碳纖維技術的發(fā)展,我國該如何借鑒國外的成果
19世紀70年代末,真空技術已漸成熟,斯萬發(fā)明了更實用的白熾燈,并于1878年獲得了專利權。1879年,愛迪生(Thomas Alva Edison,1847-1931)發(fā)明了以碳纖維為發(fā)光體的白熾燈。他將富含天然線性聚合物的椴樹內皮、黃麻、馬尼拉麻和大麻等定型成所需要的尺寸和形狀,并對其進行高溫烘烤;受熱時,這些由連續(xù)葡萄糖單元構成的纖維素纖維被碳。
由于原料源于天然纖維,早期的碳纖維幾乎沒有結構強力,使用中很容易碎裂、折斷,即便只是作為白熾燈的發(fā)光體,其耐用性也很不理想。1910年左右,鎢絲替代了早期的碳纖維燈絲。盡管如此,很多美國專利證實,愛迪生發(fā)明碳纖維后的30多年里,改進碳纖維性能的研究從未停止過。然而,這些努力都未能把碳纖維性能提高到令人滿意的程度。此間,碳纖維研究停滯不前,處于休眠期。
美國歷史上的化學里程碑(National Historic ChemicalLandmark),是美國化學會(American Chemical Society?ACS?)開展的一項發(fā)掘整理美有歷史影響的化學家和化學事件的活動。各區(qū)域分支機構申報本地區(qū)曾出現(xiàn)的人物和發(fā)生過的事件,美國化學會組織專家考核和認定。
1959年,帕爾馬技術中心的科學家們就發(fā)明了高性能人造絲基碳纖維的制備技術。加利·福特(Curry E. Ford)和查爾斯·米切爾(Charles V. Mitchell)發(fā)明了3000°C高溫下熱處理人造絲制造碳纖維的工藝技術,生產出了當時強度最高的商業(yè)化碳纖維板材美國空軍材料實驗室(U.S. Air Force Materials Laboratory)很快就采用這種人造絲基碳纖維作為酚醛樹脂的增強體,研制了用于航天器熱屏蔽層的復合材料。其作用是,返回大氣層時,導彈或火箭殼體與大氣劇烈摩擦,表面形成高溫,酚醛樹脂吸熱后緩慢分解,碳纖維使酚醛樹脂不被燒毀,保證彈箭完成大氣層中的行程。
1963年,碳纖維增強樹脂復合材料技術研究取得實質性突破,復合材料技術跨入“先進復合材料”時代。此前,樹脂基復合材料的增強體一直被玻璃纖維和硼纖維壟斷。相較玻璃纖維和硼纖維,碳纖維作為增強體,性價比更佳。
碳纖維棒應用十分的廣泛。休閑產品中,最早應用PAN碳纖維的是釣魚竿。現(xiàn)在世界上碳纖維釣魚竿的年生產量為1200萬根左右,相當于碳纖維用量約1200噸。碳纖維在高爾夫球桿的應用是于1972年開始的,現(xiàn)在世界上碳纖維高爾夫球桿的年生產量約4000萬根左右,相當于2000噸碳纖維的用量。網球拍的應用是從1974年開始的,目前世界上年生產碳纖維球拍約450萬個,需碳纖維用量約500噸。在其他方面,碳纖維還廣泛應用于滑雪板、雪船、滑雪桿、棒球棒、公路賽以及船舶類體育用品。
人們認識到了碳纖維輕量化、耐疲勞性和耐腐蝕性等性能,因而開始廣泛應用于航空航天行業(yè)。在宇航領域,由于高模量碳纖維的輕量性(剛性)、尺寸穩(wěn)定性的導熱性,早已應用于人造衛(wèi)星等方面,近年來已開始應用于銥星等通信衛(wèi)星。
造型復合物主要是以短纖維的形式混入用于熱塑性樹脂中,由于具有補強、抗靜電、電磁波屏蔽效果,可廣泛應用于家用電器、辦公室機器、半導體及其相關領域。
在現(xiàn)代材料流行的世界里,擁有新型的碳纖維技術以生產出高質量的碳纖維板材,碳纖維棒,已經成為眾多企業(yè)發(fā)展的目標。同樣,這也是對未來碳纖維技術的展望。