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  • 甘肅郝氏炭纖維是一家專門從事碳布,硬質復合炭氈,炭纖維布,炭纖維復合氈的民營高新技術企業。
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    碳纖維簡史:今天從美國碳纖維技術發展史說起!
    來源:www.thaliasoap.com 發布時間:2019/3/15 9:32:32
    碳纖維簡史:今天從美國碳纖維技術發展史說起!

    碳纖維誕生在美國,其高性能化的基礎科學研究也發端在那里。今天,美國仍是世界高性能碳纖維的生產和應用強國。研究美國高性能碳纖維技術的發展歷程,對我國碳纖維產業的技術進步和健康發展應有所借鑒。

    本文綜述了美國高性能碳纖維技術的早期發展過程及兩位科學家的重要研究貢獻,分析了其經驗。
    一、碳纖維誕生在美國,始于白熾燈的發明
    碳纖維是作為白熾燈的發光體誕生的。英國化學家、物理學家約瑟夫·威爾森·斯萬爵士(Sir Joseph Wilson Swan,1828–1914)發明了以鉑絲為發光體的白熾燈。為解決鉑絲不耐熱的問題,斯萬使用碳化的細紙條代替鉑絲。由于碳紙條在空氣中很容易燃燒,斯萬通過把燈泡抽成真空基本解決了這一問題。1860年,斯萬發明了一盞以碳紙條為發光體的半真空電燈,也就是白熾燈的原型;但當時真空技術不成熟,所以燈的壽命不長。
    19世紀70年代末,真空技術已漸成熟,斯萬發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)發明了以碳纖維為發光體的白熾燈。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,這些由連續葡萄糖單元構成的纖維素纖維被碳化成了碳纖維。1892年,愛迪生發明的“白熾燈泡碳纖維長絲燈絲制造技術(Manufacturing of Filamentsfor Incandescent Electric Lamp)”獲得了美國專利(專利號:470925)(圖1)??梢哉f,愛迪生發明了最早商業化的碳纖維。
    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。

    二、人造纖維化學纖維的出現,為美國高性能碳纖維技術基礎科學研究提供了前提人造纖維化學纖維的出現,把碳纖維技術引入了“再發明(reinvented)”時代。20世紀早期,粘膠(1905)和醋酯(1914)等人造纖維的出現,特別是20世紀中期,聚氯乙烯(1931)、聚酰胺(1936)和聚丙烯腈(1950)等化學纖維的商業化,為美國開創高性能碳纖維技術的基礎科學研究提供了前提。
    20世紀50年代中期,美國人威廉姆?F?阿博特(WilliamF. Abbott)發明了碳化人造纖維提高碳纖維性能的方法。作為卡本烏爾公司(Carbon Wool Corporation)的委托人,阿博特(Abbott)于1956年3月5日向美國專利局提交了“碳化纖維方法(Method for CarbonizingFibers)”的專利申請(申請號Serials No. 569,391),但此項申請是否獲得專利,不得而知。1959年11月12日,阿博特再次提出了同樣的專利申請(申請號Serials No. 852,530),1962年9月11日,該項申請獲得了美國專利授權

    阿博特(Abbott)專利的技術要點是:一種生產固有密度高、拉伸強力好的纖維形態碳材料的加工工藝。當時的碳纖維在很小的機械力作用下,就會斷裂。阿博特的發明稱,其可使碳纖維的碳密度和硬度更高,在機械力作用時保持纖維形態不被破壞;且直徑更細,表面更清潔,柔韌性和彈性更好;纖維直徑及性能可設計和控制;原料必須采用粘膠、銅氨和皂化醋酸等再生纖維素纖維及合成纖維,不能采用天然纖維。
    三、高性能碳纖維技術的基礎科學研究被確認為“美國歷史上的化學里程碑”美國歷史上的化學里程碑(National Historic ChemicalLandmark),是美國化學會(American Chemical Society?ACS?)開展的一項發掘整理美國有歷史影響的化學家和化學事件的活動。各區域分支機構申報本地區曾出現的人物和發生過的事件,美國化學會組織專家考核和認定。
    位于俄亥俄州帕爾馬市(Parma,Ohio)的葛孚特國際公司(GrafTech International Ltd.)向美國化學會申報了“高性能碳纖維(High Performance CarbonFibers)”項目。該公司的前身是美國聯合碳化物公司(Union CarbideCorp.)。2003年9月17日,美國化學會確認,原美國聯合碳化物公司帕爾馬技術中心(US Union CarbideCorp.’sParma Technical Center)曾開展的高性能碳纖維技術研究,是一項“美國歷史上的化學里程碑”;羅格·貝肯(Roger Bacon)1958年發現了“石墨晶須(graphite whiskers)”及其所具有的超高強現象;倫納德·辛格(Leonard S. Singer)1970年發明了中間相瀝青基碳纖維制備技術;他們開創了碳纖維增強復合材料的科學技術基礎,是該領域的開拓者。

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