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碳纤维的性能与应用河南质量工程职业学院毕业设计（论文）碳纤维的性能与应用系 别：食品化工系专 业 纺织品检验与贸易班 级： 学生姓名： 指导教师： 完成日期： 河南质量工程职业学院毕业设计（论文）任务书 学生姓名 指导教师 设计（论文）题目碳纤维的性能与应用主要研究内容碳纤维的定义及制造碳纤维的主要性能碳纤维的应用及发展前景主要技术指标或研究目标主要研究了新型材料碳纤维的各种优良特性（高模量、高强度、耐腐蚀、吸附能力强）及其在体育、航空、民用等各方面的应用，并对碳纤维的几种应用做了简单的介绍，及碳纤维在国内的发展状况基本要求1学会查阅文献资料2 掌握书写论文的基本要求，能独立完成论文写作3 能够独立进行研究工作4 掌握基本的计算机排版主要参考资料及文献1姜怀等。纺织材料学。北京：中国纺织出版社。2000.92 晏雄 。产业用纺织品。上海：东华大学出版社2003.83 刘宣东。碳纤维及发展展望。山东： 山东纺织科技 1994.3 目录摘要4Abstract5绪 论61 碳纤维的定义及其分类71.1 什么是碳纤维71.2 分类72 碳纤维的制造73 碳纤维的性能83.1 碳纤维的优良特性83.1.1 在纤维轴向方向显示高抗拉强度和高弹性模量83.1.2 密度小83.1.3 纤维细83.1.4 不生锈、耐腐蚀83.1.5 即耐低温,又耐高温83.1.6 耐温度骤变，热膨胀系数小93.1.7 常温下导热性能良好，高温下导热性能低93.1.8 突出的导电性能93.1.9 优良的吸附性能93.1.10 具有耐辐射，能反射中子等特性103.2 碳纤维的缺点103.2.1 比较脆，怕受压和剪切103.2.2 抗氧化性差103.2.3 破坏前无预报104 碳纤维的应用114.1 碳丝114.2 碳纤维毡和碳素短纤维114.3 碳纤维织物114.4 活性炭碳纤维115 碳纤维的发展前景116结论12参考文献13致谢14摘要碳纤维是一种新型材料，本文主要阐述了碳纤维的分类、生产制造等，碳纤维的高强度、高模量、耐高温等主要特性，及在各行业中的应用，并对其近年来的市场前景的展望，使人们对其有一定的了解。 关键词：新型 碳纤维 应用Abstract Carbon fiber is a new type of material, this paper describes the high-strength carbon fiber, high modulus, high temperature and other major features, and in the industry, and in recent years, the market outlook is for people to have their A certain degree of understanding.Key words: New Carbon Fiber Apply绪 论1897年爱迪生通过纤维素的炭化，在不破坏纤维素结构的情况下，第一次制造出碳丝，并把其用作电灯泡的炽热灯丝。由于碳纤维有一定的缺点，限于当时技术条件的限制，未能制造出体现碳纤维更多优良特性的产品，至使碳纤维冷落一时。碳纤维的研制并实现工业化生产，始于，20世纪50年代，1996年全世界碳纤维总产量一达到1700t。其中聚丙烯氰基纤维占85%，其余是沥青基纤维，由于聚丙烯氰基纤维作原料，其生产工艺比较简单，产品力学性能优良，因此得到了大力发展；沥青基纤维由于原料丰富，价格便宜，在民用工业方面获得很好的推广使用。1 碳纤维的定义及其分类1.1 什么是碳纤维碳纤维（carbon fibre）是指纤维的化学组成中碳元素占总质量90%以上的纤维。是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型的纤维状的碳材料，它是用一些含碳的有机纤维，如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等做原料，将这些有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在惰性气氛中，在一定的压强下加强热碳化而成。它具有高强轻质、抗腐蚀、耐老化、物理性能稳定等诸多优点。碳纤维是一种具有导电性、强度大、密度小，耐腐蚀、耐高温的新型材料1.2 分类按制作原料分：1、纤维素基（人造丝基） 2、聚丙烯氰基 3、沥青基（各向同性、各向导性中间相）按制造方法和条件分：1、碳纤维（炭化温度在8001600时得到的碳纤维） 2、石墨纤维（炭化温度在20003000时得到的碳纤维） 3、活性炭纤维 4、气象生长纤维按性能分：1、一般型（GP，在通电部件、耐热隔热体、滑动部分、耐腐蚀材料等领域使用一般型。）2、高性能型（HP，其中高性能型分为高强型及高模型，通常大多数应用领域使用高性能型）在通电部件、耐热隔热体、滑动部分、耐腐蚀材料等领域使用一般型。按状态分：1、长丝、2、短纤维3、短切纤维 2 碳纤维的制造碳纤维是不能用碳作原料制造的，工业上制造碳纤维是以有机纤维作原料，在没有氧气的情况下经过高温处理转化而形成的。通常用以下几种方法制得。2.1用纤维素制造碳纤维，一般是以人造丝做原料。2.2用聚丙烯氰纤维制造碳纤维，以纯粹的丙烯氰聚合而成，再经过特殊工艺得到连续纤维作原料。3 碳纤维的性能3.1 碳纤维的优良特性3.1.1 在纤维轴向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重要的力学指标。高强度的碳纤维的抗拉强度可达到30004000Mpa要比钢大4倍多。3.1.2 密度小 碳纤维密度只比一般塑料大一点。碳纤维的密度是铝合金的12，还不到钢铁的14，由于碳纤维的比强度和比弹性模量特别高，所以对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。（比强度比钢铁大16倍，比铝合金大12倍。）3.1.3 纤维细 碳纤维的外表很平凡，粗看起来像人的头发，但比人的头发要细的多，将几十根碳纤维合在一起才与人的头发一样粗细，碳纤维的线密度可达0.05tex。3.1.4 不生锈、耐腐蚀 碳纤维不生锈，耐腐蚀，其耐腐蚀性能远优于不锈钢。除了质量分数大于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，200d后测量其弹性模量、强度和直径的变化，发现在质量分数为50%的盐酸、硫酸和磷酸中，没有明显变化。在质量分数为50%的硝酸中只是稍有膨胀。再“王水”中碳纤维性能不变。3.1.5 即耐低温,又耐高温在-180的低温下，许多材料都变的佷脆，连平时很坚固的钢铁也会变得比普通玻璃还易破碎。而石墨纤维布在这么低的温度下却依旧很柔软。在30004000的高温下，绝大多数的耐火材料都会立即融化，但是在没有氧气的情况下，碳纤维在这样的高温下也是巍然不动。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时，碳纤维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下，碳纤维随着温度升高而强度并不增加。但在2000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3650.3.1.6 耐温度骤变，热膨胀系数小 一般材料都有热胀冷缩现象，物理学上用线膨胀系数表示材料在每升高1后长度变化的大小，线膨胀系数越大，热胀冷缩现象愈明显。碳纤维的耐骤冷骤热性能很好，其制品即使从3000的高温一下子猛降到室温也不会炸裂。因为它的线膨胀系数很低。碳纤维受到温度变化时，它的长度方向上不是热胀冷缩，而是热缩冷张，他的膨胀系数是个负数。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零件，即使在温度变化较大的环境中使用，它们也还能保持高度的精确性。3.1.7 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，但它随着温度的变化而变化。随着温度的升高，碳纤维的导热性逐渐变低，在2000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他材料也要低得多。因此，碳纤维是一种很好的高温隔热材料，可以用于火箭、真空电炉外壳。3.1.8 突出的导电性能 电池中的碳棒，各种各样的石墨电极都是很好的导电体，碳纤维的材质同它们一样，只是比它们细的多罢了。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，可以做成柔软的“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。所以电阻值能调节的很高，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。3.1.9 优良的吸附性能 用多孔的原料纤维制得的碳纤维，或普通碳纤维在蒸汽气流中加热到800处理后得到碳纤维，都具有比其他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，很容易与其他化学物质结合。这种多孔活性炭碳纤维与目前工业上广泛应用的吸附材料颗粒活性炭相比较，无论从通气、透水性吸附能力和吸附速度等性能方面，都远远超过了颗粒活性炭。他的通气阻力仅为后者的1512，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后者的1.52倍多。多孔碳纤维在粉末状和颗粒状活性炭未能发挥作用的地方，如在造纸厂和石油化工厂净化等方面，可以得到广泛的应用，特别是对硫醇的吸附量可以提高到4050倍。这样，一张5mm厚的多孔碳纤维纸就能起到20-100mm厚的颗粒状活性炭的作用。而且，活性炭纤维对质量分数低于1010-6的痕量污染物也具有很大的吸附能力。其表现为：一是吸附速度快。把活性炭和活性炭碳纤维做成同样后的吸附层，若以出口质量分数达1010-6作为穿透的话，那么粒状活性炭的吸附层几分钟就穿透了，而活性炭碳纤维的吸附层可达100min。二是脱吸附速度快。对某些气态物质，6d内活性炭碳纤维可以在20min内完全去除，而活性炭在40min内才能脱去50%。这种多孔活性炭碳纤维可以制成丝线、织品和毡，所以使用起来特别方便。此外，由于这种材料的耐热性和耐化学腐蚀性能良好，因此在吸附量饱和后，只要溶剂和药剂把它洗净后即可反复使用。一般经过20次再生处理后，其性能仍能保持不变。所以这也是一种高效、耐用的新型吸附材料。3.1.10 具有耐辐射，能反射中子等特性碳纤维的性能材料弹性模量（Pa）抗拉强度(Pa)密度(kg/m3)比弹性模量(Pam3/kg)比抗拉强度(Pam3/kg)普通型20000010620001061.71031200001031200103普通型25000010630001061.81031400001031700103高模量型40000010625001061.51032100001031300103石墨须晶720000106200001062.210333000010391001033.2 碳纤维的缺点3.2.1 比较脆，怕受压和剪切 碳纤维随能承受大的轴向拉力，但比较脆。碳纤维受力或受到与纤维轴向成斜角的切力时，它并不比其他材料表现得更好，碳纤维尤其害怕“打结”、“急拐弯”，一束碳纤维很难被拉断，但只要打个环扣，轻轻一拉就断。3.2.2 抗氧化性差 谈下内在高温下容易生成二氧化碳，所以不耐氧化。3.2.3 破坏前无预报 碳纤维在断裂前没有预报，一般材料在断裂前都要产生较大的变形，人们可以根据其产生的伸长、弯曲等变形的大小来预先知道他是否受力过大。从而及时地采取措施来防止构件发生意外的断裂和破坏。但碳纤维由于弹性模量高，受力后产生的变形很小，即使当被拉断时也只产生0.5%的伸长变形。因此，碳纤维在断裂之前没有任何明显征兆，人们不能在事故发生之前采取预防措施。4 碳纤维的应用4.1 碳丝由于碳纤维的长丝和丝束的机械性能极其优异，因此其主要用于塑料（环氧树脂、聚酯）和碳丝的增强，碳纤维增强轻金属（铝、镁）应用于宇航方面，其制品主要用在：飞机、火箭等承受高负荷的部件；高压容器；体育用品（网球，高尔夫球拍，滑雪板，赛车，赛船，帆船等）4.2 碳纤维毡和碳素短纤维主要用作绝热材料（如电阻炉和感应电炉）这种绝热材料在500以上可以隔绝空气和其他氧化剂的干扰。碳纤维毡的密度为0.050.2g/cm3，在20时的热导率为610-5310-4W/（mk）用它做成的绝热层的绝热能力大。碳纤维毡和碳素短纤维的其他用途还有：填充塔的填料，侵蚀性气体和液体的过滤材料，催化剂的载体，燃料电池和蓄电池的电极。4.3 碳纤维织物 用作辐射加热的大体积真空炉中轻质、高负荷的电导体，其最高使用温度可达3000左右，此外，还可做超音速飞机制动盘的加强垫层，具有在高温和高摩擦速度下的摩擦性能，又较高的导热性和热容量以及热稳定性，可保证其在极大的负荷下也能具有良好的制动性能。木建筑幕墙、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。4.4 活性炭碳纤维 主要用于吸附废气，净化环境，回收溶剂及有机化合物；净化水；化学防护；高效电容和各种电极材料。5 碳纤维的发展前景 我国碳纤维工业目前处于小中试阶段，从国内市场及原料来看，聚丙烯氰基碳纤维为主。从国际上来看，聚丙烯氰基碳纤维占整个碳纤维生产能力的一半以上，随着产品应用开发的不断进行其产品需求不断增加。据有关资料介绍，用于民间航空的飞机在近几十年将大量采用碳纤维的复合材料来减轻飞机的自身重量。 我国碳纤维除用于航空、航天外，民用品已经开始使用并有较大的市场潜力。据了解山东威海生产的钓鱼竿已使用美国、日本进口的碳纤维。 碳纤维目前在替代采暖材料核心发热体上也有新的贡献，国外，在很多节能采暖设备的核心发热体上已经由以前普遍采用的金属材料逐步升级到碳纤维材料，碳纤维材料在采暖方面的应用主要考虑利用了材料的耐腐蚀，抗氧化（金属容易氧化造成局部击穿），高稳定性，寿命更长（很多产品在300摄氏度下普遍能够达到稳定工作100000小时的时间），热转换率高（97以上）等特点。由于我国在碳纤维材料生产研发方面相对还处在落后的境况，高质量的碳纤维材料还是依靠日韩进口，所以价格居高不下，但随着国内合资、合作形式的出现，以碳纤维为核心技术的产品却已经走入了寻常消费者的家中。 碳纤维的消费量中约有1/3用于宇航工业和航天工业，1/3用于体育用品，1/3用于其他工业。在飞机制造工业方面已显出对碳纤维的更大需求量。碳纤维增强塑料结构正在被大力推广采用，碳纤维在机械制造，运输，建筑等方面的应用也极具潜力。 据调查，国内碳纤维这一块还处于起步（研发）阶段。最近，吉林引进英国PK公司聚丙烯晴基碳纤维年产200吨规模的生产线已建成投产，通用级沥青基碳纤维短丝中试装置（离心法）和通用级沥青基碳纤维长丝中试装置也以基本建成。进一步降低成本和开发纺丝、不溶化技术；提高质量，扩大沥青基碳纤维在复合材料方面的应用；突破高温炉技术；制定我国碳纤维生产发展规划，促进碳纤维的发展，加快科研成果向商品化、工业化转化，使我国尽快在这方面赶上先进国家水平。目前碳纤维发展的重要方向之一就是开发先进的碳纤维生产技术，扩大规模生产，降低成本。碳纤维是一种高性能、多功能的新型材料，在石油、建筑等工业能获得广泛应用，价格应具有可接受性，因此降低价格便成为扩大应用或者碳纤维复合材料发展的关键 6结论随着人们物质需求的不断增加，随着科学技术的发展，我们将面临各种机遇和挑战。碳纤维作为一种新兴的新型材料有着很好发展前景，碳纤维的开发不仅给社会带来一定的经济效益，提高人民的生活质量，它的优良特性使其成为宇航等研制中必不可少的材料。参考文献1姜怀等。纺织材料学。北京：中国纺织出版社。2000.92晏雄 。产业用纺织品。上海：东华大学出版社2003.83 刘宣东。碳纤维及发展展望。山东： 山东纺织科技 1994.3 致谢本文是在关老师精心指导和大力支持下完成的。关老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次毕业论文写作过程中我也学到了许多了课本以外方面的知识，在经验上有了很大的提高。 另外，我还要特别感谢我的同班同学们对论文写作的指导，他们为我完成这篇论文提供了巨大的帮助，使我得以顺利完成论文，在此我衷心的感谢他们。 最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢河南质量工程职业学院毕业设计（论文）评审表一（指导教师用）班级：06级纺织品检验与贸易1班 姓名： 学号：2006110130评价内容具 体 要 求分值评分调查论证能独立查阅文献和调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。10实验方案设计与实验技能能正确设计实验方案，独立进行实验工作。20分析与解决问题的能力能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处理实验数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。20工作量、工作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。20质 量综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结构