碳纤维材料小知识.ppt

碳纤维材料 机械工程材料 发展历史 碳纤维的起源可以追溯到1860年 英国人瑟夫 斯旺最早用碳丝制造电灯泡的灯丝 后来美国人爱迪生做出了实用的白炽灯碳灯丝 不过由于1910年库里奇发明了拉制钨丝的方法 灯丝全面改用钨丝 早期的碳纤维研究被打入冷宫 20世纪50年代以后 为了解决导弹喷管和弹头耐高温和耐腐蚀等问题 美国研制出粘胶基碳纤维 碳纤维又一次登上历史舞台 1959年日本人近藤昭男发明了聚丙烯腈 PAN 基碳纤维 聚丙烯腈基碳纤维具有生产工艺成熟 综合性能好和生产成本较低的优势 产量占碳纤维全部产量的90 以上 今天我们说的碳纤维 不指明的话一般指PAN基碳纤维 成分结构 1 碳纤维材料 成分结构 碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料 碳纤维的微观结构类似人造石墨 C原子层状排列 是乱层石墨结构 碳纤维是一种力学性能优异的新材料 它的比重不到钢的1 4 碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上 是钢的7 9倍 抗拉弹性模量为230 430Gpa亦高于钢 因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa g cm3 以上 而A3钢的比强度仅为59Mpa g cm3 左右 其比模量也比钢高 材料的比强度愈高 则构件自重愈小 比模量愈高 则构件的刚度愈大 从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景 化学性质 生产方式 2 碳纤维材料 化学性质 碳纤维是含碳量高于90 的无机高分子纤维 其中含碳量高于99 的称石墨纤维 碳纤维的轴向强度和模量高 无蠕变 耐疲劳性好 比热及导电性介于非金属和金属之间 热膨胀系数小 耐腐蚀性好 纤维的密度低 X射线透过性好 但其耐冲击性较差 容易损伤 在强酸作用下发生氧化 与金属复合时会发生金属碳化 渗碳及电化学腐蚀现象 因此 碳纤维在使用前须进行表面处理 生产方式 通常采用一些含碳的有机纤维 如尼龙丝 腈纶丝 人造丝等 做原料 将有机纤维跟塑料树脂结合在一起 放在稀有气体的气氛中 在一定压强下强热炭化而成 碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取 目前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的 生产流程 主要生产商 日本和美国掌握着世界碳纤维的大多数产能 并控制了高端碳纤维的生产 日本东丽公司在PAN基碳纤维研制生产中最早起步 是日本碳纤维生产企业的代表 美国赫氏Hexcel公司也紧随日本东丽的步伐 20世纪80年代美国研制的三叉戟II潜射导弹和侏儒小型机动洲际导弹都是用了Hexcel公司的IM7型碳纤维 目前世界上小丝束碳纤维的主要生产商包括日本东丽 日本东邦人造丝 日本三菱人造丝三家公司 美国的赫氏Hexcel公司和Cytec公司虽然产量相差较大 但技术上仍可与日本三巨头媲美 此外台湾台塑公司拥有数千吨的产能 并在2013年开始批量供应T800级碳纤维 土耳其阿克萨公司的低端T300碳纤维也在迅速扩张 大丝束碳纤维的主要生产商包括美国Zoltek Aldila公司 日本东邦 日本东丽和德国SGL公司等 总的说来美国在大丝束碳纤维生产上优势明显 日本在小丝束碳纤维的生产上垄断地位更为稳固 主要生产商 碳纤维的分类 3 碳纤维材料 20世纪50年代 美国研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机性能 急需新型结构材料及耐腐蚀材料 使碳纤维重新出现在新材料的舞台 碳纤维的分类 按原丝类型 聚丙烯腈基 最多 粘胶基 适宜作烧蚀材料 沥青基 成本最低 发展中 木质素纤维基其他有机纤维基 碳纤维的分类 按性能 高强度CF HS 强度 2000MPa高模量CF HM 模量 300GPa超高强CF UHS 强度 4000MPa超高模CF UHM 模量 450GPa高强 高模CF中强 中模CF高强高伸型 延伸率 2 通用级CF 拉伸强度 1400MPa拉伸模量 140GPa 高性能CF 强度 2000MPa模量 250GPa 4 碳纤维的特性 碳纤维材料 6微米直径的碳纤维单丝 碳纤维是高级复合材料的增强材料 具有轻质 高强 高模 耐化学腐蚀 热膨胀系数小等一系列优点 一 轻质 高强度 高模量碳纤维的密度是1 6 2 5g cm3 碳纤维拉伸强度在2 2Gpa以上 因此 具有高的比强度和比模量 它比绝大多数金属的比强度高7倍以上 比模量为金属的5倍以上 由于这个优点 其复合材料可广泛应用于航空航天 汽车工业 运动器材等 二 热膨胀系数小绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数 室内为负数 0 5 1 6 10 6 K 在200 400 时为零 在小于1000 时为1 5 10 6 K 由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定 可作为标准衡器具 三 导热性好通常无机和有机材料的导热性均较差 但碳纤维的导热性接近于钢铁 利用这一优点可作为太阳能集热器材料 传热均匀的导热壳体材料 碳纤维数显卡尺 四 耐化学腐蚀性好从碳纤维的成分可以看出 它几乎是纯碳 而碳又是最稳定的元素之一 它除对强氧化酸以外 对酸 碱和有机化学药品都很稳定 可以制成各种各样的化学防腐制品 我国已从事这方面的应用研究 随着今后碳纤维的价格不断降低 其应用范围会越来越广 五 耐磨性好碳纤维与金属对磨时 很少磨损 用碳纤维来取代石棉制成高级的摩檫材料 已作为飞机和汽车的刹车片材料 六 耐高温性能好碳纤维在400 以下性能非常稳定 甚至在1000 时仍无太大变化 复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性 树脂基复合材料其长期耐热性只达300 左右 陶瓷基 碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配 因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航空航天工业 七 突出的阻尼与优良的透声纳利用这二种特点可作为潜艇的结构材料 如潜艇的声纳导流罩等 八 高X射线透射率此特点已经在医疗器材中得到应用 九 疲劳强度高碳纤维的结构稳定 制成的复合材料 经应力疲劳数百万次的循环试验后 其强度保留率仍有60 而钢材为40 铝材为30 而玻璃钢则只有20 25 因此设计制品所取的安全系数 碳纤维复合材料为最低 5 应用领域 碳纤维材料 碳纤维应用 碳纤维 carbonfiber 简称CF 不仅具有碳材料的固有本征特性 又兼备纺织纤维的柔软可加工性 是新一代增强纤维 作为高性能纤维的一种 碳纤维碳材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用 从航天 航空 汽车 电子 机械 化工 轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等 因此 碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表 为世人所瞩目 碳纤维应用 碳纤维应用 碳纤维三脚架 碳纤维自行车 碳纤维应用实例 碳纤维在日常生活中的运用碳纤维可加工成织物 毡 席 带 纸及其他材料 在多个领域都出现了碳纤维材料的身影 比如说滑雪板 棒球棒 赛车 自行车以及各种体育服装用品中 碳纤维外壳的Thinkpad 碳纤维应用实例 碳纤维医疗填平床板 太阳能热水器 碳纤维应用实例 碳纤维应用实例 碳纤维在工业中的应用传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外 一般不单独使用 多作为增强材料加入到树脂 金属 陶瓷 混凝土等材料中 构成复合材料 碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料 电磁屏蔽除电材料 人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳 导弹防热及结构材料 火箭喷管 鼻锥 大面积防热层 机动船 工业机器人 汽车板簧和驱动轴等 卫星构架 天线 太阳能翼片底板 卫星 火箭结合部件 航天飞机机头 机翼前缘和舱门等制件 哈勃太空望远镜的测量构架 太阳能电池板和无线电天线 碳纤维应用实例 波音777 波音787 碳纤维应用实例 碳纤维应用实例 美称中国为歼20走私20吨碳纤维每斤2000美元 2012年12月 联邦调查局宣布挫败了一起中国人试图非法获得碳纤维的行为 被怀疑的物品是M60JB碳纤维 洽谈购买量达20吨 售价每公斤2000美元 几乎是银价的2倍 是中国仍在开发之中的隐形战斗机 歼 20 歼 31 的重要部件 据称 中国已经获得了某些这种纤维 注 按该说法 碳纤维每吨200万美元 20吨合计4000万美元 约2 5亿元人民币 碳纤维应用实例 碳纤维复合材料用量较大而场合是民航客机 美国波音公司777和787客机 空中客车公司A380和A350XWB客机都大量使用碳纤维复合材料 美国波音公司的787客机主要使用日本东丽公司的24K丝束的T800碳纤维复合材料 同时也使用了部分美国赫氏Hexcel公司的碳纤维复合材料 欧洲空中客车公司的350XWB客机也使用了美国Hexcel赫氏公司的IM7碳纤维 不仅如此 中国商飞C919 波音737MAX和空中客车A320NEO等客机使用的新一代LEAP发动机的叶片也使用了Hexcel赫氏公司提供的碳纤维复合材料 新一代LEAP涡扇发动机的风扇叶片 建造期间的国际空间站 其巨大的桁架也由碳纤维复合材料制造 碳纤维应用实例 碳纤维应用实例 现在的F1 世界一级方程锦标赛 赛车 车身大部分结构都用碳纤维材料 顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维 用以提高气动性和结构强度 碳纤维应用实例 兰博基尼生产中使用的碳纤维材料 碳纤维应用实例 碳纤维应用实例 碳纤维应用实例 碳纤维箭杆 碳纤维加热管 碳纤维复合芯导线 碳纤维应用实例 碳纤维由于具有强度高 重量轻 耐热性好 抗热冲击性强等诸多优点而广泛应用于各种工业产品和日常生活用品中 碳纤维床垫 碳纤维应用实例 碳纤维用作加固材料目前的日本国内 绝大多数的建筑 公路 桥梁都已经使用到了碳纤维材料作为建筑结构的加固补强材料 这一材料的使用 使得日本国内的建筑结构的抗震防裂级别又提升了一个档次 碳纤维应用实例 碳纤维应用实例 碳纤维用作加固材料2007年5月10日 荷兰建成世界上最长的碳纤维复合材料桥 该桥长24 5米 宽5米 6 碳纤维的缺点 碳纤维材料 碳纤维的缺点 1 复杂的应力计算碳纤维的特点是拉伸强度强 但剪断强度弱 加工时需要进行复杂的应力计算 纵刚性 横刚性 根据计算把碳纤维片重叠成型 2 难于更改尺寸由于作好模具后成型 难于更改尺寸 无法相应多尺寸多款式的订单 3 老化很多使用者发现碳纤维产品放置在阳光下时会逐渐变白 因此最好不要放置在阳光下 4 价格较高原因有两个 1 生产原材料的厂家不多 产量有限 2 工艺复杂 开模的费用较高 机械价格也较贵 7 题外话 碳纤维材料 碳纤维材料 我国碳纤维生产落后美日30年我国碳纤维的发展并不晚 东丽公司研制出碳纤维前后 我国就开始独立研制碳纤维 经过近40年发展 我国的碳纤维产业总体研制和生产水平还很落后 无法与美日公司在市场上正面竞争 近些年来 随着政府在产业政策方面的支持 我国碳纤维行业呈现全面开花 大干快上的局面 全国各地规划的碳纤维产能甚至超过了我国之外全世界的碳纤维产能 但这只不过是虚假的繁荣 2012年我国碳纤维生产线设计产能超过了2万吨 但实际产量只有2000吨左右 而且完全是生产越多亏损越多的局面 同时我国却还在进口上万吨的碳纤维产品满足国民经济的需求 碳纤维材料 碳纤维的生产固然重要 它的应用技术也是一个关键环节 我们前面介绍的只是碳纤维丝线 应用还需要对丝线进行结构成型 目前碳纤维成型工艺包括接触成型 喷射成型 缠绕成型 拉挤成型 模压成型以及编织成型等多种方式 日本三大碳纤维巨头虽然产能占据了半壁江山还多 技术上也与美国平分秋色 但碳纤维材料成型以及应用上与美国相差很大 典型如日本H IIA火箭使用的固体助推器 其碳纤维复合材料壳体的制造工艺