碳纤维及其复合材料讲解

Carbonfiberanditscompositematerials 碳纤维及其复合材料张慧冯浩辉车腾伟 1 2 世界上最早的碳纤维 源于19世纪60年代 爱迪生发明电灯的时期当时的白炽灯灯丝用的是碳纤维 2 2020 4 22 目录 概述性能优势分类应用工艺总结 3 2020 4 22 概述 碳纤维是由有机纤维或低分子烃气体原料加热至1500 所形成的纤维状碳材料 其碳含量为90 它是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的物质 石墨纤维 含碳量高于99 的碳纤维 碳纤维经2200 3000度高温石墨化处理得到石墨纤维 4 2020 4 22 PAN基碳纤维 由日本人发明 经英国瓦特完成制造新工艺 从而发展迅速碳化率高 40 45 高强度 高模量 性能优良占碳纤维总产量的90 以上 5 2020 4 22 沥青基碳纤维 通过制备沥青纤维转化中间相沥青后再碳化具有高拉伸模量 但强度较低 成本高美国UCC公司生产世界上最好的沥青基碳纤维 其中K1100X具有最高模量 966GPa 有最好的热导率 6 2020 4 22 粘胶基碳纤维 1959 美国联合碳化物公司UCC开始生产特性耐烧蚀 应用于军工及航天飞行器 但碳化率低 20 30 工艺复杂 能耗较多 有被PAN基取代的趋势 我国中科院山西煤化研究所建成吨级粘胶基碳纤维生产线 以供国防需求 7 2020 4 22 性能优势 1 高强度 是钢铁的5倍 2 出色的耐热性 可以耐受2000 以上的高温 3 出色的抗热冲击性4 低热膨胀系数 变形量小 5 热容量小 节能 6 比重小 钢的1 5 7 优秀的抗腐蚀与辐射性能8 抗疲劳9 具有柔曲性和可编性 8 2020 4 22 分类 9 2020 4 22 1 碳纤维增强陶瓷基复合材料用碳纤维增强陶瓷可有效改善韧性 改变陶瓷脆性断裂形态 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材料是碳纤维增强碳化硅材料 在航空发动机 可重复使用航天飞行器等领域广泛应用 10 2020 4 22 2 C C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 主要由各类碳组成 即纤维碳 树脂碳和沉积碳 这种材料除具备高强度 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 在高温环境中 强度高 不熔不燃 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领域 11 2020 4 22 3 碳纤维增强金属基复合材料碳纤维增强金属基复合材料具有高的比强度和比模量 高的韧性和耐冲击性能 目前碳纤维增强铝 镁基复合材料的制备技术比较成熟 12 2020 4 22 4 碳纤维增强树脂基复合材料 CFRP 它具有轻质 高强 耐高温 抗腐蚀 热力学性能优良等特点 被广泛应用作结构材料及耐高温烧蚀材料 13 2020 4 22 应用 文体器材 轻量化 刚性 敏感性 吸能减震应用 14 2020 4 22 早在1992年 美国通用汽车公司就提出了超轻概念车 该车车身采用碳纤维复合材料 由手工碳纤维预浸料工艺制造 整体车身的质量为191公斤 用碳纤维取代钢材制造车身和底盘构件 可减轻质量68 从而节约汽油消耗40 工业交通 轻量化 高速化 耐疲劳 减震应用 15 2020 4 22 16 2020 4 22 F1车队采用碳纤维制造赛车车身和碰撞缓冲构件 从而显著减少赛事中的重伤事故 碳纤维复合材料的能量吸收能力比金属材料高4倍到5倍左右 另外 高铁车厢 制动刹车 转向滑块 超导支撑件都由碳纤复合材料制作 17 2020 4 22 工业能源 导电性 耐蚀性 抗辐射 轻量化 耐疲劳 刚性 减震等应用 1 核材料离心机的旋转筒体 用比强度高的材料才能获得高转速和高的分离效率2 海底油田用管 绳索等 各种传感及电磁屏蔽 防静电 非磁性导线等3 4 18 2020 4 22 IT行业 轻量化 耐疲劳 刚性 减震等应用 SonyX505 sp10 4寸785g 19 2020 4 22 三脚架 轻量化 耐疲劳 刚性 减震等应用 富曼图055CX系列采用最新碳纤维生产技术 制成的100 纯碳纤圆形脚管 使脚架自重更轻 提高稳定性及耐用度 20 2020 4 22 其他方面的应用 土建 碳纤增强水泥 木材 各种桥梁管道 遂道等化工 密封填料 保温材料 压力罐等医疗 X射线透过性好 各种人体替换部件其它 机器人臂 复合电缆 以及各种重要的机械应用 21 2020 4 22 工艺 碳纤维制造工艺树脂基复合材料预浸布成型工艺纤维缠绕成型工艺拉挤工艺树脂传递模压工艺RTM高端自动铺带机 铺丝机 ATL AFP 22 2020 4 22 碳纤维制造工艺 1 聚丙烯腈PAN配液 纺丝 湿法 干喷湿纺 表面处理 收丝 PAN原丝 2 23 2020 4 22 树脂基复合材料 CFRP CFRTP 1 基体树脂CFRP 环氧树脂EP 双马酰亚胺树脂BMI 热固聚酯亚胺PI 氰酸脂 2 CFRTP热塑性树脂 聚醚醚酮 聚苯硫醚和聚醚砜主要生产预浸带料 CFRTP粒料 使用同玻纤增强粒料 一般加纤不超过30 纤长3 7mm 24 2020 4 22 预浸布成型工艺钓鱼竿工艺流程 裁布 烫接 卷制 缠带 固化 脱模 切断 研磨 最后涂装 25 2020 4 22 纤维缠绕成型工艺 将一连续长纤维束带采用连续反复缠绕到回转的芯模上 通常不能实现纵向 0 方位 的纤维缠绕以及局部增厚或加筋 图1Entec公司的AFW机床 26 2020 4 22 拉挤工艺 27 2020 4 22 树脂传递模塑工艺RTM 编织物或缝编预成型体放置在模穴内 注入树脂和固化 28 2020 4 22 编织物或缝编工艺 29 2020 4 22 高端自动铺带机 铺丝机 ATL AFP 适应航空制造大型整体化 高可靠 高效率要求 铺丝头结构 a 筒形全复材机身构件b A380後机身构件 波音78741段前机身加工由Ingersoll卧式AFP机床完成 30 2020 4 22 总结 碳纤维复合材料 CFRP 具有轻质 高强度 高刚度 抗疲劳和耐腐蚀等优异性能 为了解决全球气候变暖 温室气体排放的环境问题 碳纤维复合材料在大型飞机 风力发电叶片 汽车部件 石油开采抽油杆 电力输送电缆等领域的应用将推动节能减排的实现 碳纤维复合材料的使用实现了材料的轻量化 从而达到了