毕业论文课题相关文献综述
文 献 综 述
1.1课题研究的背景
碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量特种纤维，但几乎所有的碳纤维都将进一步加工成复合材料以供终端使用。碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料，以树脂、金属、陶瓷等作为基体材料，经过复合成型制成的结构材料，与传统的金属材料相比，其具有密度小、比强度/比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、便于设计、易于大面积整体成型加工等优点。按基体的不同，可分为树脂基复合材料（CFRP）、碳/碳复合材料（C/C）、金属基复合材料（CFRM）、陶瓷基复合材料（CFRC）及橡胶基复合材料（CFRR）等。CFRP是碳纤维最主要的消费领域，其在全球碳纤维复合材料市场中的消费占比约为80%。碳纤维的体密度仅为1.7~2.1g/cm3，拉伸强度一般在3.0~7.0GPa，拉伸模量200~680GPa，兼具材料的高性能和低比重，因而比强度、比模量极高，是当今轻质高强材料领域最优的品种。碳纤维复合材料分类如图1所示[1]。
图 1 碳纤维复合材料分类示意
碳纤维材料突出的力学性能、优异的综合特性、先进的应用技术，使其成为引领结构材料革命的典型代表，是典型的军民两用关键材料。已广泛应用于航天飞机、宇宙探测器、人造卫星、火箭与导弹、浓缩铀与原子弹等航空及军工领域，医疗器械、体育休闲器械等民用行业，飞机工业、汽车工业[2]、风力发电[3]、电缆、海洋油田、基础设施和土木建筑等一般工业领域,新能源和基础设施是最大的市场，而海洋油田是最大的潜在市场。聚丙烯腈基碳纤维是高性能纤维的典型代表。碳纤维是含碳量在百分之九十以上的无机纤维，具有强度高、模量高、耐高温、耐疲劳、耐摩擦、密度低、减震、抗辐射、热膨胀系数低等一系列优异性能。碳纤维的体密度仅为1.7~2.1g/cm3，拉伸强度一般在3.0~7.0GPa，拉伸模量200~680GPa，兼具材料的高性能和低比重，因而比强度、比模量极高，是当今轻质高强材料领域最优的品种；碳纤维呈各向异性，可编织，设计自由度大，深加工性能好，对装备复杂结构的适应性强；碳纤维材料减震性能优异，不易起震，起震后可迅速制震，表现出优异的震动衰减特性；碳纤维材料热膨胀系数小，制品的尺寸稳定性好，对环境条件骤变适应性强；碳纤维属于结构导电性材料，具有本征的导电导热性，使用过程中不会出现蓄热和过热现象；碳纤维主要由碳元素组成，生物相容性好，生理适应性强[4-11]。在国家的综合实力、国家军事实力以及工业产品的核心竞争力等方面，碳纤维正发挥着十分重要的作用。
1.2课题研究的意义
在聚丙烯腈碳纤维制备工艺流程中，PAN原丝的制备是其核心技术，PAN原丝的质量直接决定着最终碳纤维产品的质量、产量和生产成本。PAN原丝丝束的均匀性是评价PAN原丝质量的一个重要指标，聚丙烯腈喷丝头的结构则极大影响着其内部流场的均匀性。喷丝头中分布板和进料腔体的设计是喷丝头内部均匀流动的关键，具有重要的研究意义。
根据《2017年全球碳纤维行业供需格局及碳纤维行业市场需求分析报告》，到2020年全球碳纤维市场需求的年复合增速有望达10.0%。统计数据显示，2016年全球碳纤维的市场需求为7.65万吨，同比增长11.8%。根据预测，到2020年全球碳纤维市场总需求将达到11.2万吨，对应未来几年年复合增速约10.0%。从下游应用的行业分布来看，风电叶片、航空航天和体育休闲约占据总市场需求量的60%。2016年，风电叶片以1.8万吨的需求量取代航空航天成为全球碳纤维市场需求最大的领域[12]，增速高达50.0%。航空航天2016年市场需求较上一年增长10.0%，达1.76万吨。由此可见，碳纤维的市场前景十分广阔，对碳纤维制备工艺及设备的研究有重大意义。
1.3碳纤维的发展历史
1.3.1 碳纤维的国外发展历程
碳纤维的发现最找起源于18世纪中期，英国著名发明家斯旺与美国发明家爱迪生通过利用竹子以及纤维素制造了最早的碳纤维，并且将之用于电灯的灯丝中。直到上个世纪50年代，美国科学家开始对粘胶基碳纤维进行深入研究，并且于1959年生产出了Thormei-25粘胶基碳纤维。同年日本科学家藤昭男在全球范围内第一个发明了聚丙烯晴基碳纤维。1962年日本东丽公司开始从碳纤维原丝的角度进行研究，于1967年研制成功了T300聚丙烯晴机碳纤维。1966年，英国著名材料研究所，皇家航空研究所通过对碳纤维技术进行改良，从而研发了一套完整的高强度、高模量的PAN基碳纤维的全新途径，直到1969年，如本动力公司世界率先研发了特殊单体共聚而成的PAN基碳纤维原丝，并结合当时美国的碳纤维生产技术，生产出当时具备最高强度、模量的碳纤维。由此在世界范围内激发了研究碳纤维的浪潮。同期，美、德等国家也通过引进其他国家先进碳纤维技术自主进行原丝以及碳纤维的研发[13]。但从目前国际对碳纤维的研发以及生产实际情况来看，东丽公司依然是世界碳纤维研发与制造的领导者。
1.3.2国内碳纤维的发展历程
