碳纤维复合增强材料

碳纤维增强

复合材料

Contents1.碳纤维的发展2.碳纤维的特性3.碳纤维增强基复合材料的分类4.碳纤维增强复合材料加工工艺5.碳纤维增强复合材料的应用定义

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。它和它的复合材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、比重小和热胀胀系数小等优异性能，碳纤维单独使用时主要是利用其耐热性、耐蚀性、导电性和其它性质。1、碳纤维的发展1.1国外碳纤维的发展历程1、1965年-1967年美国的UCC公司曾以粘胶纤维为原料研究开发了粘胶纤维基碳纤维，但未推广。2、1980年前波音公司将碳纤维用于757飞机作部件，1985年-1990年欧美航空、航天业碳纤维用量不多，但对其复合材料产品性能的提高和加工技术都进行了深入的研究。3、在70代末，英国Courtaulds公司进行大丝束碳纤维的研究，1985年开发出了48K以上大丝束碳纤维4、目前，日本东丽公司生产的碳纤维无论质量还是产量都居世界前列，可代表当今世界水平。1.2我国碳纤维的发展历程

我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维，至今已有三十多年的历史。我国从“六五”开始研制高强II型碳纤维（相当于T300），但历经20年，产品性能指标仍未达到T300标准，至今仍处于中试放大阶段。因此，急需大开展国内各科研单位的协作，并引进必要的技术和设备，以推动我国碳纤维生产的发展。2、碳纤维的主要特性高强度（是钢铁的5倍）出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)出色的抗热冲击性低热膨胀系数(变形量小)热容量小（节能）比重小（钢的1/5）优秀的抗腐蚀与辐射性能碳纤维力学性能性能对比3、碳纤维增强复合材料的分类碳纤维增强树脂复合材料碳/碳复合材料碳纤维增强陶瓷基复合材料碳纤维增强金属基复合材料碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性,改变陶瓷的脆性断裂形态,同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。碳纤维增强陶瓷基复合材料泥浆浸渗和混合工艺，化学合成工艺，熔融浸渗工艺，原位化学反应碳/碳复合材料

碳/碳复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称,也是一种高级复合材料。它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成。碳/碳复合材料主要由各类碳组成,即纤维碳、树脂碳和沉积碳。性能比较碳碳复合材料特性烧蚀性能化学稳定性生物物容性123烧蚀性能烧蚀性能：在高温高压气流冲刷下，通过材料发生的热解、气化、融化、升华、辐射等物理和化学过程，将材料表面的质量迁移带走大量的热量，达到耐高温的目的。C/C的升华温度高达3600℃，在这样的高温度下，通过表面升华、辐射除去大量热量，使传递到材料内部的热量相应地减少。化学稳定性C/C除含有少量的氢、氮和微量金属元素外，几乎99%以上都是元素C，因此它具有和C一样的化学稳定性。耐腐蚀性：C/C像石墨一样具有耐酸、碱和盐的化学稳定性.氧化性能：C/C在常温下不与氧作用，开始氧化温度为400℃，高于600℃会严重氧化。提高其耐氧化性方法—成型时加入抗氧化物质或表面加碳化硅涂层。为满足航天构件内外侧不同性能，西工大，陈强对其进行了密度梯度研究，来调节隔热性能缓和因内外温差而产生的热应力，减少热应力破坏。生物物容性生物相容性好：是人体骨骼、关节、颅盖骨补块和牙床的优良替代材料；西北工业大学，熊信柏等人对其进行细胞毒性评价,实验证实且细胞毒性评价表明该涂层无毒性。得出：(1)机体组织对其适应性好；(2)在生物体内稳定、不被腐蚀(3)强度高、耐疲劳、韧性好，并可以通过结构设计，对材料性能进行调整以满足特定的力学要求。碳纤维增强金属基复合材料

碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比,具有高的比强度和比模量;与陶瓷相比,具有高的韧性和耐冲击性能,金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等,其中,碳纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟。碳纤维增强树脂复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是目前最先进的复合材料之一。它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料,是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。

目前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料。4、加工成型方法喷射成型工艺拉挤成型注射成型纤维缠绕成型喷射成型

喷射成型是通过喷枪将短切纤维和雾化树脂同时喷射到开模表面，经辊压、固化制取复合材料制件的方法。它是为改进手糊成型而创造开发的一种半机械化成型技术。

其优点是生产效率比手糊提高2～4倍，劳动强度低，可用较少设备投资实现中批量生产，材料成本低；制品整体性好，制件的形状和尺寸不受限制。

主要缺点是现场污染大，树脂含量高，制件的承载能力低。反应注射成型

反应注射成型(RIM)主要是热塑性塑料的注塑成型。

RIM的基本原理是将两种反应物(高活性的液状单体或齐聚物)精确计量，经高压碰撞混合后充入模内，混合物在模具型腔内迅速发生聚合反应固化成型。其突出特点是生产效率高、能耗低。纤维缠绕成型

纤维缠绕成型是将浸渍树脂的纤维丝束或带，在一定张力下，按照一定规律缠绕到芯模上，然后在加热或常温下固化成制品的方法。

纤维缠绕成型的主要特点是，纤维能保持连续完整，制件线形可按制品受力情况设计即可按性能要求配置增强材料，结构效率高，制品强度高；可连续化、机械化生产，生产周期短，劳动强度小；产品不需机械加工，但设备复杂。拉挤成型

拉挤成型是一种连续生产固定截面型材的成型方法。主要过程是将浸有树脂的纤维连续通过一定型面的加热口模，挤出多余树脂，在牵引条件下进行固化。拉挤成型的最大特点是连续成型，制品长度不受限制，力学性能尤其是纵向力学性能突出，结构效率高，制造成本低，自动化程度高，制品性能稳定，生产效率高，原材料利用率高，不需要辅助材料。5、碳纤维复合材料的应用体育方面的应用航空领域的应用石油开发中的应用在电动汽车上的应用在压缩天然气储存方面的应用应用在核电中的应用碳复合材料应用碳纤维在体育领域的大显神威高尔夫球棒

用CFRP制成的高尔夫球棒、可减轻重量约10一40％。根据动量守恒定律，可使球获得较大的初速度。另一方面．CFRP具有高的阻尼特性，可使击球时间延长,球被击得更远羽毛球拍

碳纤维增强复合材料刚成的羽毛球拍其特点是重量轻、刚性大、避免了木制品因其刚性不足而造成的断把现象.同时它还具有与上述网球拍一样的优点。网球拍复合材料制成的网球拍,轻而坚，刚性大，应变小，可降低球与球拍接触时的偏离度。航天领域新进展

碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上，碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料，在美国侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用，美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料。在压缩天然气储存方面的应用

压缩天然气（CompressedNatural

Gas,CNG)是一种较理想的能源，具有成本低、效益高、无污染、使用安全等特点，作为汽车动力和生活燃料来源已有几十年历史。

作为CNG储存容器的气瓶是CNG动力的关键部件。由于CNG汽车的逐渐推广，CNG气瓶将具有十分广阔的前景。CNG气瓶可用合金钢瓶，也可以是复合材料气瓶。碳纤维复合材料气瓶具有以下优点：①力学强度高，提高汽车的有效载荷，增加行驶速度②破损安全性好,少量纤维断裂时，其载荷会迅速重新分配在未破坏的纤维上，这在短期乃至相当一段时间内不致使气瓶丧失承载能力③减震性好。复合材料中纤维与树脂基体界面具有吸震能力，震动阻尼甚高，抗声振疲劳性亦佳。石油开发中的应用杆泵抽油系统中，抽油杆是关键部件之一。

传统金属抽油杆自身重大，易腐蚀，疲劳性能较差，采油事故发生率高，而采用碳纤维复合材料拉挤成型技术开发的连续抽油杆具有轻质、高强、耐腐蚀、耐磨损的特点，使采油效率大为提高，广泛适用于高含水油井、深井、超深井和腐蚀井的原油开采。在电动汽车上的应用

当前，汽车工业正面临资源和环境的严峻挑战，推进汽车轻量化以降低油耗，是汽车工业发展的主题。

复合材料因具有加工能耗低、轻质高强、可设计性强、耐锈蚀、成型工艺性好等优点，成为汽车工业以塑代钢的理想材料。采用碳纤维复合材料制造汽车部件，可减少汽车质量节省燃料、提高驾驶舒适性、改善抗冲击安全性、提高减振性能、便于汽车部件的整体组装，与其他纤维增强复合材料相比更适于成为汽车轻量化材料。在核电中的应用

电力是国家能源的重中之重，作为典型的清洁能源，核电具有很多优势，实现核电清洁能源的关键是核燃料的供应，一个核燃料生产工厂一般由数10万台相同的专用分离器组成，如果能够提高每个分离器的生产能力，则整个工厂的生产能力会得到极大地提