碳纖維的分類、制造、結構、性能等PPT文檔演示.

1、1. 碳纖維概念碳纖維概念2. 碳纖維的制作方法碳纖維的制作方法3. 以聚丙烯腈以聚丙烯腈 (PAN) 為原料制造的碳纖維為原料制造的碳纖維4. 碳纖維的表面處理碳纖維的表面處理 由有機纖維或低分子烴氣體原料在惰由有機纖維或低分子烴氣體原料在惰性氣氛中經高溫性氣氛中經高溫(1500C)碳化而成的纖維碳化而成的纖維狀碳化合物，其碳含量在狀碳化合物，其碳含量在90%以上。以上。制造的方法制造的方法： 將有機纖維經過穩(wěn)定化處理變成耐焰將有機纖維經過穩(wěn)定化處理變成耐焰纖維，然后再在惰性氣氛中于高溫下進行纖維，然后再在惰性氣氛中于高溫下進行焙燒碳化，使有機纖維失去部分碳和其他焙燒碳化，使有機纖維失去部分

2、碳和其他非碳原子，形成以碳為主要成分的纖維狀非碳原子，形成以碳為主要成分的纖維狀物。此法用于制造連續(xù)長纖維。物。此法用于制造連續(xù)長纖維。 在惰性氣氛中將小分子有機物在惰性氣氛中將小分子有機物(如如烴或芳烴等）在高溫下沉積成纖維。烴或芳烴等）在高溫下沉積成纖維。此法用于制造晶須或短纖維，不能用此法用于制造晶須或短纖維，不能用于制造長纖維。于制造長纖維。以聚丙烯腈（以聚丙烯腈（PAN）為原料制造的碳纖維）為原料制造的碳纖維預氧化預氧化：200300的氧化氣氛中，原絲受張力情況下進行的氧化氣氛中，原絲受張力情況下進行PAN原絲制備碳纖維的過程分為三個階段：原絲制備碳纖維的過程分為三個階段： PAN的

3、的Tg低于低于100，分解前會軟化熔融，不能直，分解前會軟化熔融，不能直接在惰性氣體中進行碳化。先在空氣中進行預氧化處接在惰性氣體中進行碳化。先在空氣中進行預氧化處理，使理，使PAN的結構轉化為穩(wěn)定的梯形六元環(huán)結構，就的結構轉化為穩(wěn)定的梯形六元環(huán)結構，就不易熔融。另外，當加熱足夠長的時間，將產生纖維不易熔融。另外，當加熱足夠長的時間，將產生纖維吸氧作用，形成吸氧作用，形成PAN纖維分子間的化學鍵合。纖維分子間的化學鍵合。進行預氧化處理的原因：進行預氧化處理的原因： 在在4001900的惰性氣氛中進行，碳纖的惰性氣氛中進行，碳纖維生成的主要階段。除去大量的氮、氫、氧等維生成的主要階段。除去大量的

4、氮、氫、氧等非碳元素，改變了原非碳元素，改變了原PAN纖維的結構，形成了纖維的結構，形成了碳纖維。碳化收率碳纖維。碳化收率4045，含碳量，含碳量95%左右。左右。碳化：碳化： 在在25003000的溫度下，密封裝置，施加的溫度下，密封裝置，施加壓力，保護氣體中進行。目的是使纖維中的結晶壓力，保護氣體中進行。目的是使纖維中的結晶碳向石墨晶體取向，使之與纖維軸方向的夾角進碳向石墨晶體取向，使之與纖維軸方向的夾角進一步減小以提高碳纖維的彈性模量。一步減小以提高碳纖維的彈性模量。石墨化石墨化 提高碳纖維增強復合材料提高碳纖維增強復合材料中碳纖維與基體的結合強度。中碳纖維與基體的結合強度。途徑：途徑：

5、 清除表面雜質；在纖維表面形成微孔或清除表面雜質；在纖維表面形成微孔或刻蝕溝槽，從類石墨層面改性成碳狀結構以刻蝕溝槽，從類石墨層面改性成碳狀結構以增加表面能；引進具有極性或反應性官能團；增加表面能；引進具有極性或反應性官能團；形成能與樹脂起作用的中間層。形成能與樹脂起作用的中間層。1. 表面清潔法表面清潔法2. 氣相氧化法氣相氧化法3. 液相氧化法液相氧化法4. 表面涂層法表面涂層法原因：原因：液相時只氧化纖維表面，而氣相氧化劑可能滲液相時只氧化纖維表面，而氣相氧化劑可能滲透較深，尤其在表面有微裂和缺陷處。透較深，尤其在表面有微裂和缺陷處。 但液相氧化多為間歇操作，處理時間長，操作繁但液相氧化

6、多為間歇操作，處理時間長，操作繁雜，難以和碳纖維生產線直接相連接。雜，難以和碳纖維生產線直接相連接。液相氧化法與氣相氧化法比較：液相氧化法與氣相氧化法比較： 液相氧化的效果比氣相氧化法好，條件適當時，復合材液相氧化的效果比氣相氧化法好，條件適當時，復合材料的剪切強度可增加料的剪切強度可增加1倍以上，而纖維的強度僅略有下降。倍以上，而纖維的強度僅略有下降。高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度芳綸纖維：芳綸纖維： 芳香族聚酰胺類纖維的通稱，國外商芳香族聚酰胺類纖維的通稱，國外商品牌號為凱芙拉品牌號為凱芙拉 (Kevlar) 纖維纖維 (美國杜邦美國杜邦公司公

7、司1968年開始研究，年開始研究，1973年研制成功年研制成功)，我國命名為芳綸纖維。我國命名為芳綸纖維。很短，發(fā)展很快。很短，發(fā)展很快。1968年美國年美國開始研制。開始研制。1972年以年以發(fā)表了專利并提供產品。發(fā)表了專利并提供產品。1972年又研制了以年又研制了以命名的纖維。命名的纖維。1973年正式登記的商品名稱為年正式登記的商品名稱為纖維。纖維。包括三種牌號的產品，并重改名稱。包括三種牌號的產品，并重改名稱。改稱為改稱為；改稱為改稱為；改稱為改稱為。主要用于繩索、電主要用于繩索、電纜、涂漆織物、帶纜、涂漆織物、帶和帶狀物，以及防和帶狀物，以及防彈背心等。彈背心等。用于航空、用于航空、

8、宇航、造船宇航、造船工業(yè)的復合工業(yè)的復合材料制件。材料制件。主要用于主要用于橡膠增強橡膠增強，制造輪制造輪胎胎、三角皮帶三角皮帶、同步帶同步帶等等（1）不熔融）不熔融（2）高溫能保持高強度與高彈性模量）高溫能保持高強度與高彈性模量（3）耐熱、不易燃燒）耐熱、不易燃燒（4）尺寸穩(wěn)定、幾乎不發(fā)生蠕變）尺寸穩(wěn)定、幾乎不發(fā)生蠕變（5）耐藥性好，在有機溶劑及油中性能不下降）耐藥性好，在有機溶劑及油中性能不下降（6）耐疲勞性，耐磨性好）耐疲勞性，耐磨性好（7）對放射性線的抵抗性大）對放射性線的抵抗性大（8）非導電、且誘電性能優(yōu)越）非導電、且誘電性能優(yōu)越（9）與無機纖維相比振動吸收性好、減衰速度快）與無機纖

9、維相比振動吸收性好、減衰速度快(1) 壓縮性差，壓縮強度僅有不到拉伸強壓縮性差，壓縮強度僅有不到拉伸強度的度的1/5。(2) 紫外線照射時強度大幅下降。紫外線照射時強度大幅下降。10.2.1 芳綸纖維的結構芳綸纖維的結構(1) 聚對苯甲酰胺聚對苯甲酰胺 (聚對胺基苯甲酰聚對胺基苯甲酰) 纖維纖維Poly (P-benzamide) 簡稱簡稱PBA纖維。纖維。NHCOnNH2COCH3(2)聚對苯二甲酰對苯二胺纖維聚對苯二甲酰對苯二胺纖維Poly (P-Phenlene terephthalamide) 簡稱簡稱PPTA纖維纖維COCONHNHnCCOOClClNH2NH2+(1) 聚間苯二甲酰

10、間苯二胺纖維聚間苯二甲酰間苯二胺纖維COCONHNHnCCOOClClNH2NH2+用途：用途：主要用于易燃易爆環(huán)境的工作服，耐高溫絕緣主要用于易燃易爆環(huán)境的工作服，耐高溫絕緣材料，耐高溫的蜂窩結構。材料，耐高溫的蜂窩結構。 高溫性能好，高溫下的強度保高溫性能好，高溫下的強度保持率好，以及尺寸穩(wěn)定性、抗氧化持率好，以及尺寸穩(wěn)定性、抗氧化性和耐水性好，不易燃燒，具有自性和耐水性好，不易燃燒，具有自熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐化學試劑，絕熱性能也較好。化學試劑，絕熱性能也較好。強度和模量低，耐光性較差。強度和模量低，耐光性較差。(2) 聚聚N, N-間苯雙間苯雙-(

11、間苯甲酰胺間苯甲酰胺)對苯二甲酰胺纖維對苯二甲酰胺纖維HNCOHNHNCOCOnH2NCOOHH2NNH2CCHOOHOO+主要用作抗燃纖維及耐高溫絕緣材料主要用作抗燃纖維及耐高溫絕緣材料 為制得更高強度和模量的纖維，改進為制得更高強度和模量的纖維，改進纖維的耐疲勞性能，采用各種芳環(huán)和雜環(huán)纖維的耐疲勞性能，采用各種芳環(huán)和雜環(huán)的二胺和二酰氯，與對苯二酰氯和對苯二的二胺和二酰氯，與對苯二酰氯和對苯二胺共聚。尚處于研制和試生產階段。胺共聚。尚處于研制和試生產階段。芳綸纖維是芳綸纖維是苯二甲酰苯二甲酰與與苯二胺苯二胺的聚合體，經溶的聚合體，經溶解轉為解轉為液晶液晶紡絲而成。紡絲而成。(1) 分子鏈由苯

12、環(huán)和酰胺基按一定規(guī)律排列而成，具有良好分子鏈由苯環(huán)和酰胺基按一定規(guī)律排列而成，具有良好的規(guī)整性。致使芳綸纖維具有高度的結晶性。的規(guī)整性。致使芳綸纖維具有高度的結晶性。(2) 鍵合在芳香環(huán)上剛硬的直線狀分子鍵在纖維軸向是高度鍵合在芳香環(huán)上剛硬的直線狀分子鍵在纖維軸向是高度定向的，各聚合物鏈是由氫鍵作橫向連結。定向的，各聚合物鏈是由氫鍵作橫向連結。和和，造成芳綸纖維，造成芳綸纖維，即纖維的，即纖維的，而，而。 纖維的苯環(huán)結構，使它的分子鏈難于旋轉。纖維的苯環(huán)結構，使它的分子鏈難于旋轉。高聚物分子不能折疊，又呈伸展狀態(tài)形成棒高聚物分子不能折疊，又呈伸展狀態(tài)形成棒狀結構，從而使纖維具有很高的模量。狀結

13、構，從而使纖維具有很高的模量。 聚合物的線性結構使分子間排列得十分聚合物的線性結構使分子間排列得十分緊密，在單位體積內可容納很多聚合物分子。緊密，在單位體積內可容納很多聚合物分子。這種高的密實性使纖維具有較高的強度。這種高的密實性使纖維具有較高的強度。高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度 苯環(huán)結構由于環(huán)內電子的共軛作用，使苯環(huán)結構由于環(huán)內電子的共軛作用，使纖維具有化學穩(wěn)定性，不發(fā)生高溫分解。又纖維具有化學穩(wěn)定性，不發(fā)生高溫分解。又由于苯環(huán)結構的剛性，使高聚物具有晶體的由于苯環(huán)結構的剛性，使高聚物具有晶體的本質，使纖維具有高溫尺寸的穩(wěn)定性。本質，使纖維具有

14、高溫尺寸的穩(wěn)定性。10.2.2 芳綸纖維的基本性能芳綸纖維的基本性能A 、芳綸纖維的芳綸纖維的；、芳綸纖維的、芳綸纖維的；、芳綸纖維的、芳綸纖維的。芳綸纖維的特點芳綸纖維的特點是是初始模量很高初始模量很高，而，而延伸率較低。延伸率較低。 單絲強度可達單絲強度可達3773 MPa；254mm長的纖長的纖維束的拉伸強度為維束的拉伸強度為2744 MPa，大約為鋁的大約為鋁的5倍。倍。 芳綸纖維的拉伸強度約為芳綸纖維的拉伸強度約為E玻璃纖維的玻璃纖維的1.5倍，與碳纖倍，與碳纖維相當或略高。拉伸模量僅次于碳纖維和硼纖維。維相當或略高。拉伸模量僅次于碳纖維和硼纖維。芳綸纖維的芳綸纖維的，大約為石墨纖維

15、的，大約為石墨纖維的6倍，倍，為硼纖維的為硼纖維的3倍，為玻璃纖維倍，為玻璃纖維0.8倍。倍。的的，可達，可達1.27 1.577 MPa，比比玻璃纖維玻璃纖維高一倍，為高一倍，為碳纖維碳纖維0.8倍。倍。的的在在3左右，接近左右，接近玻璃纖維玻璃纖維，高于其他纖維。高于其他纖維。芳綸與各種纖維性能比較芳綸與各種纖維性能比較纖維名稱纖維名稱密度密度(g/cm3)拉伸強度拉伸強度(MPa)初始拉伸模量初始拉伸模量(GPa)延伸率延伸率(%)Nomex1.380.6617.422Kevlar1.431.443.2264.81.431.44Kevlar-291.442.8263.23.6Kevlar

16、-491.443.82126.62.4芳綸芳綸1.442.63.391223.2芳綸芳綸1.4652.83.415161.82.2尼龍尼龍61.140.660.970.280.511625尼龍尼龍661.140.610.970.220.601628滌綸滌綸1.380.781.121.121.99717丙綸丙綸0.900.240.660.150.332080碳纖維碳纖維M401.812.1400.5碳纖維碳纖維T5001.743.2251.3碳纖維碳纖維T3001.752.8231.2E玻璃纖維玻璃纖維2.541.03.072.54高強高強2#玻璃纖維玻璃纖維2.543.03.48.38.5硼纖

17、維硼纖維3.93.538400.50.8氧化鋁纖維氧化鋁纖維1.41.8380.4芳綸纖維的強度和模量高，密度低，因而此種增強纖芳綸纖維的強度和模量高，密度低，因而此種增強纖維有很高的比強度和比模量。維有很高的比強度和比模量。各類增強纖維比強度比模量各類增強纖維比強度比模量 芳綸細紗在水中浸泡芳綸細紗在水中浸泡5min，而后在，而后在21水中水中測定其拉伸性能，幾乎沒有影響。在測定其拉伸性能，幾乎沒有影響。在88 水中的水中的強度有所下降，強度保留率為強度有所下降，強度保留率為21 水中的水中的85%。水中的強度保留率高：水中的強度保留率高：收縮率和膨脹率小收縮率和膨脹率小具有良好的耐應力開裂

18、性能具有良好的耐應力開裂性能，能在很長的時間內，能在很長的時間內保留很大的極限抗拉強度。保留很大的極限抗拉強度。 由于芳綸不熔融也不助燃，短時間內暴露在由于芳綸不熔融也不助燃，短時間內暴露在300以上，以上，對于強度幾乎沒有影響。在對于強度幾乎沒有影響。在-170的低溫下也不會變脆，的低溫下也不會變脆，仍能保持其性能。仍能保持其性能。有有，在，在180的溫度下，仍能很好的保持其性能，當溫度達的溫度下，仍能很好的保持其性能，當溫度達487 時時尚尚，但開始，但開始。性能性能數據數據性能性能數據數據在空氣中高溫下長期在空氣中高溫下長期使用溫度使用溫度()160在在100 空氣中空氣中113.6分解

19、溫度分解溫度()500在在200 空氣中空氣中110.3拉伸強度拉伸強度(MPa)收縮率收縮率(%)410-4在室溫下在室溫下16個月個月無強度損失無強度損失熱膨脹系數熱膨脹系數(10-6 -1)在在50空氣中空氣中2個月個月無強度損失無強度損失縱向縱向 0100012在在100 空氣中空氣中3170橫向橫向010059在在200 空氣中空氣中2720室溫比熱容室溫比熱容J/(g )1.42拉伸模量拉伸模量(GPa)室溫導熱系數室溫導熱系數W/(m K)在室溫下在室溫下16個月個月無強度損失無強度損失垂直于纖維的熱流垂直于纖維的熱流4.1110-2在在50空氣中空氣中2個月個月無強度損失無強度

20、損失平行于纖維的熱流平行于纖維的熱流4.81610-2芳綸細紗和粗紗的熱性能芳綸細紗和粗紗的熱性能和碳纖維一樣，芳綸纖維的和碳纖維一樣，芳綸纖維的具有具有的特點。的特點。如，芳綸纖維的如，芳綸纖維的在在0 100時為時為-2 10 -6 / ；在在100 200時為時為-4 10 6 /。為為59 10 -6 / 芳綸的濕強度幾乎與干強度相等。對飽和水蒸芳綸的濕強度幾乎與干強度相等。對飽和水蒸氣的穩(wěn)定性，比其它有機纖維好。芳綸對紫外線是氣的穩(wěn)定性，比其它有機纖維好。芳綸對紫外線是比較敏感的。若長期裸露在陽光下，其強度損失很比較敏感的。若長期裸露在陽光下，其強度損失很大，因此應加能阻擋紫外光的保

21、護層。大，因此應加能阻擋紫外光的保護層。具有良好的具有良好的性能，對性能，對中性化學中性化學藥品藥品的的一般是很強的，但易受各種一般是很強的，但易受各種，尤其是，尤其是。 KevIar纖維表面缺少化學活性基團，用纖維表面缺少化學活性基團，用等離子體空氣或氯氣處理纖維表面，可使等離子體空氣或氯氣處理纖維表面，可使Kevlar纖維表面形成一些含氧或含氮的官能團，纖維表面形成一些含氧或含氮的官能團，提高表面活性及表面能，顯著地改善對樹脂的提高表面活性及表面能，顯著地改善對樹脂的浸潤性和反應性，增加界面粘結強度。浸潤性和反應性，增加界面粘結強度。芳綸在各種化學藥品中的穩(wěn)定性芳綸在各種化學藥品中的穩(wěn)定性

22、化學試劑化學試劑 濃度濃度(%) 溫度溫度()時間時間(h)強度損失強度損失(%)Kevlar-29Kevlar-49醋酸醋酸99.721240鹽酸鹽酸37211007263鹽酸鹽酸372110008881氫氟酸氫氟酸1021100106硝酸硝酸10211007977硫酸硫酸1021100912硫酸硫酸102110005931氫氧化鈉氫氧化鈉102110007453氫氧化鈉氫氧化鈉2821100097化學試劑化學試劑 濃度濃度(%) 溫度溫度()時間時間(h)強度損失強度損失(%)Kevlar-29Kevlar-49丙酮丙酮10021100031乙醇乙醇10021100010三氯乙烯三氯乙烯1

23、0021241.5甲乙酮甲乙酮10021240變壓油變壓油100605004.60煤油煤油100605009.90自來水自來水10010010002海水海水100一年一年1.51.5過熱水過熱水100138409.3飽和蒸汽飽和蒸汽1001504828氟利昂氟利昂221006050003.6 對苯二胺與對苯二甲酸酰氯縮對苯二胺與對苯二甲酸酰氯縮聚成對苯撐對苯二甲酰胺的聚合體。聚成對苯撐對苯二甲酰胺的聚合體。 聚合體溶解在溶劑中再進行聚合體溶解在溶劑中再進行紡絲，制得所需要的纖維材料。紡絲，制得所需要的纖維材料。 常選用溶劑：六甲基磷酰胺、常選用溶劑：六甲基磷酰胺、N-甲甲基吡咯烷酮及二甲基乙酰

24、胺等?；量┩橥岸谆阴０返取?為防止對苯二甲酰的水解，反應為防止對苯二甲酰的水解，反應體系及溶劑中的含水量要嚴格控制。體系及溶劑中的含水量要嚴格控制。低溫溶液縮聚法，低溫溶液縮聚法，不能用熔融縮聚法不能用熔融縮聚法原因：原因：聚對苯撐對苯二甲酰胺聚對苯撐對苯二甲酰胺是剛性鏈分子，分子鏈段的自是剛性鏈分子，分子鏈段的自由旋轉受到阻礙，玻璃化溫度由旋轉受到阻礙，玻璃化溫度與熔點溫度較高。與熔點溫度較高。低溫溶液縮聚法可得到特性粘度大于低溫溶液縮聚法可得到特性粘度大于5的聚合體，的聚合體，但生產效率低。溶劑（但生產效率低。溶劑（HMPA)有毒，因此又發(fā)展了氣有毒，因此又發(fā)展了氣相縮聚方法。相縮

25、聚方法。 將對苯二胺與對苯酰氯蒸汽保持在將對苯二胺與對苯酰氯蒸汽保持在325，與加熱到，與加熱到200的氯氣混合，反的氯氣混合，反應器的溫度保持在應器的溫度保持在202到到250之間，之間，反應后進行冷卻，然后分離可得到聚合反應后進行冷卻，然后分離可得到聚合物，其特性粘度為物，其特性粘度為3.1。 液晶從宏觀性能上看屬于液體，但從微液晶從宏觀性能上看屬于液體，但從微觀角度或光學角度來研究，又有晶體的性質。觀角度或光學角度來研究，又有晶體的性質。液晶是介于固體和液體之間的中間相物質。液晶是介于固體和液體之間的中間相物質。液晶分類液晶分類近晶型近晶型 棒狀分子通過垂直于分子長棒狀分子通過垂直于分子

26、長軸方向的強相互作用，互相平行軸方向的強相互作用，互相平行排列成層狀結構，分子軸垂直于排列成層狀結構，分子軸垂直于層面。棒狀分子只能在層內活動。層面。棒狀分子只能在層內活動。向列型向列型 棒狀分子雖然也平行排列，但棒狀分子雖然也平行排列，但長短不一，不分層次，只有一維有長短不一，不分層次，只有一維有序性，在外力作用下發(fā)生流動時，序性，在外力作用下發(fā)生流動時，棒狀分子易沿流動方向取向，并可棒狀分子易沿流動方向取向，并可流動取向中互相穿越。流動取向中互相穿越。膽甾型膽甾型棒狀分子分層平行排列，棒狀分子分層平行排列，每個單層內分子排列與向每個單層內分子排列與向列型相似，相鄰兩層中分列型相似，相鄰兩層

27、中分子長軸依次有規(guī)則地扭轉子長軸依次有規(guī)則地扭轉一定角度，分子長軸在旋一定角度，分子長軸在旋轉轉360后復原。后復原。對于紡絲來說，應用向列態(tài)液晶。對于紡絲來說，應用向列態(tài)液晶。此種液晶分子溶液在流動取向相中相互穿越，且其此種液晶分子溶液在流動取向相中相互穿越，且其粘度比各向同性液體低。粘度比各向同性液體低。聚合物聚合物PPTA在溶液中呈一定取向狀態(tài)，為一維有序在溶液中呈一定取向狀態(tài)，為一維有序緊密排列，也就是纖維中所希望得到的分子排列。在外緊密排列，也就是纖維中所希望得到的分子排列。在外界作用下，分子很容易沿作用力方向取向，這就是具有界作用下，分子很容易沿作用力方向取向，這就是具有液晶性質的大分子有利于成纖的原因。液晶性質的大分子有利于成纖的原因。聚對苯撐對苯二甲酰胺聚對苯撐對苯二甲酰胺(PPTA)溶于溶于100%的硫酸中，顯示的硫酸中，顯示液晶特性液晶特性PPTA濃硫酸溶液粘度濃硫酸溶液