碳纖維txw.ppt

演講人 劉志堅(jiān) 碳纖維 碳纖維的起源 碳纖維的起源1860年 英國(guó)人瑟夫 斯旺將細(xì)長(zhǎng)的繩狀紙片碳化制取碳絲 以此制作電燈的燈絲 大約在1879年 他把棉紗浸入硫酸 焦干處理 然后碳化 或?qū)⑾趸w維素從膜孔中擠出成絲 然后在碳化 并獲得專利 由于當(dāng)時(shí)解決不了燈泡的真空問題 所以沒有實(shí)用化意義 但是 碳絲的起源或溯源點(diǎn)應(yīng)該是從他開始的 碳纖維燈管 由有機(jī)纖維或低分子烴氣體原料在惰性氣氛中經(jīng)高溫 1500 C 碳化而成的纖維狀碳化合物 其碳含量在90 以上 特點(diǎn) 碳纖維 具有高的比強(qiáng)度和高模量 熱膨脹系數(shù)小 尺寸穩(wěn)定性好 被大量用作復(fù)合材料的增強(qiáng)材料 用碳纖維制成的樹脂基復(fù)合材料比模量比鋼和鋁合金高5倍 比強(qiáng)度高3倍以上 同時(shí)耐腐蝕 耐熱沖擊 耐燒蝕性能均優(yōu)越 因而在航空和航天工業(yè)中得到應(yīng)用并得到迅速發(fā)展 碳纖維的制造 通常采用一些含碳的有機(jī)纖維 如尼龍絲 腈綸絲 人造絲等 做原料 將有機(jī)纖維跟塑料樹脂結(jié)合在一起 放在稀有氣體的氣氛中 在一定壓強(qiáng)下強(qiáng)熱炭化而成碳纖維可通過高分子有機(jī)纖維的固相碳化或低分子烴類的氣相熱解來制取 目前世界上產(chǎn)生的銷售的碳纖維絕大部分都是用聚丙烯腈纖維的固相碳化制得的 瀝青基石墨纖維切面的投射電鏡圖 結(jié)晶完整的石墨片屬平行于纖維軸向排列 內(nèi)部存在少量微孔相和無定形碳 碳纖維的分類及特性 20世紀(jì)50年代 美國(guó)研發(fā)大型火箭和人造衛(wèi)星以及全面提升飛機(jī)性能 急需新型結(jié)構(gòu)材料及耐腐蝕材料 使碳纖維重新出現(xiàn)在新材料的舞臺(tái)上 并逐步形成了黏膠基碳纖維 聚丙烯腈基碳纖維和瀝青基碳纖維的三大原料體系 以下分別介紹此三種原料體系 1 黏膠基碳纖維 1891年 美國(guó)人克洛斯和貝文發(fā)明了黏膠纖維 1950年 Muller采用稀硫酸和硫酸鹽作為凝固劑 使黏膠纖維性能得到大幅度提 奠定了近代制造高性能黏膠纖維的基礎(chǔ) 1909年 黏膠纖維產(chǎn)業(yè)化 為20世紀(jì)50年代黏膠纖維的的發(fā)展創(chuàng)造了必要的原料條件 目前主要生產(chǎn)黏膠纖維的原料主要有木漿型和棉漿型兩種漿粕 俄羅斯和白俄羅斯主要采用木漿型 我國(guó)主要采用棉漿型 以黏膠絲為原料制碳纖維碳化得率只有20 30 這種碳纖維堿金屬含量低 特別適宜作燒蝕材料 2 瀝青基碳纖維 瀝青基碳纖維分為兩大類 一類是通用級(jí) 由各向同性瀝青制造纖維 另一類是高性能級(jí) 由各向異性中間瀝青制造纖維 以瀝青纖維為原料時(shí) 碳化得率高達(dá)80 90 成本最低 是正在發(fā)展的品種 3 聚丙烯腈基碳纖維 聚丙烯腈基碳纖維為人造合成纖維 俗稱人造羊毛 生產(chǎn)碳纖維不采用民用腈綸 而是采用特殊組分且性能優(yōu)良的專用PAN基纖維 PAN原絲經(jīng)一系列熱處理后 由有機(jī)合成纖維轉(zhuǎn)化為含碳量在92 以上的無機(jī)碳纖維 制取碳纖維的要點(diǎn)是細(xì)旦化 結(jié)晶化和均質(zhì)化以及生產(chǎn)全過程的環(huán)境潔凈化 聚丙烯基碳纖維性能好 碳化得率較高 50 60 因此以聚丙烯制造的碳纖維約占總碳纖維產(chǎn)量的95 根據(jù)使用要求和熱處理溫度的不同 碳纖維分為耐燃纖維 碳纖維和石墨纖維 例如300 350 熱處理時(shí)得耐燃纖維 1000 1500 熱處理時(shí)得碳纖維 含碳量為90 95 碳纖維經(jīng)2000 以上高溫處理可以制得石墨纖維 含碳量高達(dá)99 以上 碳纖維的優(yōu)缺點(diǎn) 碳纖維材料與其他加固材料對(duì)比 1 抗拉強(qiáng)度 碳纖維的抗拉強(qiáng)度約為鋼材的10倍 2 彈性模量 碳纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量高于鋼材 但芳綸和玻璃纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量則僅為鋼材的一半和四分之一 3 疲勞強(qiáng)度 碳纖維和芳綸纖維復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度高于高強(qiáng)綱絲 金屬材料在交變應(yīng)力作用下 疲勞極限僅為靜荷強(qiáng)度的30 40 由于纖維與基體復(fù)合可緩和裂紋擴(kuò)展 以及存在纖維內(nèi)力再分配的可能性 復(fù)合材料的疲勞極限較高 約為靜荷強(qiáng)度的70 80 并在破壞前有變形顯著的征兆 4 重量 約為鋼材的五分之一 5 與碳纖維板的比較 碳纖維片材可以粘貼在各種形狀的結(jié)構(gòu)表面 而板材更適用于規(guī)則構(gòu)件表面 碳纖維的用途 1 宇航工業(yè)用作導(dǎo)彈防熱及結(jié)構(gòu)材料如火箭噴管 鼻錐 大面積防熱層 衛(wèi)星構(gòu)架 天線 太陽(yáng)能翼片底板 衛(wèi)星 火箭結(jié)合部件 航天飛機(jī)機(jī)頭 機(jī)翼前緣和艙門等制件 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量構(gòu)架 太陽(yáng)能電池板和無線電天線 航天飛機(jī) 2 航空工業(yè)用作主承力結(jié)構(gòu)材料 如主翼 尾翼和機(jī)體 次承力構(gòu)件 如方向舵 起落架 副翼 擾流板 發(fā)動(dòng)機(jī)艙 整流罩及座板等 此外還有C C剎車片 3 交通運(yùn)輸用作汽車傳動(dòng)軸 板簧 構(gòu)架和剎車片等制件 船舶和海洋工程用作制造漁船 魚雷快艇 快艇和巡邏艇 以及賽艇的桅桿 航桿 殼體及劃水漿 海底電纜 潛水艇 雷達(dá)罩 深海油田的升降器和管道 4 運(yùn)動(dòng)器材用作網(wǎng)球 羽毛球 和壁球拍及桿 棒球 曲棍球和高爾夫球桿 自行車 賽艇 釣桿 滑雪板 雪車等 碳纖維自行車 5 土木建筑幕墻 嵌板 間隔壁板 橋梁 架設(shè)跨度大的管線 海水和水輪結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)筋 地板 窗框 管道 海洋浮桿 面狀發(fā)熱嵌板 抗震救災(zāi)用補(bǔ)強(qiáng)材料 利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件以提高承載力及延長(zhǎng)壽命是目前比較流行的方法 在建筑業(yè)中有著廣泛的發(fā)展前景 碳纖維構(gòu)件試驗(yàn) 碳纖維布加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù) 它是利用樹脂類粘結(jié)材料將碳纖維布粘貼于混凝土表面 以達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加固補(bǔ)強(qiáng)的目的 碳纖維瓦 2007年5月10日 荷蘭建成世界上最長(zhǎng)的碳纖維復(fù)合材料橋 該橋長(zhǎng)24 5米 寬5米 6 其它工業(yè)