复合材料增强体碳纤维

1、复合材料增强体碳纤维要点回顾要点回顾复合材料增强体材料复合材料增强体材料纤维增强材料纤维增强材料无无机机纤纤维维有有机机纤纤维维玻璃纤维、玻璃纤维、 特种玻璃纤维、特种玻璃纤维、碳纤维碳纤维颗粒增强材料颗粒增强材料晶须增强材料晶须增强材料芳纶纤维、聚乙烯纤、芳纶纤维、聚乙烯纤、 尼尼龙纤维龙纤维2 碳纤维是由碳元素碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。最组成的一种高性能增强纤维。最高强度可达高强度可达7000MPa，弹性模量可达，弹性模量可达900GPa，密度约，密度约为为1.82.1g/cm3，并具有低热膨胀、高导，并具有低热膨胀、高导热、耐磨、热、耐磨、耐高温、耐腐蚀等性能。耐高温、耐

2、腐蚀等性能。碳纤维概述碳纤维概述碳纤维由高度取向的石墨片层组成，具有明显的各向异性，沿纤维轴向性能碳纤维由高度取向的石墨片层组成，具有明显的各向异性，沿纤维轴向性能高，沿横向性能差。高，沿横向性能差。33.1 发展历史发展历史（Carbon Fibre, CF或或Cf）的开发历史可追）的开发历史可追溯到溯到19世纪末期世纪末期，美国科学家爱迪生发明的白炽灯，美国科学家爱迪生发明的白炽灯灯丝，而真正作为灯丝，而真正作为有使用价值有使用价值并规模生产的碳纤维并规模生产的碳纤维，则出现在，则出现在二十世纪二十世纪50年代末期年代末期。41959年美国联合碳化公司年美国联合碳化公司(Union Car

3、bide Corporation，UCC)以粘胶纤维以粘胶纤维(Viscose firber)为原丝制成商品名为为原丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的的(Rayon-based carbon firber)。1962年日本年日本炭素公司炭素公司实现低模量实现低模量(Polyacry lontrile-based carbon firber，PANCF)的工业化的工业化生产生产;51963年英国年英国航空材料研究所航空材料研究所(Royal Aircraft Establishment，RAE)开发出高模量开发出高模量；1965年日本群马大学试制成功年日本群马大学试制成功以沥青或木质

4、素为原以沥青或木质素为原料料的的；1970年日本昊羽化学公司实现年日本昊羽化学公司实现Pitch-based carbon fiber的工业规模生产；的工业规模生产；61968年美国金刚砂公司研制出商品名为年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol”的的Phenolic fibers;1980年以年以酚醛纤维为原丝酚醛纤维为原丝的的(Fibrous activated carbon)投放市场。投放市场。71988年，世界年，世界总生产能力为总生产能力为10054吨吨/年，其年，其中中为为7840吨，占总量的吨，占总量的78。日本。日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力约是最大的聚丙烯腈基

5、碳纤维生产国，生产能力约3400吨吨/年，占总量的年，占总量的43。美国的碳纤维主要用于美国的碳纤维主要用于航空航天航空航天领域，欧洲在航空航领域，欧洲在航空航天、体育用品和工业方面的需求比较均衡，而日本则以天、体育用品和工业方面的需求比较均衡，而日本则以体体育器材育器材为主。为主。8 是由是由有机纤维有机纤维经经固相反应固相反应转变而成的转变而成的纤纤维状聚合物碳维状聚合物碳，是一种非金属材料。，是一种非金属材料。不属于不属于有机纤维有机纤维范畴，但范畴，但从制备方法上从制备方法上看看，它又不同于，它又不同于普通无机纤维普通无机纤维。9碳纤维具有碳纤维具有、；好，除硝酸等少数强酸外，几乎对所

6、好，除硝酸等少数强酸外，几乎对所有药品均稳定；另外，碳纤维对有药品均稳定；另外，碳纤维对也稳定。也稳定。10具有非常优良的具有非常优良的X射线透过性射线透过性，阻止中阻止中子透过性子透过性，还可，还可赋予塑料赋予塑料以以和和。 以碳纤维为增强剂的复合材料以碳纤维为增强剂的复合材料具有具有的特性，是一种目前最受重视的高性能材料之一。它的特性，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。广泛的用途。 11当前，国内外已商品化的当前，国内外已商品化的很多，一般很多，一般可以根据可以根据、和和等三种方法进

7、行分类。等三种方法进行分类。12在高性能碳纤维中，有在高性能碳纤维中，有碳纤维、碳纤维、碳碳纤维、纤维、碳纤维等。碳纤维等。这类碳纤维中，有这类碳纤维中，有纤维、纤维、纤维、纤维、纤维等。纤维等。13(1)纤维；纤维；(2)碳纤维；碳纤维；(3)碳纤维；碳纤维；(4)碳纤维；碳纤维；(5)其他其他(各种天然纤维、再生纤各种天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族合成纤维维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。碳纤维。14(1)碳纤维碳纤维(2)碳纤维碳纤维(3)碳纤维碳纤维(吸附活性吸附活性)(4)碳纤维碳纤维(5)碳纤维碳纤维(6)碳纤维碳纤维15是一种是一种以碳为主要成分以碳为主要成分的纤维状材料。

8、它不的纤维状材料。它不同于同于有机纤维有机纤维或或无机纤维无机纤维，不能用，不能用熔融法或溶液法熔融法或溶液法直直接纺丝，只能接纺丝，只能以有机物为原料以有机物为原料，采用，采用制造。制造。16可分为两种类型，可分为两种类型，即即和和。 17是是在惰性气氛中在惰性气氛中，(如烃或如烃或芳烃等芳烃等)在高温下在高温下沉积成纤维。沉积成纤维。用这种方法只能制造用这种方法只能制造或或，不能制造，不能制造连续长丝连续长丝。18可以制造可以制造，它，它通常分为两步进行：通常分为两步进行：将将有机纤维有机纤维经过经过变成变成耐焰纤维耐焰纤维；19在惰性气氛中在惰性气氛中，于高温下进行，于高温下进行，使有机

9、纤维失去，使有机纤维失去部分碳部分碳和和其它非碳原子其它非碳原子，形成形成的纤维状物。的纤维状物。20天然纤维天然纤维、再生纤维再生纤维和和合成纤维合成纤维都可用来都可用来制备制备。制备制备时时，是是加热时不熔加热时不熔融融，可牵伸可牵伸，且，且碳纤维产率高碳纤维产率高。21制作碳纤维的制作碳纤维的有三种：有三种：人造丝人造丝(粘胶纤维粘胶纤维)；聚丙烯腈聚丙烯腈(PNN) 纤维；纤维；沥青。沥青。22用用人造丝人造丝、聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维、沥青沥青为原为原料生产的碳纤维各有其不同特点。料生产的碳纤维各有其不同特点。其中，制造其中，制造高强度高强度、高模量高模量碳纤维多选碳纤维多选为原料。

10、为原料。23无论用哪一种无论用哪一种原丝纤维原丝纤维来制造碳纤维，都来制造碳纤维，都要经过要经过：24可用可用湿法湿法、干法干法或者或者熔融状态熔融状态三种中的三种中的任意一种方法进行。任意一种方法进行。25在室温以上，通常是在室温以上，通常是100-300 范围内进行范围内进行。W.Watt首先发现首先发现的拉伸效应的拉伸效应，而且这种效应控制着最终，而且这种效应控制着最终。 26通过通过400 加热氧化加热氧化的方法。的方法。400 的氧化阶段的氧化阶段是是A. Shindos 最近最近在工艺上在工艺上做出的贡献。它显著地降低所有的热失重，并因此做出的贡献。它显著地降低所有的热失重，并因此

11、保证高度保证高度和取得和取得。27在在1000-2000 范围内进行。范围内进行。在在2000-3000 范围内进行。范围内进行。28在制备在制备的过程中，无论采用什么的过程中，无论采用什么原材料，都要经过上述五个阶段，即原材料，都要经过上述五个阶段，即、以及以及等，所产生的最终纤维，其基本成分为碳。等，所产生的最终纤维，其基本成分为碳。291碳纤维的碳纤维的与与2碳纤维的碳纤维的3碳纤维的碳纤维的30材料的材料的主要决定于材料的主要决定于材料的。结构有两方。结构有两方面的含义，一是面的含义，一是，二是，二是。31以以PANPAN基碳纤维的结构为例，具有如下结构：基碳纤维的结构为例，具有如下结

12、构：基基 本本 单单 元元：是六角平面石墨层；：是六角平面石墨层；二级结构单元二级结构单元：由数张至数十张石墨层片组成的石墨微晶；：由数张至数十张石墨层片组成的石墨微晶；三级结构单元三级结构单元：是由石墨微晶组成的狭长是由石墨微晶组成的狭长带状原纤带状原纤。原纤沿纤维轴向有较高择优取。原纤沿纤维轴向有较高择优取向，但向，但并不与轴向完全吻合，有一定夹角（约正负并不与轴向完全吻合，有一定夹角（约正负1010度）度）。产生。产生夹角的原因是夹角的原因是石墨微晶在生长过程中，可能会出现石墨层平面错位，以石墨微晶在生长过程中，可能会出现石墨层平面错位，以及杂质导致石墨微晶生长方向改变及杂质导致石墨微晶

13、生长方向改变。32决定于决定于与与。对对有机纤维有机纤维进行进行、等工艺处理的目等工艺处理的目的是，除去的是，除去有机纤维中有机纤维中碳以外的元素，形成碳以外的元素，形成平面结构。平面结构。33在在形成的过程中，随着原丝的不同，重量损形成的过程中，随着原丝的不同，重量损失可达失可达10-80，因此形成了各种微小的缺陷。，因此形成了各种微小的缺陷。但是，无论用哪种原料，但是，无论用哪种原料，高模量碳纤维中高模量碳纤维中的的总是总是沿纤维轴沿纤维轴。 碳纤维的力学性能与石墨层片的取向度有很大碳纤维的力学性能与石墨层片的取向度有很大的关系。例如杨氏模量随着石墨层片趋向于纤维轴的关系。例如杨氏模量随着

14、石墨层片趋向于纤维轴向而明显增大。向而明显增大。34用用x射线射线、电子衍射电子衍射和和电子显微镜电子显微镜研究发现研究发现，真实的，真实的并不是理想的石墨点阵结并不是理想的石墨点阵结构，而是属于构，而是属于。35乱层石墨结构乱层石墨结构：带状原纤沿纤维轴向取向，聚集成直径带状原纤沿纤维轴向取向，聚集成直径68微米碳纤维；微米碳纤维；36在在中，中，是基本的结构单是基本的结构单元，若干层片组成元，若干层片组成，微晶堆砌成直径数十纳米，微晶堆砌成直径数十纳米、长度数百纳米的、长度数百纳米的，原纤则构成了，原纤则构成了，其直径约数微米。，其直径约数微米。37实测碳纤维实测碳纤维约约0.339-0.

15、342 nm，比比(0.335nm)略大，各略大，各平行层面间平行层面间的碳原子排列的碳原子排列也不如石墨那样规整。也不如石墨那样规整。38依据依据C-C键的键的计算得到的计算得到的强度和模量强度和模量分别为分别为180 Pa和和1000 GPa左右。而左右。而的实际的实际强度和模量强度和模量远远低于此理论值。远远低于此理论值。这主要是由于这主要是由于和和所造成的。所造成的。39主要是指主要是指结构不匀结构不匀、直径变异直径变异、微孔微孔、裂缝或沟槽裂缝或沟槽、气孔气孔、杂质杂质等。等。来自两个方面，一是来自两个方面，一是原丝中特有的原丝中特有的，二是，二是在碳化过程中产生的在碳化过程中产生的

16、。40主要是主要是在纤维成形过程中在纤维成形过程中产产生的。而生的。而在碳化时在碳化时，则由于从纤维中会，则由于从纤维中会释放出特释放出特种气体物质种气体物质，进而，进而在纤维表面及内部在纤维表面及内部产生产生等缺陷。等缺陷。41碳纤维的碳纤维的为一直线，由于伸为一直线，由于伸长小，断裂过程在瞬间完成，所以长小，断裂过程在瞬间完成，所以不容不容易发生屈服。易发生屈服。42碳纤维碳纤维比石墨大，所以它比石墨大，所以它的的都明显高于石墨；都明显高于石墨；而碳纤维的而碳纤维的，较差较差，轴向，轴向抗压强度抗压强度仅为仅为抗张强度抗张强度的的10-30，而且不，而且不能结节。能结节。43表表 不同品种

17、碳纤维的力学性能不同品种碳纤维的力学性能44碳纤维的比重在之间，这除了与碳纤维的比重在之间，这除了与有关有关外，主要还决定于外，主要还决定于。一般情况下，经过高温一般情况下，经过高温(3000 )，比重，比重可达可达2.0。 45碳纤维碳纤维的的与与其它类型纤维其它类型纤维不同，它有不同，它有的特点。的特点。是负值是负值(-0.72 -0.90 10 -6 /)，而，而是正值是正值( 32 22 10-6 /)。46碳纤维的碳纤维的一般为一般为7.12 l0-1 kJ( kg )。，平行于纤维轴方向平行于纤维轴方向导热率为导热率为0.04卡卡/秒秒厘米厘米度，而度，而垂直于纤维轴方向垂直于纤维

18、轴方向为为0.002卡卡/秒秒厘厘米米度。度。 47碳纤维的碳纤维的与与纤维的类型纤维的类型有关。在有关。在25时时，为为775 u cm，为为1500 u cm。碳纤维的碳纤维的为正值，而铝合金的电动势为为正值，而铝合金的电动势为负值。因此当负值。因此当碳纤维复合材料碳纤维复合材料与与铝合金铝合金组合应用时组合应用时会发生会发生电化学腐蚀电化学腐蚀。48的的化学性能化学性能与与很相似。它除能被很相似。它除能被强氧强氧化剂氧化化剂氧化外，对外，对一般酸碱一般酸碱是惰性的。可被硝酸、硫酸是惰性的。可被硝酸、硫酸、次氯酸钠等腐蚀，但一般来说还是比较耐化学试剂、次氯酸钠等腐蚀，但一般来说还是比较耐化学试剂腐蚀的，属于耐化学腐蚀优异品级。腐蚀的，属于耐化学腐蚀优异品级。在在中，当温度高于中，当温度高于400 时，则会出现时，则会出