碳纖維技術(shù)的發(fā)展,我國(guó)該如何借鑒國(guó)外的成果
19世紀(jì)70年代末,真空技術(shù)已漸成熟,斯萬(wàn)發(fā)明了更實(shí)用的白熾燈,并于1878年獲得了專(zhuān)利權(quán)。1879年,愛(ài)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(xiàn)性聚合物的椴樹(shù)內(nèi)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(duì)其進(jìn)行高溫烘烤;受熱時(shí),這些由連續(xù)葡萄糖單元構(gòu)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(méi)有結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(guó)專(zhuān)利證實(shí),愛(ài)迪生發(fā)明碳纖維后的30多年里,改進(jìn)碳纖維性能的研究從未停止過(guò)。然而,這些努力都未能把碳纖維性能提高到令人滿(mǎn)意的程度。此間,碳纖維研究停滯不前,處于休眠期。
美國(guó)歷史上的化學(xué)里程碑(National Historic ChemicalLandmark),是美國(guó)化學(xué)會(huì)(American Chemical Society?ACS?)開(kāi)展的一項(xiàng)發(fā)掘整理美有歷史影響的化學(xué)家和化學(xué)事件的活動(dòng)。各區(qū)域分支機(jī)構(gòu)申報(bào)本地區(qū)曾出現(xiàn)的人物和發(fā)生過(guò)的事件,美國(guó)化學(xué)會(huì)組織專(zhuān)家考核和認(rèn)定。
1959年,帕爾馬技術(shù)中心的科學(xué)家們就發(fā)明了高性能人造絲基碳纖維的制備技術(shù)。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(shù),生產(chǎn)出了當(dāng)時(shí)強(qiáng)度最高的商業(yè)化碳纖維板材美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)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(shù)脂的增強(qiáng)體,研制了用于航天器熱屏蔽層的復(fù)合材料。其作用是,返回大氣層時(shí),導(dǎo)彈或火箭殼體與大氣劇烈摩擦,表面形成高溫,酚醛樹(shù)脂吸熱后緩慢分解,碳纖維使酚醛樹(shù)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(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料技術(shù)研究取得實(shí)質(zhì)性突破,復(fù)合材料技術(shù)跨入“先進(jìn)復(fù)合材料”時(shí)代。此前,樹(shù)脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)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(qiáng)體,性?xún)r(jià)比更佳。
碳纖維棒應(yīng)用十分的廣泛。休閑產(chǎn)品中,最早應(yīng)用PAN碳纖維的是釣魚(yú)竿?,F(xiàn)在世界上碳纖維釣魚(yú)竿的年生產(chǎn)量為1200萬(wàn)根左右,相當(dāng)于碳纖維用量約1200噸。碳纖維在高爾夫球桿的應(yīng)用是于1972年開(kāi)始的,現(xiàn)在世界上碳纖維高爾夫球桿的年生產(chǎn)量約4000萬(wàn)根左右,相當(dāng)于2000噸碳纖維的用量。網(wǎng)球拍的應(yīng)用是從1974年開(kāi)始的,目前世界上年生產(chǎn)碳纖維球拍約450萬(wàn)個(gè),需碳纖維用量約500噸。在其他方面,碳纖維還廣泛應(yīng)用于滑雪板、雪船、滑雪桿、棒球棒、公路賽以及船舶類(lèi)體育用品。
人們認(rèn)識(shí)到了碳纖維輕量化、耐疲勞性和耐腐蝕性等性能,因而開(kāi)始廣泛應(yīng)用于航空航天行業(yè)。在宇航領(lǐng)域,由于高模量碳纖維的輕量性(剛性)、尺寸穩(wěn)定性的導(dǎo)熱性,早已應(yīng)用于人造衛(wèi)星等方面,近年來(lái)已開(kāi)始應(yīng)用于銥星等通信衛(wèi)星。
造型復(fù)合物主要是以短纖維的形式混入用于熱塑性樹(shù)脂中,由于具有補(bǔ)強(qiáng)、抗靜電、電磁波屏蔽效果,可廣泛應(yīng)用于家用電器、辦公室機(jī)器、半導(dǎo)體及其相關(guān)領(lǐng)域。
在現(xiàn)代材料流行的世界里,擁有新型的碳纖維技術(shù)以生產(chǎn)出高質(zhì)量的碳纖維板材,碳纖維棒,已經(jīng)成為眾多企業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。同樣,這也是對(duì)未來(lái)碳纖維技術(shù)的展望。