碳纤维增强复合材料.ppt

班级：13级高分子材料与工程姓名：学号： 内容 一.碳纤维及其复合材料概况二.碳纤维的特性、结构及分类三.碳纤维的应用与发展 1.碳纤维及复合材料简述：。1860年，英国人瑟夫斯旺（J.Swan）将细长的棉线纸化制取碳丝，以此制作电灯的灯丝，这是人类第一次记载使用碳纤维。碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。此外,还具有纤维的柔曲性和可编性。一.碳纤维及其复合材料概况 碳纤维及其复合材料概况碳纤维既可用作结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用。因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速，目前日本是碳纤维的最大制造国（特别在PAN原丝的d制造技术和产量方面），美国是碳纤维的最大应用国。这次将就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍。 碳纤维微观结构图 2.碳纤维的发展简史： 碳纤维及其复合材料概况年 份主 要 事 项1860187818791882191119501959196219631964 196519701971英国瑟夫斯旺（J.Swan）制作碳丝灯泡英国瑟夫斯旺（J.Swan）以棉纱试制碳丝爱迪生以油烟与焦油、棉纱和竹丝试制碳丝（持续照明45h）碳丝电灯实用化钨丝电灯实用化（1910年发明）美国Wright-Patterson空军基地开始研制黏胶基碳纤维美国UCC公司生产低模量黏胶基碳纤维“Thornel-25”日本大阪工业试验所的进藤昭男发明了PAN基碳纤维日本碳公司开始生产低模量PAN基碳纤维（0.5t/month）英国皇家航空研究所（RAE）的瓦特和约翰逊成功地打通了制造高性能PAN基碳纤维（在热处理时施加张力）的技术途径英国Courtaulds, Morganite和Roll-Roys公司利用RAE技术生产PAN基碳纤维日本群马大学的大谷杉郎发明了沥青基碳纤维美国UCC公司开始生产高模量沥青基碳纤维（石墨化过程中牵伸）日本吴羽化学公司生产沥青基碳纤维（10t/month）日本东丽公司与美国UCC公司进行技术合作日本东丽公司工业规模化生产PAN基碳纤维（1t/month），碳纤维牌号为T300，石墨纤维为M40 碳纤维及其复合材料概况续表：年 份主 要 事 项19721973197419751976 1979198019811984198619891992美国Hercules公司开始生产PAN基碳纤维日本用碳纤维制造钓竿，美国用碳纤维制造高尔夫球棒日本东邦人造丝公司开始生产PAN基碳纤维（0.5t/month）日本东丽公司扩产5t/month碳纤维钓竿、高尔夫球棒迅速发展日本东丽公司扩产13t/month碳纤维网球拍商品化美国UCC公司公布利用中间相沥青制造高模量沥青基碳纤维“Thornel-P”美国UCC公司的高性能沥青基碳纤维商品化日本东邦人造丝公司与美国赛兰尼斯进行技术合作日本住友化学与美国赫格里斯（Hercules）成立联合公司日本碳公司与旭化成工业公司成立旭日碳纤维公司美国波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维日本三菱人造丝公司与美国Hitco公司进行技术合作日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T800日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T1000日本东丽公司研制成功高强中强碳纤维M60日本东丽公司研制成功高强中强碳纤维M70J、杨氏模量高达690GPa 二.碳纤维的特性、结构及分类1.碳纤维主要具备的特性:碳纤维的性质主要包括力学性质（强度、模量、伸长），热学性质（热容、热导率、热膨胀），化学性质（氧化性、腐蚀性），电、磁学等性质。就综合性质而言，碳纤维是一种优异增强材料，下面主要是其所具备的一些特性密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5 2g/cm 3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2；强度、弹性模量高,其强度比钢大4 5倍,弹性回复为100%;热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂; 碳纤维的特性摩擦系数小,并具有润滑性;导电性好,25时高模量碳纤维的比电阻为775/cm,高强度碳纤维则为1500/cm;耐高温和低温性好,在3000非氧化气氛下不熔化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀，此外碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。 碳纤维的品种与规格碳纤维与玻璃纤维一样，有长纤维、短纤维，有布、毡，有扭绳或编制绳、三向或多向立体织物等不同形式的产品供应。如下将列出主要碳纤维的品种与和性能。碳纤维的特性 主要碳纤维的品种和性能碳纤维的特性 碳纤维的结构2.碳纤维的结构:碳纤维具有较高的强度和模量是与其结构分不开的，碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向，与石墨晶体类似。石墨晶体是三维有序的各项异性材料，沿层平面方向具有非常高的模量，试想发展层平面与纤维轴向一致的纤维材料，必将会具有高模量由此导致了碳纤维问世。CF的结构石墨片层 石墨微晶（乱层结构） 石墨原纤（条带结构）碳纤维 碳纤维的结构 碳纤维结构示意图 用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构,如右图所示：构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面。在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为0.1421nm;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360 0.3440nm之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边缘参差不齐。处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同。层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性比较高。因此,碳纤维的表面活性与处于边缘位置的碳原子数目有关。 碳纤维的分类3.碳纤维的分类:(1)根据碳纤维的力学性能可分为：通用级碳纤维（GP）和高性能碳纤维（HP）,其中高性能碳纤维又包括中强型（MT）、高强型(HT)、超高强型（UHT）、中模型（IM）、高模型（HM）和超高模型（UHM）等几种,其高性能碳纤维（HP）的性能如下表性能碳纤维UHM HM UHT HT IM拉伸模量/GPa 400 300400 200350 200250 180200拉伸强度/GPa 1.7 1.7 2.76 2.02.75 2.73.0 含碳量/% 99.8 99.0 96.5 94.5 99.0 碳纤维的分类碳纤维的分类聚丙烯腈基碳纤维（PAN-based）:聚丙烯腈基碳纤维由聚丙烯腈经纺丝、预氧、碳化几个阶段形成。具有高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点,并具有很强的抗压抗弯性能,一直在增强复合材料中保持着主导地位。沥青基碳纤维（pitch-based）:沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料,经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成。生产原料成本低于聚丙烯腈基碳纤维。 黏胶基碳纤维（rayon-based）:黏胶基碳纤维是由主要成分为纤维素的粘胶纤维经过脱水、热解然后碳化而得来的。气相生长碳纤维（vapor phase-based）:气相生长碳纤维是以苯、甲烷等做原料经过渡金属铁、钴、镍等它们的合金、化合物为催化剂，氢气作载气在还原性气氛中制成。(2)根据先驱体纤维原料的类型可分为： 碳纤维的分类（3）根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷,而目前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料。i.碳纤维增强陶瓷基复合材料陶瓷具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性,广泛应用于工业和民用产品。但是,它的致命弱点是脆性大,并且对裂纹、气孔和夹杂物等细微的缺陷很敏感。用碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性,改变陶瓷的脆性断裂形态,同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷基复合材料（Carbon Fibers Reinforced Silicon Carbide Ceramic Matrix Composites，CFRCMCs）是碳纤维增强碳化硅材料,因其具有优良的高温力学性能,在高温下服役不需要额外的隔热措施,因而在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域具有广泛应用。 ii.C/C复合材料C/C复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称,也是一种高级复合材料。它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成。碳/碳复合材料主要由各类碳组成,即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种完全由人工设计、制造出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能,除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外,还具有较高的断裂韧性和假塑性。特别是在高温环境中,强度高、不熔不燃,仅是均匀烧蚀。这是任何金属材料无法与其比拟的。因此广泛应用于导弹弹头,固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等高科技领域。碳纤维的分类 碳纤维的分类iii.碳纤维增强金属基复合材料碳纤维增强金属基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Metal,CFRM)是以碳纤维为增强纤维,金属为基体的复合材料。碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比,具有高的比强度和比模量，碳纤维-铝合金复合材料在400 高温下，强度和弹性模量基本无变化;与碳纤维增强树脂基复合材料相比，具有高的耐热性；与陶瓷相比,具有高的韧性和耐冲击性能。金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等。目前,在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等,但由于纤维增强金属基复合材料所用长纤维的价格昂贵,制备工艺复杂,限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用。 iv.碳纤维增强树脂基复合材料碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)是目前最先进的复合材料之一。它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料,是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。所用的基体树脂主要分为两大类,一类是热固性树脂,另一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预集体或带有活性基团高分子量聚合物组成。CFRP在航空航天领域有着大量的应用,人们甚至将CFRP在航天结构上应用的规模视为衡量航天结构先进性的重要标志之一。随着碳纤维成本的降低以及复合材料制造技术的发展,土木建筑和海底油田将是碳纤维复合材料应用领域的新增长点。以碳纤维复合材料代替传统金属材料制作建筑物的横梁、抗震结构,补强、修补或加固桥梁,制造油田勘探和开采器材以及平台、油、气储罐等将会有很大的发展。碳纤维增强复合材料分类 三.碳纤维的应用与发展1.发展简述对于近年碳纤维及其复合材料的发展来看，在航空航天领域PAN-CF已成为重要的主导材料，汽车和风电叶片则是未来 CFRP的重要市场。日本在CFRP研发方面，比美欧晚1020 年，然而近年来发展迅速，而且在碳纤维增强热固性树脂和热塑性树脂的成型工艺方面都有所创新，值得我国借鉴。碳纤维复合材料是一种高性能、多功能的先进复合材料。目前,国内外学者对于碳纤维复合材料的研究热点主要集中于复合材料的制备与工艺优化以及复合材料及结构的损伤破坏和承载能力分析等领域。相信随着我国在碳纤维生产以及复合材料制备工艺领域的进一步发展,碳纤维及其复合材料在建筑、交通、化工等民用领域的应用前景将十分乐观,而其在航空航天及军事领域的应用也会更加广泛 。 碳纤维长丝预浸料单向预浸料（无纬布）双向预浸料（带、布）束丝预浸料织物二维织物三维织物多维织物短切纤维纸粒料微纤（研磨）镀、喷金属各种浸渍物短切复合纤维包覆塑料导线 电缆 碳纤维很少直接应用，大多是经深加工制成中间产物或复合材料，碳纤维及其深加工制品如图右：碳纤维应用与发展 碳纤维应用与发展2.碳纤维的应用领域随着科学技术的进步和复合技术的不断地提高，碳纤维复合材料的性能日臻完善，应用领域也逐步的拓宽，接下来将通过其在不同应用领域简要做一些介绍。(1)在高新技术领域中的应用i.在航空航天及军事方面的应用随着科学技术的发展，我们人类的活动范围延伸至地球以外的太空，各种宇宙飞行器、探测器、空间站和人造卫星等在太空中运行飞行，在这复杂环境中飞行碳纤维复合材料起了不可替代的作用。在宇宙航天及战略武器方面应用的主要碳纤维增强材料是C/C复合材料和碳纤维增强树脂基复合材料，可克服在地球大气层及在太空中高温、辐射、冲击磨损、使用寿命和减重等系列问题。 碳纤维应用与发展类 别应 用 实 例利用碳纤维的特性飞机一次结构材料：主翼、尾翼、机体二次结构材料：辅翼、方向舵、升降舵内饰装材料：舵底板、行李架、厕所、座椅制动刹车盘、刹车片 隐身材料：结构隐身材料轻量化、耐疲劳、耐热性轻量化、耐疲劳、耐热性轻量化、耐疲劳、耐热性轻量化、耐疲劳、耐热性耐磨损、导热性宇宙飞行器卫星：抛物面天线、太阳能电池梁、壳体结构材料 航天飞机：机翼、头锥、刹车盘轻量化、尺寸稳定性轻量化、耐烧蚀、耐热导弹、火箭喷管、发动机罩、防热材料、仪器舱、导弹发射筒轻量化、耐烧蚀、耐热其它宇宙空间站、卫星发电站、太空望远镜轻量化、尺寸稳定性、耐热碳纤维及其复合材料在航空航天、军事领域的应用 碳纤维应用与发展ii.在高新技术方面的应用在核聚变方面的应用：氢（H）元素的原子核聚合，可释放出巨大能量，称之为核聚变。轻核聚变的燃料是氘（D），海水中氘储量丰富实现核聚变的装置称TOKA-MAK。核聚变过程氢原子同位素氘和氚（T）形成燃料生成氦（He），并释放高能中子（n），研究中子辐射材料格外重要。而C/C复合材料具有耐高温、抗核辐射、极低中激活和中子伤害容限等特性，以其代替石墨作第一内壁的热内衬，装置在失控或运行不正常时C/C复合材料可作为原液的紧靠件。铀的分离与浓缩：新一代铀(U)的浓缩采用高分离系数的激光分离法，采用极锐利激光照射铀，仅被 235U吸收使之分离化，并在电极板上 回收，电极板可采用。C/C复合材料正负电子对撞机配套的CFRP构件：正负电子对撞机是研究物质世界最基本单元的夸克和轻 子的设备及仪器，可采用碳纤维增强环氧树脂复合材料的湿式缠绕工艺制得束流管主漂移室内、外同构件。 碳纤维应用与发展（2）在民用领域中的应用i.汽车及交通运输领域中应用在全球节能减排的大潮流下，汽车轻量化的趋势不可逆转，尤其对于新型混合动力汽车。汽车工业采用新材料使其轻量化，可显著提高汽车的整体性能并节省燃油，使每加仑（1US gal=3.7854dm3）汽油行驶里程显著提高。减少行驶阻力是降低汽车耗油技术的一个重要途径，减小行驶阻力最有效措施是减轻车的重量，CFRP制造汽车部件的减重效果如下，减重效果一般在50%以上 部件名称钢制件/Kg CFRP制件/Kg减重/%部件名称钢制件/Kg CFRP制件/Kg减重/%传动轴小汽车5.6 2.95 48门框7.2 3.17 59载重汽车75.0 22.7 70保险杠18.1 7.3 60弹簧片小汽车12.7 3.27 82悬臂1.3 0.85 56载重汽车59.0 13.6 77 A/C托架2.5 0.61 76车顶18.1 6.8 63门13.6 5.8 58CFRP制造汽车部件的减重效果 碳纤维应用与发展在铁路交通运输上，磁悬浮列车磁铁的核心部分是超导线圈并以液氦（4.2K）冷却，该线圈在大气温度（300K）下的磁铁外槽内由负载支撑体支撑，支撑体除要求刚性和强度外，还应具备隔热性能，可采用CFRP作为使用材料。铁路机车高速化需要车本身轻量化，需要采用大量的新材料。采用耐火优异的酚醛树脂为基体的CFRP不仅可实现车辆的轻量化，而且防火，运行中噪声低。 应用领域应用实例利用特性汽车及火车使动轴、片簧、发动机罩、车轮、底盘、保险杠、制动器压缩天然气罐（CNG）、消音壁（隔音墙）赛车底盘、车体及制动器摩托车盘形制动器线性发动机牵引机车、超导列车的支撑件、集装箱高速列车车厢及制动器、转向架构件、自动转动轴高比强度、高比模量、减震吸能、耐疲劳、耐腐蚀、耐磨损碳纤维及其复合材料在交通运输领域的具体应用 碳纤维应用与发展ii.在新能源领域的应用作为一种较为先进的材料，碳纤维可用于制造风电叶片、新型电池、太阳能暖屋、用于制造半导体单晶的坩埚等许多新能源领域的使用器材。例如，专家对风电叶片预测，当风电叶片长度超过40 m就需要部分使用碳纤维，当前风电装备制造商经营举步维艰，碳纤维在该领域的大批量应用也非常艰难，可能的突破思路有两条：第一是叶片结构设计上充分利用碳纤维的优势，全面创新结构设计；第二，从叶片的设计要求看，碳纤维的模量（中模）是非常重要的指标，是与玻璃纤维竞争的关键所在，开发中模大丝束，提升碳纤维的竞争优势。 应用领域应用实例利用特性新能源1.分离油用超级离心机转筒、核反应堆第一壁材2.发动机构件及储能飞轮、风力发动叶片3.太阳能发电板、抛物面激光器、太阳能热水器4.燃料电池的电极材料、铅电池的栅极、锂电池电极材料5.海上油田勘探和开采器材以及平台、油、气、储罐及管道高比强度、高比模量轻、线膨胀系数小、耐腐蚀导电减振碳纤维及其复合材料在新能源领域的应用 碳纤维应用与发展iii.在土木建筑结构领域的应用随着科学技术的发展和技术的进步，许多新型建材进入市场。其中，纤维增强复合材料在该领域发展较快，碳纤维是具有优越的物理力学性能的新材料，也是目前性能最好、用途最多的增强纤维，在土木工程结构补强中，使用较多的碳纤维增强塑料是碳纤维片材。碳纤维片材可代替钢筋，没有锈蚀现象，可用于高层建筑、海堤工程、桥梁隧道以及海上建筑等等。利用碳纤维的高比强度、高比模量轻、导电、加工性好的特点，具体的碳纤维及其复合材料可以在土木建筑结构领域的应用有：高层建筑的幕墙、绝热板，圆顶建筑的横梁、薄材；自动门地板、防静电地板、采暖地板；增强混凝土，建筑物的结构补强、修补、维修、加固；增强木材复合材料; 超长铁路桥、公路桥和人行桥的桥墩、隧道的加固及超长件，基础设施、抗 震结构材料，碳纤维绳索。 碳纤维应用与发展 碳纤维应用与发展iv.在医用领域的应用碳纤维复合材料和活性碳纤维制品在医疗器械、医用器材等方面已广泛应用。主要是利用CFRP和活性碳纤维轻质、高比强度、高比模量、X射线透过性、与生物相亲相容以及吸附灭菌功能等特性在医用领域生产使用。 碳纤维的医疗用途人造牙根、牙床 人造器官：人造心脏瓣膜、人造眼球人造关节、人造骨肌腱、韧带1.生物体用材料 2.高性能医疗器械X射线仪、超声波诊断仪、头托CT扫描、胶片盒放射用床板手术台、轮椅步行训练用具、担架假肢3. 医用器材外伤包扎带血液渗滤器医用电热毯防毒服装、口罩 v.在体育娱乐方面的应用世界碳纤维总量的三分之一用来制造体育娱乐器材。高档的羽毛球拍、网球拍、钓竿、高尔夫球棒和自行车等几乎都是以碳纤维复合材料制造的。确实的碳纤维在体育娱乐方面的应用有很大、很广阔的市场，对此，通过列表格的方式在应用上做一个简单的介绍类 别应 用 实 例利用碳纤维的特性钓具钓竿、滑轮轻量化、刚性、敏感性网拍类网球拍、羽毛球拍轻量化、刚性、敏感性高尔夫球高尔夫球棒、棒头轻量化、刚性、敏感性 其它冰球棒、滑雪板、自行车、赛车、赛艇、游艇、划艇、水上划艇、弓箭、兵乓球拍、冰球鞋轻量化、刚性、敏感性、吸能减震性碳纤维及其复合材料在体育娱乐方面的应用 碳纤维应用与发展 碳纤维应用与发展vi.在其他方面的应用除了上述方面的应用以外，碳纤维还可应用于以下等几个主要方面密封填料：用碳纤维增强聚四氟乙烯（PTFE）等复合材料制成的密封具有耐高温、耐高压、耐磨损、热膨胀系数小、自润滑和使用寿命长等一系列优异性能，广泛用于化学化肥、石油化工、发电能源、轻造纸和轻纺机械等许多领域。耐燃织物及特种服装：以预氧化纤维经纺纱织布制得的布柔软性、服饰可用性好，形状不易变形，尺寸稳定。并可进一步深加工成碳纤维布、活性碳纤维布和石墨纤维布，适于制造耐燃织物及特种服装。所以，碳纤维是在耐燃织物及特种服装上有着重要意义的。环境保护：活性炭、活性碳纤维及其深加工制品广泛用于环境保护，在净化气体、水及回收有机溶剂方面得到了实际的应用电热器材：碳纤维具有导电性能，通电后产生热，用来制造电热产品。在这方面，俄罗斯等国应用很普遍。 音响器材：碳纤维复合材料的杨氏模量高，比模量大，可用来制作扬声器。扬声器是将电信号转变为声信号的电声换能器件。 碳纤维应用与发展类 别应 用 实 例利用特性电子电气仪器电视天线、抛物面天线、非磁性导线、面妆发热体大型电波望远镜、光学仪器、摄像机、半导体支架计算机和传真机等的电磁屏蔽材料、舰船通讯室设施拾音臂、扬声器喇叭、滑动板、磁头罩、车器构件静电消除刷、柔性刷、电刷高比强度、高比模量轻、线膨胀系数小、电池屏蔽性好、减振机械纺织机械的框架、箭杆、梭、模具材料 大型造纸机、印刷机的滚筒、导辊搬运机械的升降机箱、电梯构件、大吊车车壁空压机轴、离心分离转子密封填料、压力容器高比强度、高比模量、尺寸稳定性、耐腐蚀、耐磨损、导热轻工制品、环境保护雨伞、太阳伞的骨架各种加热器、取暖器治理河流、湖泊污染的净化材料耐腐蚀性好、耐候性好、导电性好碳纤维及其复合材料在其他一些方面具体应用 文档于2016年9月制作班级：13级高分子材料与工程