电功和电热复习总结

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电功和电热复习总结 本文简介：第十五章电功和电热15.1.在物理学中，当电能转化为其它形式能时，叫说做了电功。例如电动机通电工作，是电能转化为机械能和内能；电烙铁通电发热，是电能转化为内能。电功公式：W=UItW=Pt(纯电阻W=I2RtW=U2t/R)15.2.焦耳定律：Q=I2Rt电炉在利用电流的热效应工作时，电炉丝热的发红

电功和电热复习总结 本文内容：

第十五章

电功和电热

15.1.在物理学中，当电能转化为其它

形式能时，叫说做了电功。例如电动机通电工作，是电能转化为机械能和

内能；电烙铁通电发热，是电能转化为内

能。电功公式：W=UIt

W=Pt(纯电阻W=I2Rt

W=U2t/R

)

15.2.焦耳定律：Q=I2Rt

电炉在利用电流的热效

应工作时，电炉丝热的发红，而它的导线却不怎么热，因为电

炉丝的电阻比导线的电阻大，因此电

炉丝的发热量远比导线多。热量的其它公式：Q=U2t/R

（当消耗的电能全部用来发热Q=W=UIt=Pt）

15.3.电功率是用电器在单位时间内所消耗的电

能。它表示电流做功快

慢的物理量。功率大

的用电器在单位时间内消耗的电能多

。公式：P=W/t。计算电功率的还有：P=I2R

P=U

2/R

P=UI

15.4.“PZ220-40”表示额定

电压为220V，额定

电

功率为40W，额定电流I额=P额/U额为0.1818A或0.2A或2x10-1A，电阻为R=U额2/P额为1210Ω；若将它接入110V的电路中，其实际电压为：U实=110V，

P实=U实2/R即1

0W，（电压减半，功率是原来的1/4），实际电流I实=P实/U实，其额定电功率仍为4

0W。

15.5.测定小灯泡的电功率原理：P=

UI，连接电路时开关必须断

开，闭合开关前，滑动变阻器的滑片必须放在最大

阻值处，实验中调节滑动变阻器使电压表的示数为额定

电压，使小灯泡正常

发光。若实验过程中闭合开关时，发现小灯泡特别亮，则可能原因是:

滑动变阻

器连入的阻值过小；若实验过程中闭合开关发现小灯泡不亮，电流表有示数，但电压表无示数，则可能原因是:灯

泡短路；若实验过程中闭合开关，发现小灯泡不亮，电流表无示数，但电压表有示数，则可能原因是:灯丝断

路。

15.6.电能表是测量电

功，记录用户消耗电

能的仪表。某电能表上标有2500R/Kw·h字样：表示用电器每消耗时该电能表的

转盘转过2500转。

15.7.电功的国际单位是J

，实用单位是Kwh，俗称：度

。某电能表上的计数器显示00316，读作31.6Kwh

，1Kw*h=3.

6x1

06J

1Kw·h的电能可以使“220V40W”的日光灯工作2

5h（P=W/t）

15.8.灯泡的亮暗取决于灯的实际电

率，灯在开亮的

瞬间容易烧坏，因为此时钨丝的温度低

，电阻

小，实际功率约额定功率的10倍。灯丝断了再搭接，灯的亮度将比原来更

亮，但使用时间不常，因为灯丝断了，

其长度

变短，电阻变小，而电压不

变，由P=U

2/R可知灯的实际

功率变大，所以灯更亮；但在搭接处电阻变

大，产生的热

量

变多，因此容易烧断。

中考链接

一、选择题：

1．电能表是测量用电器消耗电能的仪表，小华想验证他家电能表表盘上标注的每千瓦时的转数是否准确，于是，将标有“220V

3A”的用电器单独接入电路中，当该用电器正常工作5min后，电能表的转盘正好转了110R，则该电能表每千瓦时的实际转数应是

A．2400R

B．2000R

C．1500R

D．1200R

2.

关于电热和电功，以下说法正确的是（

）

A.

电流在电路中所做的功一定等于电热

B.

电流在电路中所做的功一定大于电热

C.

在电路中包含有电动机时，电流做的功将转化为机械能、内能，此时，电功必大于电热

D.

在电路中仅有电阻时，电功等于电热

3.照明电路的电压是220V，如果在某电灯并联接入一个大电炉，发现灯的亮度变暗，其原因是（

）

A.

干路上的电流减小了

B.

电炉从灯那里分出了部分电流

C.

干路中的电流变大，干路上导线分担电压增多

D.

干路上消耗的电压不变，但电灯两端的电压变小了

4、如图所示.电源电压为6V,R1=10Ω,R2=20Ω,R3=5Ω。自S1

合开关后，当S2

S3全部闭合和全部断开时，在相同的时间

电流通过R1产生的热量之比是

A.4：9

B.9：4

C.2：3

D.

3：2

5、（2007南通）如图所示电路中，A、B、C三烧瓶中分别装有等质量的水或煤油，瓶内电阻丝电阻的大小关系为RA>RB=RC，瓶中均插有同型号的温度计，则下列说法中正确的是（

）

A、闭合S3，断开S1、S2，可用于探究电热与电阻的关系

B、闭合S3，断开S1、S2，可用于比较不同液体的比热容

C、闭合S1、S2，断开S3，可用于探究电功与电流的关系

D、闭合S2，断开S1、S3，可用于探究电热与电阻的关系

二、填空题：

6、电烙铁是电器修理中的重要工具，使用中它把电能转化成

能；在熔化焊锡时，它是通过

方式使焊锡升温的。

7、某同学家的电能表本月末抄表时的示数如图所示，若本月应交电费45元，且电价为0.5元/度，则上次抄表时的示数应为

kWh；从本电能表面板上你还能看到哪些信息

(只要写出一条即可)。

8、一只电炉的电阻为48．4W，接在电压为220V的电路中工作，它的功率是_____W．电炉丝工作时热得发红，而连接电炉丝的导线却不怎么发热，其原因是____________________________。

9、照明电路中甲、乙两盏白炽灯均正常发光，甲灯比乙灯亮一些，则灯丝电阻较大的是

；若将这两盏灯串联在照明电路中，它们中较亮的是

灯.

物理量（单位）

数值

额定电压（V）

25

2h消耗的电能

（kw.h）

10、如图是一只灯泡的铭牌，将该灯泡接入家庭电路中正常使用2h。试根据有关信息填表。

三、解答题：

11、CFXB型“220V

1100W”电饭煲的原理图如图所示，它有高温烧煮和焖饭、保温两挡，通过单刀双掷开关S进行调节，R0为电热丝．当开关S接高温烧煮挡时，电路的功率为1100W，当开关S接焖饭、保温挡时，电路的总功率为22W．

（1）电饭煲在高温烧煮挡时，开关S应与哪个触点连接？

（2）电热丝R0的阻值多大？

（3）当电饭煲在正常焖饭、保温时电路中的电流多大？焖饭、保温10min，电热丝R0产生的热量为多少？

12.

如图所示是一个电热毯的示意电路图，是电热毯中的电阻丝，R是与电热毯电阻丝串联的电阻，电热毯上标有“220V

100W”字样，S是控制电热毯处于加热状态或保温状态的开关。

（1）用学过的公式推理说明开关S断开时，电热毯是处于加热状态还是保温状态？

（2）若要求在保温时电流通过电阻丝每分钟有60J的电能转化为内能，电阻R的阻值是多大？

电功与电热

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篇2：碳纤维电热管及培训材料

碳纤维电热管及培训材料 本文关键词：碳纤维，材料，培训，电热管

碳纤维电热管及培训材料 本文简介：碳纤维电热管的培训材料碳纤维是一种新型的高性能纤维增强材料，它具有高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电、导热和远红外辐射等诸多优异性能。它可以依复合材料形式减轻构件重量，从而提高构件的技术性能。现已广泛应用于航天航空、新型纺织机械、石油化工、医药器械、汽车、机械制造、建筑行业、

碳纤维电热管及培训材料 本文内容：

碳纤维电热管的培训材料

碳纤维是一种新型的高性能纤维增强材料，它具有高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电、导热和远红外辐射等诸多优异性能。它可以依复合材料形式减轻构件重量，从而提高构件的技术性能。现已广泛应用于航天航空、新型纺织机械、石油化工、医药器械、汽车、机械制造、建筑行业、文体用品、电信、电加热等高新技术领域。它的广泛应用将会极大的改变我们的生活方式和提高我们的生活质量。

用碳纤维复合的工程材料优于金属材料，其抗拉强度高于钢材于3～4倍；刚度高于2～3倍；耐疲劳性高于2倍；重量比钢材轻3～4倍；热膨胀小4～5倍。它的出现使纤维复合材料具有更广阔的发展和应用前景。

随着各种纤维材料增强技术逐渐变的与结构设计同样重要，碳纤维材料的发展过程先后引起了诸多发达国家和发展中国家的关注,才有了碳纤维材料今天大力发展的形势。在碳纤维材料的研究和开发过程中，科技工作者已经认识到，碳纤维材料是进入二十一世纪的最具诱惑的纤维增强材料。

一、碳纤维的分类及技术背景

碳纤维是以聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维为原丝，通过加热除去碳以外的其它一切元素制得得一种高强度、高模量纤维，它有很高的化学稳定性和耐高温性能，是高性能增强复合材料中的优良结构材料。

根据炭化温度的不同，碳纤维分为三种类型：

⒈普通型（A型）碳纤维

是指在900～1200℃下炭化得到的碳纤维。这种碳纤维强度和弹性模量都较低，一般强度小于107.7cN/tex,模量小于13462cN/tex。

⒉高强度型（Ⅱ型或C型）碳纤维

是指在1300～1700℃下炭化得到的碳纤维。这种纤维强度很高，可达138.4～166.1cN/tex，模量约为13842～16610cN/tex。

⒊高模量型（Ⅰ型或B型）碳纤维

又称石墨纤维，它是指在炭化后再经2500℃以上高温石墨化处理得到的碳纤维。这类碳纤维具有较高的强度，约为97.8～122.2cN/tex,模量很高，一般可达17107cN/tex以上，有的甚至高达31786cN/tex。

根据制作原料不同可分为4类：

1、聚丙烯腈（PAN）基碳纤维

作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有本征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代军民两用新材料，已广泛用于航空航天、交通、体育与休闲用品、医疗、机械、纺织等各领域。

美国联合碳化物公司（UCC）于1959年开始最早生产粘胶基碳纤维，五六十年代是粘胶基碳纤维的鼎盛时期，虽然目前已开始衰退，但是它作为耐烧蚀材料至今仍占有一席之地。1959年，日本研究人员发明了用聚丙烯腈（PAN）原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上，英国皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纤维时技术流程，使其发展驶入了快车道，PAN基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流。产量占世界总产量的90％左右。1974年，美国联合碳化物公司开始了高性能中间相沥青基碳纤维Thornel－P55的研制，并取得成功。目前Thornel－P系列高性能沥青碳纤维仍是最好的产品，这样就形成了PAN基、沥青基和粘胶基碳纤维的三大原料体系。

我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维，至今已有三十多年的历史。1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线，产品性能基本达到日本东丽公司的T200，国内也叫做高强Ⅰ型碳纤维。我国从“六五”开始研制高强Ⅱ型碳纤维（相当于T300），但历经20年，产品性能指标仍未达到T300标准，至今仍处于中试放大阶段。

PAN基碳纤维因其具有的高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点，在与其他纤维的竞争中发展壮大。目前世界主要聚丙烯腈（PAN）基碳纤维生产厂家的总生产能力已达到31650吨的规模，仅次于芳纶，跃居世界高性能纤维的第二位。

聚丙烯腈（PAN）基碳纤维有两大类，即大丝束碳纤维（LT）和小丝束碳纤维（CT）。20世纪90年代中期以前世界上生产的都是CT型碳纤维。1996年美国在LT型碳纤维技术上取得重大突破并进行了工业化生产，生产出位伸强度可以与CT型碳纤维相媲美的LT型碳纤维，逐渐取代了原来由CT型碳纤维独占的军事国防、航空航天、体育休闲等应用领域，进而广泛地向其他领域渗透和发展。

LT型碳纤维与CT型碳纤维相比，有下列两方面优势：一是LT型碳纤维可以采用民用聚丙烯腈丝作为制造碳纤维的原丝，而民用聚丙烯腈丝作为普通化工品可以在国际市场自由购买。CT型碳纤维生产需用高性能特种原丝，这种原丝制备技术是CT型碳纤维生产的关键技术，日本、美国等主要生产公司长期以来不但对高性能特种原丝制备技术高度保密、不肯转让，而且也不出售高性能特种原丝产品，这就使CT型碳纤维长期垄断在少数日、美公司手中。LT型碳纤维技术的进展，打破了一直由少数日、美公司垄断的局。二是民用聚丙烯腈丝的价格的25％，而通常原丝价格约占制备碳纤维的性能价格比远远高于CT型碳纤维。

世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓尔泰克（ZOLTEK）、阿克苏（AKZO）、阿尔迪拉（ALDIL1）和德国的SGL公司等。其中日本三大集团占世界生产能力的75％。世界CT型碳纤维总生产能力为22100吨/年；LT型碳纤维总生产能力为9550吨/年；实际生产量约为7000吨/年。

现在PAN基碳纤维在国外获得应用的主要领域有：航空航天工业，地面交通工具，如汽车、赛气、快速列车等，造船工业、码头和海上设施，体育用品与休闲用品，电子产品，基础设施以及造纸、纺织、医疗器械、化工、冶金、石油、机械工业等领域，要求零部件在高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作。

2、粘胶基炭纤维(Rayon

Carbon

Fiber)

18世纪中期，英国人约瑟夫.斯旺(J.Swon)

和美国

人爱迪生

(E.Tdisin)

利用棉、竹等天然纤维素经过一系列后处理制造炭丝，试制电灯的

灯丝。世界上第一盏电灯的灯丝就是用爱迪生制造出的炭丝。之后，由于发明了钨丝的制造

方法，它更有效地将电能转换为光能，且使用寿命长，一直沿用至今。从此，炭丝的研制工

作停顿下来，无人问津。但是，斯旺和爱迪生发明的粘胶炭丝制造方法为后人继续研制粘胶

基炭丝奠定了基础，他们无愧是研制炭纤维的先驱。

本世纪50年代初，随着冷战和新一轮军备竞赛开始，航天航空和军事工业等尖端技术得到

迅猛发展，人们寻求具有高比强度、高比模量和耐烧蚀等特性的新型材料，它为炭纤维的

发展提供了良机。炭纤维的研究与开发又引起各国的极大关注。1950年，美国帕斯空军基地

开

始研制粘胶基炭纤维，与此同时美国联合碳化物公司(UCC)也投入大量人力、物力和财力进

行开发，最早上市商品化炭纤维

Thornel-25就是该公司的第一代产品。50年代～60年代

，是粘胶基炭纤维发展的鼎盛时期。之后，随着PAN基、沥青基炭纤维的相继问世和强劲发

展，粘胶基炭纤维工业受到很大冲击，逐步萎缩，但仍保留着小规模的生产能力。前苏联在

70年代初开始研制粘胶基炭纤维，目前无论是质量、产量、品种和应用都居世界之首。当前

世界上研究和生产粘胶基炭纤维的主要国家有俄罗斯、白俄罗斯、乌克兰、美国、印度和中

国，粘胶基炭纤维总产量仅占世界炭纤维总量V/的1%左右。

生产粘胶基炭纤维的原料主要有木浆和棉浆。美国、俄罗斯和白俄罗斯采用木浆，我国则

以棉浆为主。天然纤维素浆粕配制成纺丝液，用湿法纺制成粘胶连续长丝。粘胶纤维经水洗

和浸渍催化剂后，再经预氧化和炭化工序就可转化为炭纤维。浸渍催化剂和预氧化处理是制

造粘胶基炭纤维的重要工序，是由有机纤维粘胶丝转化为无机炭纤维的关键所在。

纤维素的基本链节单元是β-D-葡萄糖，通过1，4-苷键相连接成线型大分子。它的结

构单元中有三个羟基，即一个伯羟基和两个仲羟基，分别在6.2.3三个碳原子上，赋予其较

强的吸水(湿)性，而1，4-苷键则是热裂(解)的基础。在热处理过程中，未脱掉羟基的链节

转化为左旋葡萄糖，进一步再转化为焦油；脱掉羟基的链节则向碳四残链(片)转化，

进一步

转化为乱层石墨结构。浸渍催化剂处理后，由于可降低热解活化能，强化了脱除羟基过程，

从而抑制了左旋葡萄糖的生成，有利于提高炭化收率和粘胶基炭纤维的性能。目前，新的催

化体系、高效催化体系和功能催化体系仍在继续研究，一旦有所突破将促进粘胶基炭纤维的

发展。

粘胶基炭纤维在结构和性能上有许多独道之处，其它种类炭纤维无法与其比拟，因而

不

会被彻底淘汰出局。它的独特性能主要表现在：比重小，一般比PAN基、沥青基小15%左右，

所制复合材料的结构轻量化效果更显著；属于难石墨化炭，类似玻璃炭，层间距d002大，石墨微晶不发达，排列紊乱、取向度低、强度低、模量低、伸度大，属于大伸长型炭纤维，韧性好，易深加工；碱、碱土金属含量低，抗氧化和热稳定好，

耐

烧蚀；它由天然纤维素转化而来，生物相容性好，这也是其它类型炭纤维无法与其比拟的。

由于粘胶基炭纤维具有上述特性，在某些领域得到广泛应用。

粘胶基炭纤维主要应用于以下几个方面：(1)战略武器方面的应用。美国和俄罗斯把粘胶

炭

纤维增强酚醛树脂复合材料用于战略武器的隔(防)热材料，利用了粘胶基炭纤维耐烧蚀的特

性和酚醛树脂残碳量高、焦化强度高和发烟量少的性能，两者的性能叠加，使其复合材料的

综合性能优异无比，成为当今仍是不可取代的防热材料。美国和俄罗斯仍保留有年产百吨级

粘胶基炭纤维的生产能力，原因就在于此。(2)隔热保温材料。材料的热导率与其密度成正

比，低密度的粘胶炭纤维赋予其优异的隔热保温性能。此外，炭材料靠晶格波传热，它的La

较小，也使其具有隔热保温性能。软式和硬式炭毡作为隔热保温材料已得到广泛应用。(3)

各类加热器。利用粘胶基炭纤维的导电性和柔软可加工性来制造各类加热器材。炭纤维、炭

带、炭布和炭纸都可作为发热元件，可与橡胶、塑料、无机绝缘材料

复合制造各种形状、不同功率、不同用途的加热器材。俄罗斯在这方面的应用开发相当成功

，值得我们借鉴。(4)医用生物材料。利用粘胶基炭纤维与生物的相容性制造医用生物材

料，如医用电极和探头、韧带，骨夹板和假骨。值得一提的是外伤包扎带(绷带)，已在俄罗

斯等国得到实际应用，是值得研制和推广的项目。此外，粘胶基炭纤维经活化处理后可制得

活性炭纤维，柔软性和可深加工性也是无比优异的。

粘胶基炭纤维能否东山再起?取决于它的系统工程创新。

3、沥青基炭纤维(Pitch

Based

Carbon

Fiber)

沥青基炭纤维是以燃料系或合成系沥青原料为前驱体，经调制、成纤、烧成处理而制成的纤维状炭材料。沥青炭纤维在20世纪60年代初由日本学者大谷杉郎首先研制成功，并于1970年由日本吴羽化学工业公司进行工业化生产。此后，由于碳质中间相的发现和“液相炭化”工艺的开发，特别是美国学者Singe等人在70年代用中间相沥青制造高性能连续沥青炭纤维工艺的开发成功，使沥青炭纤维的研究开发进入了一个新的阶段。由美国联合碳化物公司(UCC)制造的以“Thornel-P”为代表的高性能级沥青炭纤维问世，标志着沥青炭纤维工艺趋于成熟，成为继聚丙烯腈基炭纤维之后又一新型炭纤维材料。

煤及石油加工副产物以及合成沥青均可作为沥青炭纤维的原料。沥青调制是沥青炭纤维制造中的一项重要工艺步骤，原料沥青经热致和溶致等主要调制手段，得到的调制沥青可作为纺丝沥青。调制成的纺丝用沥青原料，因其调制方法的不同而呈不同的特性，一般分为两类，即①普通纺丝用沥青(各向同性沥青)，②高性能纺丝用沥青(中间相或潜在中间相型沥青)。沥青调制处理是使调制成的沥青的组成结构尽量整齐均匀的处理工艺。因为用于熔融纺丝的这种调制沥青，决定着沥青的可纺性、热稳定性、流变特性以及炭化收率等性状，并关系到由其制成的炭纤维的性能。原料来源不同，其调制将会涉及到多项化学化工技术，诸如沥青的氧化、氢化、树脂化、晶质化等方法。普通沥青基炭纤维的纺丝用原料调制工艺比较简单，一般是将原料沥青的杂质微粒(〉4

μm)去除后经加热处理，制成软化点180

℃以上的沥青，即可作为纺丝用沥青。具有高强度、高模量的高性能连续沥青基炭纤维，其纺丝用原料的调制比较复杂，原料沥青须经过一系列预处理除去杂质，精制，再在调整压力下加热处理，使其中的稠环芳烃分子缩合成中间相小球，并进一步融并成具有可纺性的中间相体，以此作为纺丝用沥青。近年来又开发出以纯芳烃(如萘)缩聚的合成沥青为原料，也取得良好的效果，并已在日本实现工业化生产。

调制得到的纺丝用沥青，可应用熔融纺丝原理纺成沥青纤维。一般普通纺丝用沥青纺成短毛型纤维或直接成毡，所用的成纤方法有涡流纺、喷纺、离心纺等。高性能纺丝用沥青多纺成连续沥青长丝，大体上可采用化纤纺丝设备进行连续长纤维纺制。由于沥青的冷脆特性，在长丝纺制过程中，对沥青长丝的集束、上油、牵伸等工艺操作步骤，要求十分严格，必须精细控制。纺得的沥青纤维，其截面依喷丝孔形状而定，一般为圆形，也有三叶形(Y)，十字形(+)等非圆截面，还可纺成空心的中空纤维。

纺成的沥青纤维，经过不熔化、炭化、石墨化等热处理，分别得到沥青的不熔化纤维、炭纤维或石墨纤维。

沥青纤维的不熔化处理，在氧化性气氛中进行，最高处理温度约330

℃左右。在此过程中沥青大分子间通过氧化交联等反应，使沥青纤维转变为不熔化纤维，由此保持纤维形态。炭化是在惰性气氛中进行，通常处理温度为1000

℃～1500

℃左右，使不熔化沥青纤维排除非碳原子形成沥青炭纤维。炭纤维的石墨化处理，通常是在2500

℃左右的惰性气氛中进行，促进沥青多环芳烃分子沿纤维轴定向，以提高纤维的弹性模量等力学性能和导电、导热性。

由沥青制造的炭纤维，根据工艺条件的差异，可呈现不同的物化特性。从力学性能上比较，可以分成普通级(GP)、高性能级(HP)，以及介于GP与HP之间的中等性能级等几类。普通沥青基炭纤维(GP-PCF)为光学上各向同性的炭纤维，力学性能较低；高性能沥青基炭纤维(HP-PCF)则为光学各向异性的炭纤维，抗拉强度和模量等力学性能很高。这种物性上的差异，主要在于后者纺丝用的调制沥青为中间相或潜在中间相型沥青。

高性能级沥青炭纤维，可与PAN基炭纤维媲美，用于航天、航空及高级运动器材；普通级沥青炭纤维则在民用工业中具有广泛用途，如用作隔热材料、磨耗制动材料、耐腐蚀材料、导电和屏蔽材料、音响材料等等，尤其在建筑材料方面作为水泥增强材料，用量很大，令人瞩目。

尽管沥青基炭纤维具有原料便宜、碳收率高、易制得超高模型炭纤维等优点，然而，要得到高性能炭纤维，其加工过程复杂，难以获得高抗拉强度和压缩强度。因此，虽在80年代有较快发展，但至今仍不能取代聚丙烯腈基炭纤维的主导地位，只是由于其具有某些其它种类炭纤维无法比拟的特性而进行一定量的生产。

4、气相生长碳纤维(VAPOR

GROWN

CARBON

FIBER)

早在上个世纪末，人们在研究烃类热裂解及一氧化碳岐化反应时，就已发现，在催化剂表面生成的结炭中也有炭丝(CF)共存，这是气相生长炭纤维(VGCF)的最早发现。但采用催化剂有目的地研制这种纤维状炭，则是近1/4世纪以来的事。日本信州大学小山恒夫教授最早研制这种CF，他在制备半导体材料过程中，发现在有铁粒子催化剂存在的基板上，总能生长出这种CF，受此启发，他把注意力转到了“以炭纤维制备为中心的气相生长及其应用”上。从70年初开始进行了大量探索工作，发表了一系列研究报告和相关资料，并以气相生长炭纤维(Vapor

Grown

Carbon

Fiber)命名这种纤维状炭。此后，日本等一些国家的科研院所，也相继研发了此类纤维，从制备技术、生长机理、结构特征、性能和应用等方面，进行了大量试验研究，取得了长足进展。VGCF的这种称谓也获国际认可，并认定它是一种很有发展前途的，高性能、高附加值的非连续短微型炭纤维。VGCF的成功研发，使长期以来由PAN等有机系炭纤维(OPCF)主导的炭纤维领域，增添了新的“了不起的”(大谷语)成员，显示出下世纪新材料的绚丽前景。

以低碳烃为原料(碳源)，在还原性载气(H2)氛围中高温热解，通过(Fe,Ni等)过渡金属的超细微粒为晶核的特殊催化作用，可直接生成VGCF。反应温度800℃～1

300℃，硫及其氢化物的适量添加，可增进VGCF的密生程度，是VGCF制备中的添加物。制备方法分为：基板晶种法和浮游催化法。前者是将催化剂微粒(Fe粒子)散布于(石墨、陶瓷等)基板上，加热升温至反应温度(1000℃以上)，碳源(苯等)蒸气随载气(H2)连续导入反应区，进行热解，缩聚，在金属微粒催化作用下，热解生成的碳“种子”(CmHn)在催化微粒端侧生长出VGCF。早期的VGCF制备，多用此法，可制出较长的(长达300

mm)，纤径数微米至数十微米的VGCF。但这种方法工艺性差，难以批量制取。鉴此，开发了“拼弃生长基板的”浮游催化法。此法应用二茂铁(Ferrocene)等有机金属化合物为前驱体，经热解生成金属铁微粒，在反应空间分散浮游，起催化剂作用，使裂解的碳“种子”催化成纤，

生成VGCF。

用这种制备方法，

可以1

mm/s～3

mm/s.的长速，快速生成直径数纳米至数微米的VGCF。碳源转化成纤率达60%以上。VGCF的制备具有独特优势：即①制备工艺简单，无需纺丝、预氧化、炭化等OPCF制造所必需的工艺步骤，可以直接由廉价的低碳烃类通过高温热解，催化生成炭纤维。可实施无人操作的连续化自动制造。②纤经调控范围较宽(0.01μ～数微米)，适于制取超细纤维，获取高结晶取向性的超高强度、超高模量的超高性能炭纤维。因此浮游催化法制备VGCF具有量产化潜力，现在已处在工业化前夕，年产数百吨规模的建厂生产，已在筹划中。

VGCF是碳原子以SP2(石墨和富勒烯)为内层排列的晶态结构，外层为热解炭叠层。总体呈树木年轮状的同心圆中空结构。这种组织构形，赋予了VGCF的优良物化特性，其各项性能均优于同类级的OPCF。因此被认为是超高性能CF。通过催化剂的选用(如采用Ni基催化剂微粒)或调控金属催化剂微粒径(控成纳米级粒径)可形成螺旋状(弹簧管)炭，或单层炭管(纳米炭管)，这些VGCF的系列制品都是性能优良、用途广泛的分子级材料、VGCF的高导电性、高导热性、核屏蔽性、高耐热性、生体亲和性等特性，使它适作各种功能材料，广泛用作贮能(贮H2等)、核堆(屏蔽材)、医疗(人工脏器)、机电(超微电器)等材料。而其的优良力学性能、极高的长径比、对基质的良好相容性及轻量特性，特别适于用作各种复合材料的增强剂，成为汽车、船舶、航天器、运动器件、高层建筑、超微型机械等工业的理想材料。VGCF-新世代新材料，亟需大力发展。

二、碳纤维的发展及现在的主要生产公司

90年代中期以后，碳纤维市场发展很快，在某种程度上反映出碳纤维供不应求，市场短缺。80年代对碳纤维及其复合材料的发展曾作了过分乐观的预测，但随“柏林墙的拆除”和“海湾战争”的结束，国防军工和高技术对碳纤维的需求相对萎缩，远远比预测要少得多。90年代初期对碳纤维的需求不但没有增长反而下降，因此，对碳纤维工业和复合材料工业的投资大大减少，造成这一段时间世界碳纤维生产能力没有太大的增长。1994年以后，由于航天航空、体育休闲用品和工业应用对碳纤维的需求大幅度增加，超过当时所有碳纤维设备的生产能力，造成世界市场碳纤维的短缺。90年代中期以后，碳纤维生产厂商都投入大量资金建设新的碳纤维生产线，扩大碳纤维生产能力。据统计，世界各国对碳纤维工业的投资截止到1999年底将达到10亿美元。新的碳纤维生产线和新增碳纤维生产能力主要包括:

·日本东丽公司分别在日本爱媛(Ehime，Japan)和美国亚拉巴马州地开土(Decatur，Ala)建立两条碳纤维生产线。每条碳纤维生产线的生产能力为每年800吨，计划在1998年和1999年建成。建成后，东丽公司碳纤维生产能力达到每年7300吨。

·日本东邦公司对田纳克丝(Tenax)扩大990吨碳纤维生产能力，在日本密西玛(Mishima，Japan)扩大200吨碳纤维生产能力，1998年东邦公司的碳纤维生产能力达到每年5100吨。

·日本三菱人造丝公司把在日本托姚哈西(Toyohashi)的碳纤维生产能力增加一倍，达到每年平均400吨，这包括在美国加利福尼亚州萨克拉门托(Sacramento，Calif)年产约700吨的生产能力。

·美国阿莫科(Amoco)公司在南卡罗来纳格林佛尔(Greenville，S.C)和岩石山(Rock

Hill.S.C)各有一条碳纤维生产线，1998年有生产1900吨12K和24K宇航级碳纤维的能力。

·在美国加利福尼亚州普里圣多(Pleasanton

Calif)的海克塞尔公司把在亚拉巴马州地开土(Decatur，Ala)聚丙烯腈原丝的生产能力扩大了一倍，把在犹他州盐湖城(Salt

Lake

City，Utah)碳纤维生产能力增加20%，这样海克塞尔公司的碳纤维生产能力自1998年达到每年2000吨。

·阿克苏诺贝尔公司在美国田纳西州诺克丝佛尔(Knoxville，Tenn)增加一条年产1400吨大丝束碳纤维生产线，和其他两家生产线加在一起，总生产能力达到每年4850吨。

·卓尔塔克公司(Zoltek

Corp)1998年生产能力为3800吨，其中包括约1100吨预氧纤维。该公司的目标是要在2000年达到1.8万吨大丝束碳纤维的生产能力。在1997年增加了五条碳化生产线，本世纪还要建立31条碳纤维生产线，每条生产线的生产能力为每年450吨，卓尔塔克公司并计划在3～5年内把大丝束碳纤维价格降到每磅5美元。

·SGL碳纤维公司收购了在英国苏格兰的RK碳纤维公司，在美国北加里纳州沙菲特扩大碳纤维生产能力。1998年碳纤维生产能力扩大到每年2800吨。

·在美国加利福尼亚州，圣地亚哥(San

Diego，Colif)阿尔笛拉公司(Aldila)，1997年在加州波威(Poway，Calif)建立了阿笛拉材料工艺公司(Aldila

Matorials

Techrology

Corp)生产碳纤维/环氧预浸料生产线;1998年在怀俄明州爱文思东(Evanston，Wyoming)建立了50K大丝束碳纤维生产线，年产约1100吨。

由此可见，到2000年世界碳纤维的生产能力将获得很大发展。国际上碳纤维各界知名人士预测，以这样的高速度发展，用不了几年，世界碳纤维生产能力将很快超出对它的需求量。因此，对碳纤维的市场与需求的预计是:近期碳纤维呈现短缺不足，但几年后就会变成供过于求。

三、碳纤维毡的简介

碳纤维毡是将基材经1000℃高温碳化后形成的一种高碳纤维材料，按原料来分，可分为粘胶基碳纤维毡、聚丙烯腈基碳纤维毡及混合毡等。碳纤维毡的应用范围非常广泛：

①高温炉的隔热保温材料，它是目前唯一可在2000-3000度高温下使用的隔热材料。

②C/C复合材料的增强材料。

③高温过滤材料和腐蚀性液体的过滤材料

④导电材料、电极。

⑤抗静电材料。

基于碳纤维毡优良的电特性，我们研制开发了碳纤维电热管。

四、碳纤维电热管介绍：

碳纤维发热体是本世纪最具竞争力的高科技材料，它的出现在电热领域掀起了一场新的革命，碳纤维发热体替代金属发热体将成为一种必然的趋势。

1、产品简介

本产品发热体基材是美国进口毡体，具有功率余量大、耐高温、高热能力强、使用寿命长、且功率可随意调节等优点。碳纤维石英电热管产品，符合GB/T2423.3-1993电子电工产品基本环境实验规规程，试验Ca:恒定湿热实验方法及GB4706.1-1992家用和类似电器的安全通用要求。

2、产品性能特点

（1）、电气性能稳定

碳纤维石英电热管，在频繁启动、关闭和长期连续工作中，功率稳定在一定公差范围之内，不会产生任何的瞬间功率冲击。

（2）、热效率高，比一般金属发热体节能30%以上,升温速度极快

碳纤维发热体是一种纯黑体材料，因此具有升温迅速、热滞后小、发热均匀、热辐射传递距离远、热交换速度快等特点。工作过程中光通量远远小于金属发热体的电热管，电热转换效率高达98%以上（也就是说你用1000W的普通电热管，用碳纤维电热管的时候只需要700W），打开电源后升温速度奇快，在1~2秒时机体已经感到烫手，5秒钟表面温度可达300-700度。

表一：碳纤维石英电热管与其他电热管光通量的对比

序号

检验项目

单

位

检

验

结

果

功率

碳纤维复合型毡体

石墨

金属

1

总光通量

400w

Lm

0.50

1.10

68.2

2

600w

3.70

7.35

228.0

3

800w

12.6

26.3

712.9

4

1200w

85.5

140.5

2302.5

（3）、远红外和实用性集于一身

碳纤维石英电热管的能量发射方式是以远红外辐射为主，其中远红外辐射效率达到了80%以上，达到了目前为止其他的远红外电热管所望尘莫及的地步。特别是针对了工业远红外设备的应用，优越的性能，超凡的品质在您的设备卖点上又步了了一个新的阶段。

（4）、使用寿命长

碳纤维石英电热管，其寿命≥6000小时以上，在频繁启动、关闭和长期连续工作中，发热体无氧化和击穿现象，发热光色均匀、管壁内外清洁。

（5）、产品特性

与金属发热体不同，碳纤维本身的特性，它完全避免了电磁场的产生。在烤漆设备上应用避免了传统方式漆的表面凹凸不平的现象，使质量品质得到进一步提高。

3、主要技术参数（表二）

项

目

技

术

参

数

项

目

技

术

参

数

电压（V）

100v

；110v

220v

；230v

工作温度（℃）

≤1300℃

远红外辐射转化效率（%）

≥80%

最高发热温度（℃）

700-1300℃

节能率（%）（比同种功率的钨钼材料发热体）

≥30%

功率（W）

垂询

远红外发射率（%）

≥86%

电源频率（Hz）

50Hz-60Hz

电热转化效率（%）

≥98%

泄漏电流（A）

≤0.25mA

电气绝缘强度

1500V/1min无异常

4、产品规格

外形

电压（v）

功率（w）

长度（mm）

直径Φ（mm）

直型

110v;100v;220v;230v

根据客户要求

圆型

U型

我公司完全可根据客户的要求生产客户所需的碳纤维石英电热管（电热管长度、形状、直径、电压、功率等）。

5、产品的应用范围

本产品广泛应用于取暖电器、烤箱烤炉烤漆设备、烘干设备、远红外烘干隧道等等。

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