应用·高性能沥青基碳纤维(MPCF)的民品应用

沥青基碳纤维的研究开发始干20世纪50年代末期，60年代初由日本群马大学大谷杉郎教授60年代末在日本吴羽化学公司实现工业化生产，生产规模120吨/年，该公司沥青基碳纤维的生产能力已经发展到900吨/年。日本三菱化学公司于1998年10月又投产了一条200吨/年的沥青基碳纤维生产线，使该公司的沥青基碳纤维的生产能力达到了500吨/年。日本石墨纤维公司继承了日本制铁和日本石油两大公司的技术实力，于1995年合资成立了“Granoc”沥青碳纤维公司，积极开展沥青基碳纤维的应用研究不仅提高了产品性能，而且开发了很多新品种，如低模量型、中模量型、航空航天级产品等。我国对沥青基碳纤维的研制已有40年的历史，20世纪70年代初，上海焦化厂以煤焦油为原料成功地制取了碳纤维，但因试验结果不稳定，产品质量不高而中止。

沥青基碳纤维除具有碳纤维的高强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好等性能特点。还具有较高的热传导性能，反向热膨胀系数和超高的模量，沥青基碳纤维适用于空间技术和人造卫星领域；沥青基碳纤维独特的热传导性能，使其在高产出的电气设备中显示出良好的散热效果；对有效载荷有严格限制的运载火箭来说，沥青基碳纤维增强材料在减轻重量上可起决定作用；沥青基碳纤维的低密度、高热导性能以及特殊的摩擦性能，对于其在军事领域的应用十分有价值；而沥青基碳纤维及其增强材料的稳定性，也为设计制造出高性能与持久耐磨的制动系统提供了理想材料；为了适应开发高模量制品的需要，碳纤维生产商的研发目标已越来越多地转向具有良好刚性和挠性的沥青基碳纤维产品，因为它能够提供一般纤维材料难以达到的高性能。国内主要的应用领域是以下四个方面：

1.1 铅酸蓄电池正极板

碳纤维具有很强的耐酸碱、耐蚀性能。蓄电池极板活性物质中加入一定比例的碳纤维后（碳纤维长度100~200um），会明显提高蓄电池的性能指标，如延长蓄电池的放电时间、提高循环使用寿命及快速充电等性能。这是应为碳纤维的加入可阻止活性物质在极板上脱落，并加大导电网络。由于沥青基碳纤维含碳量高、价格低廉等，在蓄电池上应用是必然趋势。

哈尔滨工程大学经过实验研究：碳纤维的加入量为0.2-0.3%（质量百分数）时，能提高正极活性物质利用率可提高7%-15%.

1.2 刹车片

碳纤维具有高比强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、断裂韧性高、耐磨性好、抗烧蚀以及有很好的化学稳定性和尺寸稳定性、强度随温度升高而增加等特点。这些特点更适合在制备刹车片产品中的应用。实践证明碳纤维在刹车片中加入1~2%比例，就明显提高了刹车片的性能。

1.3 密封件

在高温高压的有机溶剂环境中，一般采用氟橡胶、硅橡胶等特种橡胶，通过调整沥青基碳纤维的含量，制品的最高操作温度可以达到400℃以上，而且耐溶性能好，使用丁腈胶或改性丁腈胶以及天然胶配合，可以满足350℃以下的使用要求，碳纤维增强橡胶密封垫片的关键技术在于开发一种全新的成型工艺，在不损伤碳纤维和不降低基体材料性能的前提下，使碳纤维均匀布于基体材料中，最大限度的发挥材料性能，拓宽基体材料的选择范围。采用碳纤维纸制备碳纤维增强橡胶密封材料是一种全新的技术路线，目前尚未有相关报道，其优点是在加工成型时，碳纤维不会受到破坏，在制品整个层面上纤维是二维连续的，极大的增加了制品的强度和耐磨性，而且该技术路线适用于所有种类的橡胶基体，包括各种热塑性塑料基体，大大拓宽了基体材料的选择范围，可以制备出不同使用要求的系列产品。

1.4 保温毡

市场上保温材料制品很多，分为低温保温制品和高温保温制品。而在高温环境下的保温材料制品又分为无机类保温材料（如岩棉、硅酸铝、氧化铝及氧化锆等）和碳质保温材料（如泡沫炭、纤维碳等）。无机类纤维保温材料的使用温度一般在1000℃-1400℃之间，少数产品能在1800℃下使用。碳质保温材料可以在1000~3000℃真空或惰性气体保护条件下应用。在2000℃以上高温环境下只能使用碳质保温材料。

碳质保温制品通常包括碳纤维软毡（针 刺毡）、碳纤维硬毡和泡沫炭。其中碳纤维硬毡性能最优，主要特点为：自支撑性，可以加工成各种形状，安装、拆卸非常方便；抗氧化、抗气流冲刷，使用寿命长等。但价格较高，主要应用于高端真空炉上，如单晶硅拉伸炉、多晶硅铸锭炉等，但随着制造成本的逐步降低，在低端炉上的广泛应用是必然趋势。

用于制造硬毡的碳纤维主要包括PAN基碳纤维、黏胶基碳纤维和通用级沥青基碳纤维，其中通用级沥青基碳纤维碳含量更高，导热系数及热容量更低，同时价格低廉，这些特点更适合制造碳质保温毡产品。

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