复合材料的增强材料--碳纤维

1、2020/7/6，陕西工业大学高分子实验室，第1，3章复合材料增强材料碳纤维，2020/7/6，陕西工业大学高分子实验室，2，2，2，1碳纤维(Carbon Fibre，Cf或CF，2020/7/6，陕西理工大学高分子教研室，3，碳纤维是有机纤维通过固相反应转化的纤维高分子碳，是非金属材料。碳纤维不属于有机纤维，但在制造方法上与普通无机纤维不同。2020/7/6，陕西理工材料大学高分子教研室，4，2.2碳纤维特性强度和高系数，密度小；具有良好的耐酸性。热膨胀系数较小，负值具有良好的高温蠕变特性，通常在达到1900或更高时才会出现永久塑性变形。摩擦系数小，润滑性好，导电性高。碳纤维的缺点：价格昂

2、贵，比玻璃纤维贵25倍以上的抗氧化能力，在热下存在有氧时产生二氧化碳。2020/7/6，陕西理工大学高分子实验室，5，2.3碳纤维性能碳纤维轻质、强度高、系数高、耐热性强；化学稳定性好，除了硝酸等少数强酸外，几乎所有的药物都是稳定的。碳纤维也稳定在碱上。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，6，碳纤维产品具有很好的x射线透性，能切断中子透性，能给塑料导电和导热性。以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢更强、比铝更轻的特性，是目前最受关注的高性能材料之一。它在航空航天、军事、工业、体育装备等许多方面都有广泛的用途。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，7，2.4碳纤维结构模型Polyme

3、r Matrix Composites，PMC，普通高强度高弹性模量类型，2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，2.6碳纤维制造方法，2020/7/6，陕西理工大学高分子教研室，10，天然纤维，再生纤维和合成纤维可用于制造碳纤维。制造碳纤维时的选择条件是加热时不熔化，可制，碳纤维产率高。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，11，碳纤维生产的主要原料是人造丝(粘胶纤维)三种。聚丙烯腈(PNN)纤维；沥青。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，12，以人造丝、聚丙烯腈纤维、沥青为原料的碳纤维各有不同的特点。其中以高强度高模量碳纤维多选聚丙烯腈为原料制造。2020/7/6，陕西工

4、业大学高分子教研室，13，碳纤维由有机纤维的理化处理制成。有机纤维的氧化、碳化、石墨化等是n、h、o的过程，而不是通过几种化学反应有机纤维的碳元素(c)。脱水二氧化碳脱氨氮去除腈等一系列反应过程，生成并去除包含HCN、N2、H2、CO2、CO、NH3等的气体。经过这种处理过程后，最终碳产量只有4045%。但如果加热时间足够长，纤维会起吸氧作用，在分子之间形成氧结合结构，氧的吸收量为810%。2020/7/6，陕西工业大学高分子研究系，14，无论使用什么纱线纤维制造碳纤维，都要经过5个阶段：拉丝，牵伸，稳定，碳化，石墨化，2020/7/6，陕西泛原丝制造碳纤维的过程包括：2020/7/6，陕西工

5、业大学高分子教研室，16，碳化，2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，17，2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室也就是说，纤维的分子链被拉直，与纤维轴方向平行，即使将PNA纤维转化为碳纤维，分子仍保持增强状态，纤维碳化过程中的化学反应将聚合物-CN相互交联，形成结晶的6环结构。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，19，3芳纶纤维，高强度，高模量，高温，耐腐蚀性，低密度，芳香聚酰胺纤维统称，国外商品名称为凯夫拉纤维(美国杜邦纤维)，特点：2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，20，优点，(1)无熔化，(2)高温保持高强度和高弹性系数，(3)耐热性，不易燃烧，(4)大小稳

6、定2020/7/6，聚合工业大学聚合物教研室，21，缺点，(1)压缩性差，压缩强度小于拉伸强度的1/5。(2)紫外线照射时强度下降了很多。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，22，芳纶纤维分子结构，芳纶纤维溶解为苯三胺和苯二胺的聚合物，用液晶发射。2020/7/6，陕西理工大学聚合物教研室，23，4，硼纤维(boron fiber，Bf或Bf)硼纤维(boron fiber，BF或BF)是一种高性能增强纤维，硼沉积在钨丝表面，由高温化学气相法该产品的非强度和非油性很高，也是制造金属复合材料最先使用的高性能纤维。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，24，一般的准备方法是在加热的钨

7、丝表面通过化学反应增设硼层。硼纤维的直径为100米、140米、200米。硼纤维的特性是其弹性系数和强度高，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响，硼纤维的密度为2.42.65g/cm3，拉伸强度为3.25.2GPa，弹性系数为350400GPa。硼纤维具有高温和中子辐射特性。2020/7/6，陕西工业大学高分子研究系，25，硼纤维缺点工艺复杂，批量生产不容易，其价格。由于钨丝的密度高，硼纤维的密度也大。研究了目前代替钨丝使用碳纤维降低成本和密度的方法，结果显示，碳纤维比钨丝减少了5%，但成本降低了25%。2020/7/6，陕西理工大学高分子教研室，26，硼纤维在室温下是惰性物质，但在高温下容易与金

8、属发生反应，因此表面应沉积SiC层，称为Bosic纤维。硼纤维主要用于聚合物基和金属基复合材料。工艺复杂，不易批量生产，价格昂贵。由于钨丝的密度高，硼纤维的密度也大。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，27，硼纤维具有较高的弹性系数和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响。硼纤维的密度为2.4 2.65 g/cm3，拉伸强度为3.2 5.2 GPa，弹性系数为350 400 GPa。硼纤维的优点，2020/7/6，聚合时工科大学聚合物教研室，28，空气中硼纤维的拉伸强度随着温度的提高而降低。大约200个硼纤维特性基本不变。在315，1000小时内，硼纤维强度将损失70。加热到650，

9、硼纤维强度完全丧失。2020/7/6，陕西工业大学高分子教务室，29，硼纤维的弯曲强度高于拉伸强度，平均拉伸强度为310 MPa，拉伸酒量为420 GPa。，2020/7/6，陕西工业大学高分子教务室，30，室温下硼纤维的化学稳定性好，但表面活性好，可在不经处理的情况下与树脂合成，制作的复合材料层间剪切强度高，2020/7/6，陕西工业大学高分子教务室，31，现取代钨丝，碳结果表明，卡西姆硼纤维的强度比钨硼纤维减少了5%，但成本降低了25%。2020/7/6，陕西理工大学高分子教研室，32，硼纤维在室温下是惰性物质，但在高温下容易对金属反应。因此，表面需要沉积SiC层，称为Bosic纤维。硼纤

10、维主要用于聚合物基和金属基复合材料。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，33，往复式主格柱用硼纤维增强铝基复合材料，2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，34，硼铝复合材料制成的航天飞机主格架强度高，刚度强，铝合金，2020/7/6，陕西工业大学高分子研究系，35，1959年美国泰莉首先发表了用化学气相沉积法制造高性能硼纤维的论文，受到美国空军材料实验室的高度关注，积极推进了硼纤维及其复合材料的开发。美国AVCO，TEXFROU公司是硼纤维的主要生产企业。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，36，目前硼纤维的一般制造方法是通过化学反应在加热的钨丝表面沉积硼层。硼纤维的直径

11、为100米、140米、200米。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，37，硼纤维具有优良的机械性能，高强度，高模量，小密度。硼纤维具有高温和中子辐射特性。2020/7/6，陕西理工大学高分子教研室，38，5，氧化铝以氧化铝为主纤维成分的陶瓷纤维统称为氧化铝纤维(Aluminia Fibre，AF或(Al2O3 )f)。2020/7/6，陕西理工大学高分子教研室，39，氧化铝纤维铝酰亚胺纤维，AF多晶连续纤维，除Al2O3外约15% SiO2。优点：370强度几乎不减之前，耐热性和抗氧化性都很好。缺点：所有纤维中密度最大。用途：主要用于金属基复合材料。2020/7/6，陕西工业大学高分子

12、教研室，40，一般氧化铝含量大于70的纤维状称为氧化铝纤维；氧化铝含量小于70，其余的则是硅氧烷和杂质较少的纤维称为硅铝纤维。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，41，氧化铝纤维的特性(1)耐热性，在空气中加热到1250，保持室温强度的90%，碳纤维通常氧化400以上燃烧。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，42，(2)不被熔融金属侵蚀，能与金属很好地配合。(3)表面活性好，无需表面处理。也就是说，可以与树肥和金属合成。(4)良好的耐化学性和耐氧化性，特别是在高温下。2020/7/6，陕西理工大学高分子教研室，43，(5)氧化铝强化复合材料压缩性好，压缩强度比GFRP高3倍以上

13、，疲劳强度比3倍以上，强度比107次反复交变负载后静强度70%以下。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，44，(6)电绝缘，电波透射率。这与FRP相比，介电常数和损耗值较小，并且随着频率的变化，电波传送得更好。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，45，氧化铝纤维的应用考虑到这些特性，氧化铝纤维适合制造需要轻便、高强度和耐热性的结构件。利用它制作雷达天线罩，其刚度比FRP高，通过电波更好，对高温更强。2020/7/6，陕西工学院高分子教研室，46，制作由氧化铝纤维合成材料构成的导弹壳体，天线可以安装在弹内，而无需打开天线窗。目前氧化铝纤维的用途处于开发阶段，不久将在航空、宇宙、卫

14、星、交通、能源等领域得到广泛应用。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，47，氧化铝纤维不足，密度较大，约3.20 g/cm 3是纤维中最大的。2020/7/6，陕西工业大学高分子研究室，48，6，碳化硅纤维碳化硅纤维(Silicon Carbide Fibre，SF或SiCf)是以碳和硅为主要成分的一种陶瓷纤维。2020/7/6，陕西工业大学高分子实验室，49，6.1碳化硅纤维性能SiC纤维是一种高强度、高模量的纤维，具有良好的耐化学性、耐高温性和耐辐射性。2020/7/6，陕西工业大学高分子教研室，50，(1)代表日本碳公司的试制、产品名称、尼卡隆，主要性能如下表：2020/7/6，

15、陕西工业大学高分子教研室，51，尼卡隆的一般性能，2020/7/6，陕西工业大学高分子实验室，52，(2)热特性碳化硅纤维耐热性强，在1000以下机械性能(抗拉强度和弹性系数)基本不变，可长期使用。仅当温度超过1300时，性能才开始下降。因此，碳化硅纤维比碳纤维或硼纤维高温稳定性好，耐高温性好。2020/7/6，陕西工业大学高分子实验室，53，(3)耐化学性碳化硅纤维具有良好的耐化学性，80耐强酸性(HCl，H2SO4，HNO 3)；以30纳米蚀刻20小时后，纤维低于失重1，机械性能不变。碳化硅纤维在1000以下不反应，渗透性好，对金属的合成也有好处。2020/7/6，陕西理工大学高分子教研室，54，(4)辐照和微波吸收特性碳化硅纤维在辐照过程中，碳化硅纤维的强度没有明显下降，在通量为3.2 10中子/秒的快中子下，1.5小时或能量为105中子伏，200纳秒的强脉冲光下。2020/7/6，陕西理工大学高分子教研室，55，SiC纤维具有良好的半导体特性，与金属的兼容性，常用于金属基和陶瓷基复合材料。2020/7/6，陕西工业大学高分子实验室，56，6。2碳化硅纤维的应用碳化硅纤维具有耐高温性、耐腐蚀性、耐辐射性