高性能碳纤维纸及其应用

前　言
　　众所周知，碳纤维具有许多优于其他纤维的机械性能和物理性能，作为结构材料，已经在许多领域得到应用，如航空航天飞行器，运动器材，以及建筑材料的补强等等；碳纤维作为功能材料应用，近来发展也很快，碳纤维纸便是其中一例。
　　1 碳纤维原料
　　碳纤维纸是指具有一定碳纤维含量的功能纸。纸中碳纤维含量可从2%-100％。沥青基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和嫘萦基碳纤维都可以用作碳纤维纸的原料，由于这些碳纤维性能的差异，价格的不同，决定了其碳纤维纸的性能和成本。用聚丙烯腈基碳纤维的纸，综合性能较好；用嫘萦基碳纤维的纸，性能柔软，抗折迭；用沥青基碳纤维的纸，价格较低。选用何种碳纤维原料完全要根据其纸的性能要求而定，有时可把几种碳纤维一起混合使用。为了提高碳纤维的造纸工艺性能，碳纤维原料一般还要前处理。目前市场上已有几家碳纤维公司推出了专门用于造纸的沥青基碳纤维，为碳纤维纸的生产提供了方便。
　　2 生产工艺
　　普通碳纤维纸的生产工艺是借用常规纸浆造纸工艺制成，它将长度为l-8mm的碳纤维与植物纤维（或人造纤维）混合打浆，再利用造纸机将纸浆湿法成型制成的。这种碳纤维纸中的碳纤维含量一般为5%-60%，如碳纤维含量再高则在工艺上尚存在一些困难，而且碳纤维的长度也相对较短，因长度太长，打浆时碳纤维缠绕很难分散均匀；这些因素在一定程度上影响了碳纤维纸性能的提高。目前一种新的被称为干法造纸的工艺正在兴起，它是利用气流成网技术将碳纤维制成纸一样厚的无纺布，再经后整理制成碳纤维纸。这种纸的纤维长度长，纸的机械性能好，且生产率高，环境污染小，是一种很有发展前途的造纸工艺。
　　高性能碳纤维纸比普通的碳纤维纸具有更优异的性能，或是导电性更好，或是化学成分更纯，或是具有其他更优异的物理化学性能。高性能碳纤维纸无论对原料还是制造工艺的要求，都比普通碳纤维纸复杂。目前世界上只有少数国家能生产制造。
　　3 性能
　　作为功能材料，碳纤维所具有的优异物理、化学性能，碳纤维纸都能具有，而且由于纤维以短纤维状态无规排列，性能呈各向同性，而长纤维制品（如无纬布）性能是各向异性。因此对性能均匀性要求高的地方，碳纤维纸更有优势。
　　碳纤维纸具有导电性，其电阻率可以从107-10-3Ω·cm范围变化，影响碳纤维纸电阻率的因素主要是碳纤维的含量和碳纤维自身的电阻率；此外，碳纤维的长度、纸的密度和厚度，以及纸的加工工艺和后整理工艺，都直接影响碳纤维纸的电阻值及其稳定性。
　　碳纤维纸具有优异的电热性能。碳纤维纸通电后，在适当的电阻和电压下，具有优异的发热性能，它的发热温度范围通常是30-250℃，电热转换效率＞97％，比传统材料节能15％-30％，而且还有一种其他发热材料所不及的性能，它的远红外电——热辐射转换率＞70％，而且还放射出5-20μm的远红外线，这是适应人体血液循环，具有保健功能的远红外波。因此，碳纤维纸是一种很具有开发价值的面状发热材料。
　　碳纤维是一种电阻型吸波材料，对电磁波有一定的吸收和反射性能，因而用于屏蔽材料和吸波材料。文献介绍短切碳纤维复合材料比连续长纤维复合材料对雷达波有比较好的吸波效果。
　　碳纤维纸具有多孔性，再加上碳纤维（或活性炭纤维）自身的吸附性能，碳纤维纸是很好的吸附过滤材料。
　　经过一定处理的碳纤维纸，具有耐高温和耐腐蚀性能。
　　4 应用
　　4．1 抗静电包装材料
　　不同电阻值的碳纤维纸具有不同的用处，电阻率在107-104Ω·cm的碳纤维纸，具有抗静电性能，用于需要抗静电要求的电子器件的包装材料。
　　4．2 面状发热材料
　　电阻率在104-10-1Ω·cm的碳纤维纸，常用作面状发热材料。面状发热材料按使用的电压，可分常规电压（380、220和110V）和安全电压（36、12和6V），按绝缘材料类型可分为刚性和柔性两类，刚性多采用玻璃钢，柔性多为纺织品。这些面状发热材料在工农业生产中应用愈来愈广，例如低温工业容器加热保温，农用暖房的取暖，由于是低温绝缘耐腐蚀发热体，故可直接对植物根部土壤加热，比通过空气传热更省能。
　　在俄国和北欧，碳纤维纸面状发热材料广泛用于家庭取暖，它将面状发热材料与墙、地毯结合，与工艺美术品结合，这种利用辐射低温取暖方式具有舒适省电的优点。
　　而高性能碳纤维纸可以薄而柔软，电阻率低，为安全电压下的柔性面状发热材料开发提供了保证，而这种柔性面状发热材料在家庭取暖。人体保健诸多领域都有相当大的市场。例如中国已开发出电热毯、暖足器、关节热敷带、热敷护腰等。
　　4．3 新能源和电化学领域用材料
　　电阻率在10-2-10-3Ω·cm的碳纤维纸属高性能碳纤维纸，通常称之高导电率碳纤维纸，在新能源和电化学领域正在广泛推广应用。
　　绿色能源——燃料电池愈来愈受到人们的关注。它是利用空气中的氧同燃料（氢气）在质子分离膜和催化剂的共同作用下变成电能，同时排出副产物——热水。整个反应中要求电极材料具有如下性能：1.足够的化学稳定性，耐腐蚀；2.多孔性；即要有足够数量的孔隙，以保证燃料气体的供给和副产物水的排出；同时还应有相当数量微孔，以保证化学反应充分进行，提高发电效率；3.导电性：具有低的电阻，降低电池内耗。科学家经过多种探索，确认高性能碳纤维纸能满足上述性能要求。而且和原碳材料电极相比，还有体积小、质量轻、效率高等优点。现在，用高性能碳纤维纸制作质子交换膜——燃料电池（PEMFC）的气体扩散层电极材料，已经得到各燃料电池制造商的认同，从而得到很快发展。
　　4．4 电磁波屏蔽材料
　　电磁波的危害愈来愈引起人们的关注。一般说来，具有良好的电导率和磁导率的材料，对电磁波具有屏蔽功能，人们已经把碳纤维混在塑料中，制成具有电磁屏蔽功能的塑料罩壳。利用高性能碳纤维纸制作屏蔽功能的制品更具特色，有人提出把碳纤维纸贴在玻璃钢表面或塑料表面，用它做成具有电磁屏蔽功能的罩壳，也许更省材料，更能保持罩壳原有机械性能。或者将纸浸渍树脂、成型，制成超薄多孔屏蔽罩壳。
　　4.5 现代武器装备材料
　　将碳纤维和其他吸波材料结合制成的碳纤维纸，可望在隐形武器上应用。
　　美国在1991年海湾战争和1999年科索沃战争中使用了“微波炸弹”，微波炸弹是非杀伤性炸弹，它装满石墨和碳纤维，爆炸后将它们撒向空间，以破坏敌方雷达防御体系和通讯体系。炸弹里的碳纤维很可能含有碳纤维纸，因为纸更具漂浮性，在空间停留时间更长。
　　4.6 高质量音响材料
　　用碳纤维纸制作扬声器的纸盆，是各名牌高级音响的专利，这是因为碳纤维纸盆密度小，质量轻，有较高灵敏度。碳纤维传播声音的速度快，据测碳纤维为11.17km/s，木纤维为1.45km/s，这利于减少失真度，音质清晰，音响效果极佳。
　　4.7 环保防护材料
　　具有吸附过滤功能的碳纤维纸在环保和化工行业有广阔用途，如空气清新器、空调机、防毒口罩、防护服、化工过滤装置等。
　　总之，高性能碳纤维纸作为功能材料的用途远不止上述几点，它的许多性能还有待去认识、去开拓，譬如在电化学领域、环保、航天、冶金、能源和建材等诸多行业，都存在着广博的潜在市场