简要说说碳纤维历史和应用

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2018-05-07 21:45:18

编者注:碳纤维在汽车领域的应用研究现在如火如荼,特别是随着新能源汽车的迅猛发展和汽车轻量化的趋势,国外众多原材料供应商(dupont, basf, dsm等)和设备供应商(kraussmaffei, arburg, engel等)都在该领域投入巨大研发资源。正如之前多次提及的一个观点:国外的原材料供应商和设备供应商在该领域也相互合作,力求从材料、工艺和设备三者相互融合的角度给客户提供完整的解决方案!

1963年,在union carbide的科学家roger bacon和leonard singer的开创性工作推动了碳纤维的发展。碳纤维的发现为设计师和工程师开启了制备具有超高比模量和强度的部件之门,这些部件通常用于军用飞机、航空、汽车和运动器材。

union carbide在俄亥俄州的parma技术中心(现在的graftech international公司),是其碳纤维研发的焦点。在那里,1958年,bacon展示了纤维状的石墨所具有的超高强度。7年之后,连续生产碳纤维丝(由人造丝前驱体制备)实现了商业化。1970 年,singer生产了真正意义上的碳纤维,进而推动了源自液晶态沥青的碳纤维商业化。

在上世纪60年代,军用飞机的开发者竞相使用这些新的高模量、高强度的轻量化增强材料。当时,仅管硼纤维已经崭露头角,但玻纤仍然是唯一可用的增强材料。冷战激发了军备竞赛而且有相当部分投入于高性能飞机的高强度轻量化材料的开发上。对于推动碳纤维复合材料在军用飞机的应用上,由george lubin作为首席材料工程师担纲的grumman公司走在了最前面。

20世纪60年代中期,一系列碳纤维增强的环氧树脂复合材料部件,诸如翼尖、鼻锥、尾帽、机翼的后缘及空气进气管等,都根据军用飞机的需求进行了开发,比如lockheed的f-104 starfighter、ltv aerospace的a-7a corsair Ⅱ、grumman的w2f-hawkeye(采用碳纤维增强的螺旋桨)和phantom f4。之后,这些材料被应用于f-14 tomcat的全稳定杆和机翼上,f-14 tomcat是1967年生产的,是当时使用碳纤维复合材料最多的战斗机之一 。

20世纪60年代中期,诸如lockheed f-104 stafighter之类的军用喷气式飞机开始使用碳纤维/环氧树脂复合材料部件,诸如翼尖、鼻锥、尾帽、机翼和空气进气管。(图:donald rosato)

碳纤维增强复合材料随后被用于nasa apollo项目太空仓的窗框和外壳,同时也被用于月球车的定位支架上。这些材料通常含40%碳纤维、20%硼纤维和40%的环氧树脂。

民用航空业在航天航空的带领下,在上世纪70年代中期也开始使用碳纤维。波音公司首先在727喷气式客机上采用碳纤维增强材料,其他的飞机制造商也紧随其后。

从碳纤维发明起,其高昂的生产成本,限制了其在汽车行业的大量应用。20世纪70年代,碳纤维开始用于卡车车轴,并且广泛应用于赛车(fi和indy)、概念车、豪华车和诸如gm的corvette之类的高端运动跑车。

现在,波音公司在其最新的飞机――787 dreamliner上大量使用碳纤维增强复合材料,从而大大促进了碳纤维增强复合材料的增长。

虽然还是一个小的市场,但消费品行业的碳纤维增强复合材料的使用一直在增长,如自行车、鱼竿、高尔夫球杆和网球拍。并且最近,在诸如maybach57s,porsche gt,bmw m6等高端汽车上及低端汽车零件上的应用也在增加。