碳纖維及其復合材

1、碳纖維及其復碳纖維及其復合材料合材料 碳纖維概念碳纖維種類碳纖維的結(jié)構(gòu)和性能2、碳纖維復合材料的應用、碳纖維復合材料的應用3、碳纖維復合材料的生產(chǎn)方法、碳纖維復合材料的生產(chǎn)方法1、概述、概述 概述概述 CF是是有機纖維有機纖維在在惰性氣體惰性氣體中經(jīng)中經(jīng)高溫碳化高溫碳化而成的而成的纖維狀碳化合物。纖維狀碳化合物?；颍豪w維化學組成中或：纖維化學組成中碳元素占總質(zhì)量碳元素占總質(zhì)量9090以上的纖以上的纖維。維。Notes： 只有在碳化過程中不熔融，不劇烈分解的有機纖只有在碳化過程中不熔融，不劇烈分解的有機纖維才能作為維才能作為CF的原料。的原料。 有些纖維要經(jīng)過予氧化處理后才能滿足這個要求。有些纖

2、維要經(jīng)過予氧化處理后才能滿足這個要求。 CF CF分類分類按原絲類型按原絲類型按碳纖維性能按碳纖維性能按碳纖維的功能按碳纖維的功能按制造條件和方法按制造條件和方法CF分類方法分類方法按原絲類型分類按原絲類型分類聚丙烯腈基聚丙烯腈基粘膠基粘膠基瀝青基瀝青基木質(zhì)素纖維基木質(zhì)素纖維基其他有機纖維基其他有機纖維基:天然天然纖維、再生纖維、縮合多纖維、再生纖維、縮合多環(huán)芳香族等合成纖維環(huán)芳香族等合成纖維.按碳纖維按碳纖維性能分類性能分類高強度高強度CF （HS）高模量高模量CF （HM）超高強超高強CF （UHS）超高模超高模CF （UHM）高強高模高強高模CF中強中模中強中模CF 等等通用級通用級CF

3、：拉伸強度拉伸強度1.4GPa，拉伸模量，拉伸模量140GPa高性能高性能CF按制造條按制造條件件及方法分及方法分類類碳纖維：碳纖維：碳化溫度碳化溫度12001500oC，碳含量，碳含量95以上。以上。 活性炭纖維：活性炭纖維：氣體活化法，氣體活化法，CF在在600 1200oC,用水蒸汽、用水蒸汽、CO2、空氣等活化。、空氣等活化。氣相生長碳纖維：氣相生長碳纖維：惰性氣氛中將小分子有機物在高溫惰性氣氛中將小分子有機物在高溫下沉積成纖維晶須或短纖維。下沉積成纖維晶須或短纖維。 ： 石墨纖維石墨纖維：石墨化溫度石墨化溫度2000oC以上，碳含量以上，碳含量99以上。以上。 石墨：六方晶系石墨：六

4、方晶系碳纖維：亂層石墨結(jié)構(gòu)碳纖維：亂層石墨結(jié)構(gòu) 最基本的結(jié)構(gòu)單元：最基本的結(jié)構(gòu)單元：石墨片層石墨片層 二級結(jié)構(gòu)單元：二級結(jié)構(gòu)單元：石墨微晶石墨微晶(由數(shù)張或數(shù)由數(shù)張或數(shù)十張石墨片層組成十張石墨片層組成) 三級結(jié)構(gòu)單元：石墨微晶組成的三級結(jié)構(gòu)單元：石墨微晶組成的原纖維原纖維。直徑在直徑在50nm左右，彎曲，彼此交叉的許左右，彎曲，彼此交叉的許多條帶狀組成的結(jié)構(gòu)。多條帶狀組成的結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)和性能CF由皮層、芯層及中間過渡區(qū)組成。由皮層、芯層及中間過渡區(qū)組成。皮層：微晶較大，排列有序。皮層：微晶較大，排列有序。芯層：微晶減小，排列紊亂，結(jié)構(gòu)不均芯層：微晶減小，排列紊亂，結(jié)構(gòu)不均勻。勻。 皮芯層結(jié)構(gòu)皮

5、芯層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)和性能化學性能化學性能物理性能物理性能碳纖維具有穩(wěn)定價態(tài)，碳纖維具有穩(wěn)定價態(tài)，具有穩(wěn)定的化學性質(zhì)！具有穩(wěn)定的化學性質(zhì)！耐強酸，耐強堿等優(yōu)耐強酸，耐強堿等優(yōu)異性能！異性能！耐高溫、耐摩擦、耐高溫、耐摩擦、導電、導熱導電、導熱 比重不到鋼的比重不到鋼的1/4 抗拉強度是鋼的抗拉強度是鋼的79倍倍 碳纖維的最為突出的主要性能是碳纖維的最為突出的主要性能是強度大、模量高強度大、模量高和和密密度低度低。此外，還有耐高溫可在。此外，還有耐高溫可在2000下使用，下使用，3000 非氧化氣氛中不熔不軟；非氧化氣氛中不熔不軟；耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小、摩擦系數(shù)小和熱傳導性好摩擦系

6、數(shù)小和熱傳導性好；耐腐蝕方面能耐濃鹽酸、；耐腐蝕方面能耐濃鹽酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等介質(zhì)的浸蝕；與其它材料相硫酸、磷酸、苯、丙酮等介質(zhì)的浸蝕；與其它材料相容性高、與生物的相容性好；又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟容性高、與生物的相容性好；又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，易于復合，設(shè)計自由度大。可加工性，易于復合，設(shè)計自由度大。由于碳纖維有許多性能上的優(yōu)勢，所以碳纖維由于碳纖維有許多性能上的優(yōu)勢，所以碳纖維的復合材料現(xiàn)已廣泛應用于航空的復合材料現(xiàn)已廣泛應用于航空航天、軍事、航天、軍事、能源交通、信息通訊和建材能源交通、信息通訊和建材等領(lǐng)域。例如，在等領(lǐng)域。例如，在航天和軍事領(lǐng)域，碳纖維被用來制造航天飛機航天

7、和軍事領(lǐng)域，碳纖維被用來制造航天飛機的軌道器、火箭和導彈的輕質(zhì)用材、人造衛(wèi)星的軌道器、火箭和導彈的輕質(zhì)用材、人造衛(wèi)星的各種結(jié)構(gòu)；在航空高新技術(shù)應用領(lǐng)域，則被的各種結(jié)構(gòu)；在航空高新技術(shù)應用領(lǐng)域，則被用來制造電子對撞機的構(gòu)件、鈾的分離與濃縮、用來制造電子對撞機的構(gòu)件、鈾的分離與濃縮、先進客機制造（先進客機制造（15%15%用材）、戰(zhàn)斗機輕量化、制用材）、戰(zhàn)斗機輕量化、制動材料等。動材料等。碳纖維布碳纖維布 又稱碳素纖維布又稱碳素纖維布,碳纖布碳纖布,碳布碳布,碳纖維織碳纖維織 一一 按碳纖按碳纖維原絲不同主要可以分為維原絲不同主要可以分為: 1,PAN基碳纖維布基碳纖維布(市場上市場上90%以以上

8、為該種碳纖維布上為該種碳纖維布);2,黏膠基碳纖維布黏膠基碳纖維布;3,瀝青基碳纖維布瀝青基碳纖維布 . 二二 按碳纖維規(guī)格不同主要可以分為按碳纖維規(guī)格不同主要可以分為: ,1K碳纖維布碳纖維布;,3K碳纖碳纖維布維布,6K碳纖維布碳纖維布;12K碳纖維布碳纖維布;24K及以上大絲束碳纖維及以上大絲束碳纖維布。布。單向碳纖維布主要用于建筑橋梁加固，提高建筑橋單向碳纖維布主要用于建筑橋梁加固，提高建筑橋梁抗震度，市場用的廣泛日本東麗梁抗震度，市場用的廣泛日本東麗UT70-20，200g/m2,UT70-30，300g/M2。 澳航澳航A380的經(jīng)濟航班碳纖的經(jīng)濟航班碳纖維如果您有機會去到一澳維如

9、果您有機會去到一澳航航班的航航班的A380飛機上，您飛機上，您會發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟艙座位都是碳會發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟艙座位都是碳纖維！我們收集了幾張澳纖維！我們收集了幾張澳航的新航的新A380飛機的碳纖維飛機的碳纖維部件圖片和碳纖維的愛好部件圖片和碳纖維的愛好者一起分享。者一起分享。 有什么比法拉利有什么比法拉利F430和蘭博基尼和蘭博基尼Murcielago LP640超級跑車快？超級跑車快？ Lucra的名字說了很的名字說了很多。但是，這個代號多。但是，這個代號為為LC470品牌，為碳品牌，為碳纖維汽車愛好者創(chuàng)造纖維汽車愛好者創(chuàng)造了更多精了更多精彩。彩。倫敦科學博物館展出碳纖倫敦科學博物館展出碳纖“F1方程式方

10、程式”自行車試想自行車試想一下，當我們讓一下，當我們讓F1方程式賽車的設(shè)計者來重新設(shè)計方程式賽車的設(shè)計者來重新設(shè)計一輛自行車的話，那將是什么樣子呢？一輛自行車的話，那將是什么樣子呢？現(xiàn)在現(xiàn)在BERU f1systems，F(xiàn)1方程式價值方程式價值100萬美元賽萬美元賽車的設(shè)計者確實為我們帶來一輛出自他們之手的自車的設(shè)計者確實為我們帶來一輛出自他們之手的自行車，名為行車，名為Factor 001，每輛售價，每輛售價3.4萬美元。萬美元。 碳纖維廣泛應于體育用品方面有曲棍球桿、高爾夫球桿、碳纖維滑碳纖維廣泛應于體育用品方面有曲棍球桿、高爾夫球桿、碳纖維滑雪板、冰壺桿、碳纖維山地自行車等。雪板、冰壺桿

11、、碳纖維山地自行車等。碳纖維碳纖維復合材料在電線電纜中的應用復合材料在電線電纜中的應用 和同樣直徑的和同樣直徑的ACSR電纜相比，可以提供雙倍的載流容量。電纜相比，可以提供雙倍的載流容量。 有效解決電纜下垂問題。有效解決電纜下垂問題。 可以在更高的溫度下工作，最高可達可以在更高的溫度下工作，最高可達200攝氏度。攝氏度。 線芯可以抗腐蝕，而且沒有雙金屬間腐蝕問題。線芯可以抗腐蝕，而且沒有雙金屬間腐蝕問題。 因為可以提供更高的載流容量，所以同時也有效的降低了工程成本。因為可以提供更高的載流容量，所以同時也有效的降低了工程成本。 與相同直徑傳統(tǒng)電纜相比可以多容納與相同直徑傳統(tǒng)電纜相比可以多容納28

12、%的導體。的導體。 高強度線芯可以有效減少電纜架的數(shù)量，或降低電纜架的高度。高強度線芯可以有效減少電纜架的數(shù)量，或降低電纜架的高度。 有效減少電纜下垂，使地面生物更加安全有效減少電纜下垂，使地面生物更加安全 。3.3. 成型方法： 拉擠法拉擠法 模壓法模壓法 纏繞法纏繞法 目前常見的目前常見的碳纖維管碳纖維管、碳纖維板碳纖維板等制品，多數(shù)為等制品，多數(shù)為 拉擠法或模壓法。拉擠法或模壓法。拉擠成形工藝（拉擠成形工藝（pultrusion process） 送紗送紗浸膠浸膠預成形預成形固化成形固化成形牽引牽引恒定截面恒定截面型材型材 設(shè)備價低，生產(chǎn)率高，原料利用率高設(shè)備價低，生產(chǎn)率高，原料利用率高

13、 制品方向性強，剪切強度低制品方向性強，剪切強度低 適用于不同界面形狀的長條狀、板狀等型材。適用于不同界面形狀的長條狀、板狀等型材。拉擠工藝制品 工藝簡單，屬經(jīng)牽引、擠壓而固化成材，優(yōu)點優(yōu)點是可規(guī)?；a(chǎn)，成本較低，一般按照每米、每公斤來定價；缺點；缺點是制品強度不高，只能用于一般的展示或裝飾用途。如需得到高強度的碳纖維制品，就只能通過模壓法、卷制加纏繞等工藝來實現(xiàn)了。模壓成型工藝模壓成型工藝（press moulding） 模壓成型工藝是復合材料生產(chǎn)中最古老而又富有無限活模壓成型工藝是復合材料生產(chǎn)中最古老而又富有無限活力的一種成型方法。它是將一定量的預混料或預浸料加入力的一種成型方法。它是將

14、一定量的預混料或預浸料加入金屬對模內(nèi)，經(jīng)加熱、加壓固化成型的方法。金屬對模內(nèi)，經(jīng)加熱、加壓固化成型的方法。模壓成型工藝按增強材料物態(tài)和模壓料品種模壓成型工藝按增強材料物態(tài)和模壓料品種可分為如下幾種可分為如下幾種 : 短纖維料模壓法、短纖維料模壓法、 氈料模壓法、氈料模壓法、 碎布料模壓法、碎布料模壓法、 層壓模壓法、層壓模壓法、 纏繞模壓法、纏繞模壓法、 織物模壓法、織物模壓法、 定向鋪設(shè)模壓法、定向鋪設(shè)模壓法、 預成形坯模壓法、預成形坯模壓法、 片狀模塑料模壓法等。片狀模塑料模壓法等。 模壓成型工藝的主要模壓成型工藝的主要優(yōu)點優(yōu)點：生產(chǎn)效率高，便于：生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)專業(yè)化和自動化生產(chǎn)；產(chǎn)

15、品尺寸精度高，實現(xiàn)專業(yè)化和自動化生產(chǎn)；產(chǎn)品尺寸精度高，重復性好；表面光潔，無需二次修飾；能一重復性好；表面光潔，無需二次修飾；能一次成型結(jié)構(gòu)復雜的制品；因為批量生產(chǎn)，價格次成型結(jié)構(gòu)復雜的制品；因為批量生產(chǎn)，價格相對低廉。相對低廉。 模壓成型的模壓成型的缺點缺點在于模具制造復雜，投資較大，在于模具制造復雜，投資較大，加上受壓機限制，最適合于批量生產(chǎn)中小型復合加上受壓機限制，最適合于批量生產(chǎn)中小型復合材料制品。材料制品。 樹脂配制樹脂配制纖維烘干纖維烘干浸膠浸膠膠紗烘干膠紗烘干纏繞纏繞固化固化檢驗、加工檢驗、加工制品制品 纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維（或布帶、纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液

16、的連續(xù)纖維（或布帶、預浸紗）按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng)固化、脫模，預浸紗）按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng)固化、脫模，獲得制品。根據(jù)纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學狀態(tài)獲得制品。根據(jù)纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學狀態(tài)不同，分為不同，分為干法纏繞干法纏繞、濕法纏繞濕法纏繞和和半干法纏繞半干法纏繞三種。三種。纏繞成型工藝纏繞成型工藝1）干法纏繞）干法纏繞 干法纏繞是采用經(jīng)過預浸膠處理的預浸紗或帶，在纏繞干法纏繞是采用經(jīng)過預浸膠處理的預浸紗或帶，在纏繞機上經(jīng)加熱軟化至粘流態(tài)后纏繞到芯模上。（機上經(jīng)加熱軟化至粘流態(tài)后纏繞到芯模上。（制品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)率制品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)率高；但投資大，層間剪切

17、強度低）高；但投資大，層間剪切強度低）（2）濕法纏繞）濕法纏繞 濕法纏繞是將纖維集束（紗式帶）浸膠后，在張力控濕法纏繞是將纖維集束（紗式帶）浸膠后，在張力控制下直接纏繞到芯模上。（制下直接纏繞到芯模上。（勞動條件差，強度大，質(zhì)量不易控制，不勞動條件差，強度大，質(zhì)量不易控制，不易自動化；）易自動化；）（3）半干法纏繞）半干法纏繞 半干法纏繞是纖維浸膠后，到纏繞至芯模的途中，半干法纏繞是纖維浸膠后，到纏繞至芯模的途中，增加一套烘干設(shè)備，將浸膠紗中的溶劑除去，與干法相比，省卻了預增加一套烘干設(shè)備，將浸膠紗中的溶劑除去，與干法相比，省卻了預浸膠工序和設(shè)備；與濕法相比，可使制品中的氣泡含量降低。浸膠工序和設(shè)備；與濕法相比，可使制品中的氣泡含量降低。 三種纏繞方法中，以濕法纏繞應用最為普遍；干法纏繞僅用于高三種纏繞方法中，以濕法纏繞應用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域。性能、高