碳纖維材料【專業(yè)教育】

1、碳纖維材料,061210210 孫豪,1,正式稿件,組成結(jié)構(gòu),1,碳纖維材料,2,正式稿件,組成結(jié)構(gòu),碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維各層面間的間距約為3.39到3.42A，各平行層面間的各個碳原子，排列不如石墨那樣規(guī)整，層與層之間借范德華力連接在一起。 通常也把碳纖維的結(jié)構(gòu)看成由兩維有序的結(jié)晶和孔洞組成，其中孔洞的含量、大小和分布對碳纖維的性能影響較大。 碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模

2、量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維,3,正式稿件,化學性質(zhì),2,碳纖維材料,4,正式稿件,化學性質(zhì),碳纖維是一種纖維狀的碳素材料。我們知道碳素材料是化學性能穩(wěn)定性極好的物質(zhì)之一。碳纖維的化學性質(zhì)與碳相似，它除能被強氧化劑氧化外，對一般堿性是惰性的。在空氣中溫度高于400時則出現(xiàn)明顯的氧化，生成CO與CO2。碳纖維對一般的有機溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性，不溶不脹，耐蝕性出類拔萃，完全不存在生銹的問題?？梢哉J為在普通的工作溫度250環(huán)境下使用，很難觀察到碳纖維發(fā)生化學變化。根據(jù)有關(guān)資料介紹，從碳素材料的化

3、學性質(zhì)分析，在250環(huán)境下，碳素材料既沒有明顯的氧化發(fā)生，也沒有生成碳化物和層間化合物生成,5,正式稿件,3,碳纖維的物理特性,碳纖維材料,6,正式稿件,碳纖維是高級復(fù)合材料的增強材料，具有輕質(zhì)、高強、高模、耐化學腐蝕、熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)點。 一、輕質(zhì)、高強度、高模量 碳纖維的密度是1.6-2.5g/cm3，碳纖維拉伸強度在2.2Gpa以上。因此，具有高的比強度和比模量，它比絕大多數(shù)金屬的比強度高7倍以上，比模量為金屬的5倍以上。由于這個優(yōu)點，其復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、運動器材等,7,正式稿件,二、熱膨脹系數(shù)小 絕大多數(shù)碳纖維本身的熱膨脹系數(shù)，室內(nèi)為負數(shù)（-0.5-1.6）

4、10-6/K，在200400時為零，在小于1000時為1.510-6/K。由它制成的復(fù)合材料膨脹系數(shù)自然比較穩(wěn)定，可作為標準衡器具。 三、導(dǎo)熱性好 通常無機和有機材料的導(dǎo)熱性均較差，但碳纖維的導(dǎo)熱性接近于鋼鐵。利用這一優(yōu)點可作為太陽能集熱器材料、傳熱均勻的導(dǎo)熱殼體材料,8,正式稿件,四、耐化學腐蝕性好 從碳纖維的成分可以看出，它幾乎是純碳，而碳又是最穩(wěn)定的元素之一。它除對強氧化酸以外，對酸、堿和有機化學藥品都很穩(wěn)定，可以制成各種各樣的化學防腐制品。我國已從事這方面的應(yīng)用研究，隨著今后碳纖維的價格不斷降低，其應(yīng)用范圍會越來越廣。 五、耐磨性好 碳纖維與金屬對磨時，很少磨損，用碳纖維來取代石棉制成

5、高級的摩檫材料，已作為飛機和汽車的剎車片材料,9,正式稿件,六、耐高溫性能好 碳纖維在400以下性能非常穩(wěn)定，甚至在1000時仍無太大變化。復(fù)合材料耐高溫性能主要取決于基體的耐熱性，樹脂基復(fù)合材料其長期耐熱性只達300左右，陶瓷基、碳基和金屬基的復(fù)合材料耐高溫性能可與碳纖維本身匹配。因此碳纖維復(fù)合材料作為耐高溫材料廣泛用于航空航天工業(yè)。 七、突出的阻尼與優(yōu)良的透聲納 利用這二種特點可作為潛艇的結(jié)構(gòu)材料，如潛艇的聲納導(dǎo)流罩等,10,正式稿件,八、高X射線透射率 此特點已經(jīng)在醫(yī)療器材中得到應(yīng)用。 九、疲勞強度高 碳纖維的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，制成的復(fù)合材料，經(jīng)應(yīng)力疲勞數(shù)百萬次的循環(huán)試驗后，其強度保留率仍有60

6、%，而鋼材為40%，鋁材為30%，而玻璃鋼則只有20%-25%.因此設(shè)計制品所取的安全系數(shù)，碳纖維復(fù)合材料為最低,11,正式稿件,碳纖維的分類,4,碳纖維材料,12,正式稿件,碳纖維按原料來源可分為聚丙烯腈基碳纖維、 瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維,13,正式稿件,根據(jù)絲束大小可分為： 大絲束 工業(yè)級 每束碳纖維的根數(shù)等于或大于46000-48000根。 一般指48480K 價格便宜,小絲束 宇航級 每束碳纖維的根數(shù)小于或等于24000根。 一般指124K 價格較高,14,正式稿件,按力學性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強度為1000兆帕、模量為100G帕左右。

7、高性能型碳纖維又分為高強型（強度2000兆帕、模量250G帕）和高模型（模量300G帕以上）。強度大于4000兆帕的又稱為超高強型；模量大于450G帕的稱為超高模型,15,正式稿件,碳纖維原絲企業(yè),5,16,正式稿件,就全球碳纖維產(chǎn)能來看，前 5大碳纖維生產(chǎn)企業(yè)市場占有率達到 60%以上，其中 Toray 產(chǎn)能占比 18,全球前 5 大碳纖維生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能占比 61,全球小絲束碳纖維行業(yè)集中度,17,正式稿件,主要碳纖維企業(yè)產(chǎn)品領(lǐng)域,18,正式稿件,19,正式稿件,日本的碳纖維技術(shù),20,正式稿件,碳纖維的制備工藝,5,21,正式稿件,碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經(jīng)碳化

8、制得。應(yīng)用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。由聚丙烯腈纖維原絲制得的高性能碳纖維，其生產(chǎn)工藝較其他方法簡單，產(chǎn)量約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%以上。碳纖維的制造包括纖維紡絲、熱穩(wěn)定化（預(yù)氧化）、碳化、石墨化等4個過程。其間伴隨的化學變化包括，脫氫、環(huán)化、預(yù)氧化、氧化及脫氧等,22,正式稿件,第二、預(yù)氧化（聚丙烯腈纖維200到300）、不融化（瀝青200到400）或熱處理（粘膠纖維240），以得到耐熱和不熔的纖維，酚醛基碳纖維無此工序,第一、原絲制備，聚丙烯腈和粘膠原絲主要采用濕法紡絲制得，瀝青和酚醛原絲則采用熔體紡絲制得。制備高性能聚丙烯腈基碳纖維需采用高純度、高強度和質(zhì)量均勻的聚

9、丙烯腈原絲，制備原絲用的共聚單體為衣康酸等。制備各向異性的高性能瀝青基碳纖維需先將瀝青預(yù)處理成中間相、預(yù)中間相（苯可溶各向異性瀝青）和潛在中間相（喹啉可溶各向異性瀝青）等。作為燒蝕材料用的粘膠基碳纖維，其原絲要求不含堿金屬離子,23,正式稿件,第三、碳化，其溫度為：聚丙烯腈纖維1000到1500，瀝青1500到1700，粘膠纖維400到2000。 第四、石墨化，聚丙烯腈纖維為2500到3000，瀝青2500到2800，粘膠纖維3000到3200。 第五、表面處理，進行氣相或液相氧化等，賦予纖維化學活性，以增大對樹脂的親和性。 第六、上漿處理，防止纖維損傷，提高與樹脂母體的親和性。所得纖維具有各

10、種不同的斷面結(jié)構(gòu),24,正式稿件,碳纖維復(fù)合材料成型工藝,7,25,正式稿件,預(yù)浸料是用樹脂基體在嚴格控制的條件下浸漬連續(xù)纖維或織物，制成樹脂基體與增強體的組合物，是制造復(fù)合材料的中間材料。由碳纖維紗、環(huán)氧樹脂等材料，經(jīng)過涂膜、熱壓、冷卻等工藝加工而成的復(fù)合材料稱為碳纖維預(yù)浸料。用預(yù)浸料-熱壓罐工藝生產(chǎn)碳纖維制造復(fù)合材料，要先將碳纖維浸溶在樹脂溶劑里，進行鋪疊成型。接著經(jīng)過模具工裝進行表面組裝固定，在部件接觸面貼膠。其后進熱壓罐100-130度固化，并通過緊固成為成品構(gòu)件。在預(yù)浸料-熱壓罐工藝中，預(yù)浸料的手工鋪疊是人工成本和人工時間消耗最大的一個環(huán)節(jié)，這種工藝的速度慢、質(zhì)量低、時間長、人工成本

11、高。因此，鋪疊自動化，就成為這個工藝中最講究的部分。如果說，預(yù)浸料-熱壓罐是航空復(fù)材生產(chǎn)工藝的皇冠，那么鋪疊環(huán)節(jié)的自動化工藝，就是這個皇冠上最耀眼的那顆鉆石。目前，業(yè)界對手工鋪疊改進的方式主要有手工自動鋪疊、自動鋪絲、自動鋪帶三種,26,正式稿件,1、模壓法。這種方法是將早已預(yù)浸樹脂的的碳纖維材料放入金屬模具中，加壓后使多余的膠液溢出來，然后高溫固化成型，脫膜后成品就出來了，這種方法最適合用來制作汽車零件。 2、手糊壓層法。將浸過膠后的碳纖維片剪形疊層，或是以便鋪層一邊刷上樹脂，再熱壓成型。這個方法可以隨便選擇纖維的方向、大小和厚度，被廣泛使用。注意的是鋪層后的形狀要小于模具的形狀，這樣纖維在

12、模具內(nèi)受壓時就不會撓曲。 3、真空袋熱壓法。在模具山疊層，并覆上耐熱薄膜，利用柔軟的口袋向疊層施加壓力，并在熱壓灌中固化。 4、纏繞成型法。將碳纖維單絲纏繞在碳纖維軸上，特別適用于制作圓柱體和空心器皿。 5、擠拉成型法。先將碳纖維完全浸潤，通過擠拉除去樹脂和空氣，然后在爐子里固化成型。這種方法簡單，適用于制備棒狀、管狀零件,27,正式稿件,28,正式稿件,8,應(yīng)用領(lǐng)域,碳纖維材料,29,正式稿件,碳纖維三腳架,碳纖維自行車,碳纖維應(yīng)用實例,碳纖維在日常生活中的運用 碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。在多個領(lǐng)域都出現(xiàn)了碳纖維材料的身影，比如說滑雪板、棒球棒、賽車、自行車以及各種體育服

13、裝用品中,碳纖維外殼的Thinkpad,30,正式稿件,碳纖維應(yīng)用實例,碳纖維醫(yī)療填平床板,太陽能熱水器,31,正式稿件,碳纖維應(yīng)用實例,碳纖維在工業(yè)中的應(yīng)用 傳統(tǒng)使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維增強的復(fù)合材料可用作飛機結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業(yè)機器人、汽車板簧和驅(qū)動軸等,32,正式稿件,碳纖維應(yīng)用實例,現(xiàn)在的F1（世界一級方程錦標賽）賽車，車身大部分結(jié)構(gòu)都用碳纖維材料。頂級跑車的一大賣點也是周身使用碳纖維，用以提高氣動性和結(jié)構(gòu)強度,33,正式稿

14、件,碳纖維箭桿,碳纖維加熱管,碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線,碳纖維應(yīng)用實例,碳纖維由于具有強度高、重量輕、耐熱性好、抗熱沖擊性強等諸多優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)產(chǎn)品和日常生活用品中,碳纖維床墊,34,正式稿件,碳纖維應(yīng)用實例,碳纖維用作加固材料 目前的日本國內(nèi)，絕大多數(shù)的建筑，公路，橋梁都已經(jīng)使用到了碳纖維材料作為建筑結(jié)構(gòu)的加固補強材料，這一材料的使用，使得日本國內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)的抗震防裂級別又提升了一個檔次,35,正式稿件,9,碳纖維的缺點,碳纖維材料,36,正式稿件,碳纖維的缺點,1、復(fù)雜的應(yīng)力計算 碳纖維的特點是拉伸強度強，但剪斷強度弱，加工時需要進行復(fù)雜的應(yīng)力計算(縱剛性、橫剛性)，根據(jù)計算把碳纖維片重疊成型。 2、難于更改尺寸 由于作好模具后成型，難于更改尺寸。無法相應(yīng)多尺寸多款式的訂單。 3、老化 很多使用者發(fā)現(xiàn)碳纖維產(chǎn)品放置在陽光下時會逐漸變白。因此