖維還具有其他各種優異的特性,例如耐疲勞、耐腐蝕、化學和熱穩定性優異,使其成為即使在惡劣條件下也具有長期穩定特性的高度可靠的材料。

    利用這些特性,使得碳纖維復合材料具有輕質高強特性,并且具有良好的燃料效率,目前全球航空飛機中主結構如機身、主翼和尾翼的結構材料幾乎全部由碳纖維復合材料制成。


碳纖維對環境積極影響

在制造碳纖維時,以精煉石油而獲得的丙烯腈為原料,經過紡絲并燒成碳纖維,由于其在1000℃或更高的高溫下燃燒,因此當制造1噸碳纖維時排放20噸CO₂。但即便如此,也不能影響碳纖維是一種環保材料。 

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其原因在于碳纖維具有出色的比強度和比模量,碳纖維的使用極大地提高了全球變暖的對策。日本Toray東麗公司通過對碳纖維復合材料生命周期研究,評估了碳纖維對環境的影響,其主要評估內容包括原材料的提取、碳纖維產品的使用以及通過稱為LCA生命周期評估的方法進行處置。

    最終評估結果顯示,如果將碳纖維用于汽車輕量化領域,當汽車車身結構重量每減少30%的重量,則每噸碳纖維的減少CO₂排放量為50噸;而如果將飛機機身重量每減少20%,則飛機運行10年的累計減少CO₂排放量為1400噸。

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    如果將碳纖維用于日本乘用車(輕型車除外,擁有4200萬輛)和客機(擁有430架),并通過輕量化來提高燃油效率,則最終可以減少CO₂排放量將達到2200萬噸。因此,碳纖維是有助于全球環境保護的先進材料,這是減少CO₂的“關鍵”。

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