聚合物复合材料碳纤维教学课件PPT.ppt

第二单元 增强材料,知识点三 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,主要内容,4.1 碳纤维概述 4.2 碳纤维的特点和分类 4.3 碳纤维的制备与性能 4.4 碳纤维的应用和发展前景,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,4.1 碳纤维概 述,4.1.1 碳纤维的定义 碳纤维是由90%以上的碳元素组成的一种高性能增强纤维。是有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。 碳纤维结构近乎石墨结构，比金刚石结构规整性稍差。,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,4.1.2 碳纤维的发展,碳纤维的开发历史可追溯到19世纪末期，美国科学家爱迪生发明的白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生产的碳纤维，则出现在二十世纪50年代末期。 1959年美国联合碳化公司以粘胶纤维(viscose firber)为原丝制成商品名为“hyfil thornel”的纤维素基碳纤维。 1962年日本炭素公司实现低模量聚丙烯脂基碳纤维(pancf)的工业化生产; 1963年英国航空材料研究所开发出高模量聚丙烯脂基碳纤维；,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,1965年日本群马大学试制成功以沥青或木质素为原料的通用型碳纤维； 1968年美国金刚砂公司研制出商品名为“kynol”的酚醛纤维; 1970年日本昊羽化学公司实现沥青基碳纤维的工业规模生产； 1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维投放市场。,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,1988年，世界碳纤维总生产能力为10054吨/年，其中聚丙烯腈基碳纤维为7840吨，占总量的78。日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力约3400吨/年，占总量的43。 两次技术飞跃： 第一次：1964年以后，英美开发出热牵伸法，使聚丙烯腈碳化纤维性能突破性提高。 第二次：日本东丽公司发明聚合催化环化原纤维，改变传统工艺，周期短、产量高。,6,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,4.2.1 特点,碳纤维具有重量轻、比强度大、模量高、耐热性高； 化学稳定性好，除硝酸等少数强酸外，几乎对所有药品均稳定；另外，碳纤维对碱也稳定。,碳纤维制品具有非常优良的x射线透过性，阻止中子透过性，还可赋予塑料以导电性和导热性。 以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢强、比铝轻的特性，是一种目前最受重视的高性能材料之一。它在航空航天、军事、工业、体育器材等许多方面有着广泛的用途。,4.2 碳纤维的特点和分类,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,按原丝类型,按碳纤维性能,按碳纤维的功能,按制造条件和方法,cf分类方法,4.2.2 碳纤维的分类,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,按原丝类型分类,聚丙烯腈基 粘胶基 沥青基 木质素纤维基 其他有机纤维基,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,按碳纤维 性能分类,高强度cf （hs） 高模量cf （hm） 超高强cf （uhs） 超高模cf （uhm） 高强高模cf 中强中模cf 等,通用级cf：拉伸强度1.4gpa，拉伸模量140gpa,高性能cf,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,按碳纤维的 功能分类,受力结构用cf 耐焰用cf 导电用cf 润滑用cf 耐磨用cf 活性cf,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,按制造条件 和方法分类,碳纤维：碳化温度12001500oc，碳含量95以上。 石墨纤维：石墨化温度2000oc以上，碳含量99以上。 活性碳纤维：气体活化法，cf在6001200oc，用水蒸汽、co2、空气等活化。 气相生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有机物在高温下沉积成纤维晶须或短纤维。,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,4.3 碳纤维的制备与性能,碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤维为原料，采用间接方法来制造。 碳元素的各种同素异形体(金刚石、石墨、非晶态的各种过渡态碳)，根据形态的不同，在空气中在350以上的高温中就会不同程度的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中(常压下)，元素碳在高温下不会熔融，但在3800k以上的高温时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。 碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。,4.3.1 制备,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,原丝的选择条件： 强度高，杂质少，纤度均匀，细旦化等。 基本条件： 加热时不熔融，可牵伸，且cf产率高。 常用的cf原丝： 聚丙烯腈纤维、粘胶纤维、沥青纤维,一般以有机纤维为原料制造cf的过程：,有机纤维,预氧化处理,高温碳化,原丝,高分子材料专业 聚合物复合材料,粘胶纤维由于具有环状分子结构，所以可以直接进行碳化或石墨化处理，加热不会熔融，不需予氧化处理进行环化。,以粘胶纤维为原料制造碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,缺点： 粘胶中含有大量的h、o原子，所以碳化理论收率仅55%，实际收率约2030%； 粘胶基cf强度较低，性能平衡性差，弹性系数较大。 优点： 瞬间耐烧蚀性能好，可用作火箭的内衬材料。,高分子材料专业 聚合物复合材料,目前生产的高强、高模cf主要是用pan纤维为原料来制造的。 cf制造过程中最主要环节： 原丝制备； 原丝预氧化； 预氧化丝碳化或进一步石墨化,以pan（聚丙烯腈）为原料制造碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,基本工艺流程,高分子材料专业 聚合物复合材料,优点：沥青资源丰富，成本可降低。在民用方面有很大潜力。,沥青： 除天然沥青外，一般将有机化合物在隔绝空气或在情性气体中热处理，在释放出氢、烃类和碳的氧化物的同时，残留的多环芳烃的黑色稠状物质称为沥青。其含碳量大于70，平均分子量在200以上，化学组成及结构千变万化，它们是结构变化范围极宽的有机化合物的混合物。,以沥青为原料制造碳纤维,1965年日本群马大学的大谷衫郎研制沥青基碳纤维，并获得成功。从此，沥青成为生产碳纤维的新原料，它成为目前碳纤维生产仅次于pan的第二大原料。,高分子材料专业 聚合物复合材料,1、力学性能 研究表明，影响碳纤维弹性模量的直接因素是晶粒的取向度，而热处理条件的张力是影响这种取向的主要因素。取向度越高，纤维的弹性模量越大。 碳纤维的力学性能除取决于纤维的结构外，与纤维的直径等有关。一般作为结构材料用的碳纤维直径为6m11m。,4.3.2 碳纤维的性能,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,几种纤维的应力应变曲线比较图,碳纤维的应力应变曲线是一条直线，纤维在断裂前是弹性体，断裂是瞬间开始和完成的。,高分子材料专业 聚合物复合材料,2、物理性能,高分子材料专业 聚合物复合材料,耐热性： 在不接触空气或氧化性气氛时，碳纤维具有突出的耐热性，在高于1500oc下强度才开始下降。 热膨胀系数： cf的热膨胀系数具有各向异性的特点。 平行于纤维方向为负值 垂直于纤维方向为正值,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,热导率： 热导率具有方向性 平行于纤维方向： 16.74 w/(mk) 垂直于纤维方向： 0.837 w/(mk) 温度升高，热导率下降。 密度： 在1.52.0g/cm3之间 密度与原丝结构、碳化温度有关。,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,3、化学性能 碳纤维的化学性能与碳很相似。它除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。 在空气中，当温度高于400 时，则会出现明显的氧化，生成co和co2。 在不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性。 当碳纤维在高于1500 时，强度才开始下降；而其它类型材料包括a12o3晶须在内，在此温度下，其性能已大大下降。,高分子材料专业 聚合物复合材料,3、化学性能 另外，碳纤维还有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化。 它还有耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。,知识点四 碳纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,4.4 碳纤维的应用及发展前景,4.4.1 碳纤维及其复合材料的应用 1、航空航天领域的应用 由于碳纤维增强复合材料的比强度高，因此是维持机翼的扰流片和方向舵气动外形的理想材料，再结合高强度，这类复合材料可用于飞机机翼、尾翼以及直升机桨叶。,cf雷达天线罩,碳纤维制卫星天线,知识点四 碳纤维,cf制轻质机驾驶舱及机舱,高分子材料专业 聚合物复合材料,2、汽车及交通运输中的应用 采用碳纤维复合材料制造汽车构件不仅可使汽车轻量化，还可以使其具有多功能性。例如，用碳纤维增强树脂基复合材料制造的发动机挺杆，利用其阻尼减振性能，可降低振动和噪声，行驶有舒适感。,碳纤维全外壳轿车,碳纤维汽车弹簧片,知识点四 碳纤维,3、土木建筑上的应用 比如，短切碳纤维增强水泥基复合材料可以制造各种幕墙板，实现建材的轻量化，特别是沿海建筑显示出优异的耐蚀性。利用碳纤维的导电性能可用来制造采暖地板。,知识点四 碳纤维,4、医疗器械和医用器材上的应用 碳纤维与生物具有良好的组织相容性继而血液相容性，可作为生体植入材料。同时发现，碳纤维具有诱发组织再生功能，促进新生组织的再生并在植入碳纤维周围形成。在医用器材方面，可应用于外伤包扎带、医疗加热毯、灭菌除臭褥等。,5、体育娱乐器材上的应用 世界碳纤维总量的三分之一是用来制造体育娱乐器材。高档的羽毛球拍、网球拍、钓鱼竿、高尔夫球棒和赛车等几乎都是