碳纤维及纳米纤维.ppt

碳纤维及纳米纤维 碳纤维及膦腈纳米纤维 几种常见的碳碳纤维纳米碳纤维 神奇的碳 库利南 3106克拉10 6 5 5厘米 非洲之星第 530 2克拉 碳纤维 碳纤维是一种纤维状碳材料 碳纤维是指纤维的化学组成中碳元素占总质量90 以上的纤维 碳纤维的性能 1 在纤维轴方向显示高抗拉强度和高弹性模量强度和弹性模量是衡量材料坚固程度的两个最重要的力学性能指标 高强度的碳纤维的抗拉强度可达到30 40吨 平方厘米 要比钢铁大四倍多 2 比重轻 1 7 2 2碳纤维比重只比一般塑料重一点 是铝合金的1 2 不到钢铁的1 4 如按它的抗拉强度比钢铁大4倍 比铝合金大6倍计算 碳纤维的比强度比钢铁大16倍 比铝合金大12倍 由于碳纤维的比强度和比弹性模量特别高 所以对于那些要求全面减轻自重的物体 如宇航用品 交通用品 体育比赛用品就有更大的意义 3 纤度细碳纤维的外表很平凡 粗看起来象人的头发 但比人的头发要细得多 将几十根碳纤维合在一起才和人的头发一样粗细 碳纤维细度可为0 05Tex 4 不生锈 耐腐蚀碳纤维不生锈 耐腐蚀 除了浓度大于75 的硝酸和硫酸外 盐酸 硝酸 硫酸和一些有机溶剂腐蚀不了碳纤维 把碳纤维放在一些酸液中 二百天后测量其弹性模量 强度和直径的变化 发现在浓度为50 的盐酸 硫酸和磷酸中没有明显的变化 在50 浓度的硝酸中只是稍有膨胀 其耐腐蚀性能远优于不锈钢 在一份硝酸 浓度70 和三份盐酸 浓度37 配成的 王水 中 碳纤维性能不变 5 既能耐低温 又能耐超高温 在 180 C的低温下 许多材料都变得很脆 而石墨纤维布在这么低的温度下却依旧是很柔软 在3000 4000 C的高温下 在没有氧气的情况下 碳纤维在这样的高温下也还是巍然不动 一般材料的强度随着温度的升高都要大幅度降低 但碳材料却是唯一的一种在高温下随着温度升高而强度增大的材料 理论上 随着温度的升高 在2500 C时 碳材料的强度不仅不降低 反而比室温的强度还要提高一倍 然而在现有的实际操作中 碳纤维随着温度升高而强度并不增加 但在2000 C以上的高温下 碳纤维的强度和弹性模量却仍能基本保持 因此 碳纤维的耐高温性能还是远远超过了一般材料 碳纤维的升华温度高达3650 C 6 能耐温度急变 热膨胀系数小 碳纤维的耐急冷急热性能很好 制品即使从3000 C的高温一下子猛降到室温也不会炸裂 这是因为它的线膨胀系数很低的缘故 碳纤维受到温度变化时 在它的长度方向上不是热胀冷缩 而是热缩冷胀 它的膨胀系数是个负数 它的膨胀系数的绝对值比钢小几十倍 比玻璃要小上百倍 实际上近于零 因此 碳纤维及其和某些塑料 金属做成的复合材料 可以用来制造精密仪器 精密量具和精密机车的零件 而且即使在温度变化较大的环境中使用 也还能保持其高度的精确性 7 常温下导热性能良好 高温下导热性能低导热性是材料传导热量能力大小的一个物理性能指标 碳纤维在常温下导热性能较好 但它的导热性能是随着温度而变化的 随着温度的升高 碳纤维的导热性逐渐变低 在2000 C以上的高温下 它的导热性要比在常温时低五 六倍 同时 碳纤维的高温导热性能比其它材料也要低得多 只有金属的百分之一 耐火粘土的十分之一 因此 碳纤维是一种很好的高温隔热材料 用于火箭 真空电炉外壳 缩小了火箭和真空炉的体积和重量 8 突出的导电性能 碳纤维具有很好的导电性 碳纤维由于是纤细的纤维结构 所以它的材质又与织物的性质有联系 碳纤维制成的碳线 碳布具有柔软性 可以作成柔软的 电阻丝 用在一些特殊的环境中 它们的电阻值可以通过制造过程中控制碳化温度来调节 所以电阻值能调得很高 使需要的电流相当微小 有利于接线的设计 同时 这种柔软的电阻丝在运行中不会变脆 不会产生局部过热 是一种电阻加热最有前途的新材料 由于碳纤维的电阻值可以调得很高 所以也可以做成表面积较大的发热元件 9 优良的吸附性能 碳纤维具有很好的吸附性能 用多孔的原料纤维制得的碳纤维 或用普通碳纤维在蒸汽气流中加热到800 C处理后得到的碳纤维 都具有比其它材料优异的吸附性能 这种材料具有巨大的表面积 而且表面上的碳原子处于 活化 状态 很容易和其它化学物质结合 多孔活性炭碳纤维和目前工业上广泛应用的吸附材料 颗粒活性碳相比较 无论从通气 透水性 吸附能力和吸附速度等性能方面 都远远超过了颗粒状活性炭 它的通气阻力仅为后者的1 2 1 5 吸附有机溶剂 硫的氧化物和氮的氧化物等有害气体的能力为其1 5 2倍多 10 碳纤维还具有耐辐射 能反射中子等特性 碳纤维的制造 1 原料 碳纤维是不能用碳做原料来制造的 工业上制造碳纤维是以有机纤维做原料 在没有氧气的情况下经过高温处理转化而来的 目前商业上可供使用的原料 1 纤维素和再生纤维素 2 聚丙烯腈均聚物 共聚物 3 沥青和煤抽取物 用纤维素制造碳纤维此项技术首先在美国开发 一般用人造丝作原料制造出来的 再生纤维素碳的含量较低 一百千克的人造丝 碳化后只能得到十五到二十千克的碳纤维 比用腈纶纤维制造的要少一半 同时 制造再生纤维素纤维的原料来源受到自然条件的限制 再生纤维素纤维必须先经过洗涤和干燥 它直接放在惰性气体中加热 到700 以上 即可得到强度和弹性模量低的碳纤维 由于在高温下拉伸纤维需要昂贵的设备 所以用纤维素纤维制造碳纤维的成本最高 而且这样制出的碳纤维与树脂等复合的粘结力小 在使用过程中层之间容易开裂 用聚丙烯腈纤维制造碳纤维 聚丙烯腈是由碳 氢 氮三种元素组成的 碳纤维就主要是以纯粹的丙烯腈聚合而成再经过特定工艺得到的连续纤维做原料 聚丙烯腈长丝的性能就要有一定的要求 一是原料纤维结构中链状分子沿纤维轴向的取向度要高 这样易制得弹性模量高的碳纤维 二是原料纤维的强度要高 这样易制得强度高的碳纤维 三是纤维的粗细要均匀 A 用聚丙烯腈纤维制造碳纤维分下面几个阶段 聚丙烯腈的氧化阶段 黑化纤维的炭化阶段 碳纤维的拉伸石墨化阶段 热处理过程中炭前躯体的结构变化 B 聚丙烯腈纤维制造碳纤维的工艺流程图 腈纶纤维 氧化处理空气中200 300 加热 炭化处理惰性气体中1000 2000 碳纤维 石墨化处理惰性气体中2000 以上 石墨纤维 应用 应用 用沥青制造碳纤维 石油沥青经过处理后拉出的石油沥青纤维 是制造碳纤维的一种优良原料 它的特点是价格便宜 原料来源丰富 含碳量达95 之多 而氢 氧 氮 硫等其它元素只占5 因此一百千克石油沥青纤维 炭化后能得到八十五千克以上的碳纤维 比用腈纶纤维做原料制得的碳纤维要多将近一倍 而且所得到的碳纤维性能也高 在用石油沥青纤维制造碳纤维的过程中 对石油沥青纤维要有一定的要求 其中要求 烯烃 类芳香族化合物的含量要高 然而 大多数石油沥青里含的却是性质不活泼的 烷烃 因此 这样的石油沥青要经过一系列的处理后才能用来纺成丝 而这些处理是比较麻烦的 这也是石油沥青的一个缺点 石油沥青为原料制造碳纤维分下面几个阶段 蒸馏处理石油沥青原料在纺丝前都要先经过蒸馏处理 目的是提高它的热稳定性和软化温度 纺丝纺丝一般采用熔融纺丝法 这样得到的石油沥青纤维就可以用来制造碳纤维了 氧化处理与用腈纶纤维的方法基本相同 首先也是进行加张氧化处理 并且石油沥青纤维的氧化处理要求在氧化能力更强的臭氧气体中进行 才能进一步形成加热稳定的黑化纤维 炭化处理把黑化纤维放在惰性气体中加热到1000 以上 就得到了性能优良的碳纤维 石墨化处理把碳纤维加热到2000 以上 就得到了高弹性模量 高强度的石墨纤维 活性炭纤维的制造 制造 活性炭纤维是以碳纤维为原料的一种高技术新产品 活性炭纤维亦可理解为多孔质的碳纤维 它在上世纪70年代迅速发展 现已进入工业化规模生产 目前 用于制造活性炭纤维的原料主要有粘胶丝 聚丙烯睛纤维 酚醛纤维 沥青纤维和聚乙烯醇纤维 除聚乙烯醇基活性炭纤维尚处在研究开发阶段外 其余几种均已实现了工业化 各种活性炭纤维的比较粘胶基 原料价格低廉 但收率低 温度低 面密度在1600m2 g以下 生产工艺较繁复 聚丙烯腈基 面密度在1500m2 g以下 结构中含有4 8 的氮 工艺较简单 成熟 酚醛基 原料价格低廉 收率高 面密度在3000m2 g 工艺简单 沥青基 原料价格低廉 收率高 但强度低 面密度在1800m2 g左右 杂质多聚乙烯醇基 原料价格低廉 强度高 面密度在2500m2 g以下 生产工艺较繁复 碳纤维的应用 碳纤维的用途 军工交通运输体育器材建筑材料导电及抗静电材料医疗器械 军工 导弹防热及结构材料 航天飞机机头 机翼前缘和舱门等 哈勃太空望远镜的测量构架 卫星构架 天线 太阳能翼片底板 卫星 火箭结合部件 碳纤维增强机翼 B2战略轰炸机 F117隐形轰炸机 交通运输汽车用碳纤维复合材料传动轴 尾翼 引擎盖 刹车片等 渔船 鱼雷快艇 快艇和巡逻艇 赛艇的桅杆 航杆 壳体及划水浆 海底电缆 潜水艇 雷达罩 深海油田的升降器和管道 碳纤维自行车 体育器材用作网球 羽毛球 和壁球拍及杆 棒球 曲棍球和高尔夫球杆 自行车 赛艇 钓杆 滑雪板 雪车等 建筑材料幕墙 嵌板 间隔壁板 桥梁 架设跨度大的管线 海水和水轮结构的增强筋 地板 窗框 管道 海洋浮杆 面状发热嵌板 抗震救灾用补强材料 利用碳纤维布加固钢筋混凝土构件以提高承载力及延长寿命是目前比较流行的方法 在建筑业中有着广泛的发展前景 碳纤维构件试验 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 碳纤维瓦 其它应用化工用的防腐泵 阀 槽 罐 催化剂 吸附剂和密封制品等 生体和医疗器材如人造骨骼 牙齿 韧带 X光机的床板和胶卷盒 电磁屏蔽 电极度 音响 减磨 储能及防静电等材料 胶卷盒音箱 纳米碳纤维 纳米材料 纳米材料及其特性 1nm 10 9m 即1毫微米 十亿分之一米 纳米微粒的尺度一般定义为10 7 10 10m内 0 1 100nm 相当于人发直径的1 10万 具有奇异的力学 光学 磁学 热学和化学等特性 当材料晶粒的尺寸小于1nm时 材料的性质就会出现意想不到的变化 譬如 色 熔点 着火点 它很可能成为本世纪前20年的主导技术 美国科学技术委员会则把启动纳米技术的计划看作是下一次的工业革命的核心 纳米材料是新世纪最重要的材料 与传统材料相比 纳米材料nanomaterials具有非常优异的性能 近年来 纳米材料的发展非常迅速 世界各国都极为重视 不断加大投入 可以说纳米材料是未来高科技领域最重要的新材料 纳米科技 信息 1998年 美国首次研制出由磁性纳米棒组成的 量子磁盘 每平方英寸可储存20万部红楼梦 1999年 100nm的芯片在美国诞生了 整个美国国会图书馆的藏书都能储存在一个糖块大小的芯片中 汽车尾气 含铅汽油中的铅很容易通过血液长期蓄积于人的肝 肾 脾 肺和大脑中 从而导致人的智能发育障碍和血色素制造障碍等后果 汽车尾气的处理 加入纳米级的复合稀土氧化物后 对尾气的净化特别明显 尾气中的CO NOx几乎完全转化 拯救水资源 特种半导体纳米材料使海水淡化 纳米TiO2可以用来降解有机磷 降解毛纺染整废水 降解石油 纳米泵人造红细胞 它比体内血液中的红细胞要多携带200多倍的氧气 血液形态图 纳米药包 美国麻省理工学院的研究人员正在研究一种只有20nm的药物炸弹和包含了1000个纳米药包的微型芯片 在固定的DNA链上连接上杀癌的药物胶囊 放到病人血液和组织内 一遇上癌细胞的DNA时 DNA链就与癌细胞的DNA结合 这时药物开关受触发而开放 药物便释放出来 杀灭癌细胞 纳米清洁工 科学家设想制造出负责清扫血管的纳米机器人 清洁工 专门负责清扫血管壁上的胆固醇 凝血等沉积物 以预防脑血栓等心血管病 同时也可以制作出清扫体内癌细胞的机器人 军事方面的应用 吸波 纳米ZnO对雷达电磁波具有很强的吸收能力 所以可以做隐形飞机的重要涂料 走进你家里 纳米TiO2 在光照条件下 会产生具有非常强的氧化能力的空穴 从而将附在表面上的有机物 细菌及其它灰尘分解掉 直至生成CO2和H2O 杀菌 除味 由于纳米ZnO具有大的比表面积 可以很快地吸收并分解臭气 同时还能有效地杀菌 对黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率高达95 以上 人工组装合成的纳米结构的体系 纳米齿轮 T形和Y形结 纳米碳