碳纖維復(fù)合材料LY

1、復(fù)合材料基礎(chǔ)姓名：梁雨專業(yè)：化學(xué) 學(xué)號(hào)：2014122碳纖維復(fù)合材料碳纖維是由碳元素組成的一種高性能增強(qiáng)纖維。不僅強(qiáng)度高，密度小，并且具有低熱膨脹、高導(dǎo)熱、耐磨、耐高位等優(yōu)異性能，是一種很有發(fā)展前景的高性能纖。這些優(yōu)異的性能使得人們對(duì)它的重視到了一個(gè)很高的高度。那么接下來我就來介紹一下有關(guān)碳纖維復(fù)合材料在各方面的的一些知識(shí)。一、碳纖維復(fù)合材料發(fā)展史碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展史應(yīng)包含碳纖維的發(fā)展史何其復(fù)合材料應(yīng)用史。碳纖維是碳材料的一種新形式。我們已經(jīng)知道碳材料結(jié)構(gòu)由四種類型，一是無定形碳、而是石墨、三是金剛石、四是白碳。碳纖維含碳99%以上，主要是石墨和無定形碳，纖維形狀是一種新的應(yīng)用形式。1880

2、年人類制造了第一批電燈泡，那是電燈泡的燈絲就是當(dāng)時(shí)人類研制的第一批碳纖維，直到1901年發(fā)明鎢絲后才不用它做燈絲了。到1950年美國空軍材料研究所由于軍工的需求，加緊對(duì)碳纖維研究，1959年由聯(lián)合碳化合物公司實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)碳纖維的生產(chǎn)工藝。與此同時(shí)，1962年日本旭炭公司在遠(yuǎn)藤教授研究的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)以聚丙腈纖維為原料，經(jīng)過預(yù)氧化（不熔化）、1300以上高溫炭化而得到有實(shí)用價(jià)值的通用碳纖維的工業(yè)生產(chǎn)線。1970年以后東麗公司、東邦公司相繼參加聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)開發(fā)，形成2噸年的規(guī)模。1978年產(chǎn)量達(dá)1000t。20世紀(jì)80年代后期批量生產(chǎn)的M30、M60、T1000等石墨化程度更高的碳纖維。隨后碳

3、纖維在全世界需求量隨年逐增中國碳纖維的發(fā)展我國從1968年開始研究碳纖維，很快研究出碳纖維1#，相當(dāng)于T200的水平，1976年建成中試線，那是與日本東麗公司的差距為5年。后來碳纖維2#的研究久攻不下。差距已拉大20多年，無競(jìng)爭(zhēng)可言。同時(shí)由于發(fā)達(dá)國家對(duì)我國幾十年的技術(shù)封鎖，至今沒能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，工業(yè)及民用領(lǐng)域的需求長時(shí)間依賴進(jìn)口，嚴(yán)重影響了我國高技術(shù)的發(fā)展，尤其制約了航天及國防軍工事業(yè)的發(fā)展，與我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程極不相稱。所以，研究生產(chǎn)高性能、高質(zhì)量的碳纖維，以滿足軍工和民用產(chǎn)品的需求，扭轉(zhuǎn)大量口的局面，是當(dāng)前我國碳纖維工業(yè)發(fā)展的迫切任務(wù)。國外碳纖維的發(fā)展1959年日本發(fā)明了用聚丙

4、烯腈原絲生產(chǎn)碳纖維的方法。1962年，日本東麗公司開始生產(chǎn)，之后又積極研制用于生產(chǎn)碳纖維的專用優(yōu)質(zhì)原絲，并于1967年成功生產(chǎn)T300PAN-CF。同時(shí)，英國皇家航空研究所，對(duì)PAN纖維生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，隨后英國考陶爾公司利用這項(xiàng)技術(shù)開始生產(chǎn)高強(qiáng)度、高模量PAN基碳纖維。1969年，日本東麗公司研究成功特殊的單體共聚PAN基碳纖維，結(jié)合美國、法國、德國也都引進(jìn)或開發(fā)了PAN原絲基碳纖維的生產(chǎn)。原蘇聯(lián)開始主要研究以人絲為原料制造碳纖維，后轉(zhuǎn)向PAN基碳纖維。另外印度、南斯拉夫、以色列、韓國也在以PAN原絲制取碳纖維方面開展了大量的研制工作。日本東麗公司的碳纖維研發(fā)與生產(chǎn)一直處于世界領(lǐng)先水平。

5、二：碳纖維復(fù)合材料的原料 1. 碳纖維的常用品種碳纖維品種分類有四種：一是按原絲分子分類，有PAN基、瀝青基、黏膠基三類；二是按性能分類，有通用、標(biāo)準(zhǔn)、高強(qiáng)高模、高導(dǎo)熱、活性等碳纖維；三是按應(yīng)用領(lǐng)域分類，有航空用、工業(yè)用的碳纖維；四是按應(yīng)用于復(fù)合材料基體分類，有樹脂基用、金屬基用、陶瓷基用、CC用碳纖維。2.纖維編織布碳纖維編織布適應(yīng)一些特殊制品的需要而發(fā)展起來的，例如導(dǎo)彈的端頭帽、飛機(jī)的剎車片，它們不能用簡(jiǎn)單的纖維迭層方法制造，否則有些方向強(qiáng)度太低。一種簡(jiǎn)易的編制布是X-Y方向正交的方格和斜紋布。更復(fù)雜的是三方向、四方向、七方向和九方向的編織物，那是根據(jù)特殊設(shè)計(jì)要求而制造的，沒有商品。編制平

6、面部即可用于結(jié)構(gòu)件，優(yōu)點(diǎn)是制品工藝過程形態(tài)穩(wěn)定，又可用于裝飾品，得益于它漂亮的花紋。應(yīng)用3K斜紋布制作汽車排氣筒和汽車控制臺(tái)面就為美觀。3.基體材料由于碳纖維的很多性能是玻璃纖維所不及的，它可以在絕氧氣氛下高于3000攝氏度的高溫還保持高強(qiáng)度，而玻璃纖維高于700攝氏度的高溫下已喪失了強(qiáng)度。所以沒有玻璃纖維增強(qiáng)鋁、增強(qiáng)陶瓷之類材料。只要工藝得當(dāng)，碳纖維可以用來增強(qiáng)很多高分子材料、很多金屬材料、幾乎各種氧化鋁、硅酸鹽、氧化硅、碳化硅、氧化硅等陶瓷。碳纖維復(fù)合材料除了不透明外又?jǐn)U展了很多材料和工藝的技術(shù)領(lǐng)域。其中CFRP樹脂基常用樹脂、CC復(fù)合材料的基體碳、CFRM的常用金屬基體和CFRC常用陶瓷

7、基材料。三、碳纖維復(fù)合材料工藝簡(jiǎn)介碳纖維材料硬度高，必須選用硬質(zhì)很近刀具材料，航空部門在參考國外硬質(zhì)合金選材基礎(chǔ)上經(jīng)試驗(yàn)認(rèn)為，用鎢鉆硬質(zhì)合金是比較合適的。因?yàn)檫@類硬質(zhì)合金有較高的抗彎強(qiáng)度和韌性，可以減少切削時(shí)崩刀，同時(shí)磨削加工性好，適于磨出鋒利的刃口。目前材質(zhì)為Y300的3-8mm的整體式磨花鉆頭、鉸刀，可滿足碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件的制孔要求。我國已研制出幾種人造金剛石大直徑套料鉆和人造金剛石磨輪，用于加工8mm以上的復(fù)合材料構(gòu)件孔，獲得滿意的加工質(zhì)量。長碳纖維聚丙烯復(fù)合材料加工工藝：CF長絲送絲架擠出機(jī)模頭牽引切粒包覆CF粒料二次造粒CFPP復(fù)合粒料我國采用國內(nèi)外通用的電纜包覆式生產(chǎn)工藝PP樹脂

8、包覆CF長絲。此工藝的特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，操作連續(xù)，質(zhì)量?jī)?yōu)異。必須注意的是，由于長碳纖維在連續(xù)操作過程中，通過穿孔時(shí)因受PP樹脂返料的阻力作用易斷絲，所以在設(shè)計(jì)模頭時(shí)，要考慮減少熔融PP樹脂因受壓進(jìn)入穿絲孔。CC基本工藝過程碳纖維編織或纏繞浸漬炭化成CC再浸漬、炭化、VI致密化石墨化加工防氧化處理完成CC工藝必須的設(shè)備1反應(yīng)容器和加熱裝置，這個(gè)容器必須是密封的，以便可以抽真空或加壓，其加熱功率要足夠大，當(dāng)需要時(shí)可快速升溫；加熱方式可以阻抗式或感應(yīng)式，必須控制加熱過程。2.進(jìn)氣系統(tǒng)，浸漬先驅(qū)體多是易燃體，必須通氮?dú)獗Ｗo(hù)。3.冷卻排氣系統(tǒng)，在反應(yīng)過程中先驅(qū)體分解形成的廢氣需要排除，高溫汽化的先驅(qū)體需要

9、冷凝聚回流。4.進(jìn)料系統(tǒng)，由于纖維配體在容器中先加熱并抽真空，在保持真空狀態(tài)下加入已預(yù)熱的先驅(qū)體流體，有利于先驅(qū)體進(jìn)入纖維骨架的中心。預(yù)熱先驅(qū)體需要氮?dú)獗Ｗo(hù)，并隨時(shí)補(bǔ)充進(jìn)料。5.測(cè)溫和控溫系統(tǒng)，制備過程中對(duì)于成形體的溫度必須進(jìn)行控制，以便控制反應(yīng)的進(jìn)程；往往在纖維胚體內(nèi)不同位置測(cè)量溫度，掌握溫度梯度的全面數(shù)據(jù)和致密化情況。6.其他附加裝置，例如冷熱交替脈沖式加熱器，對(duì)配體施加超聲波促進(jìn)炭化過程的裝置。四、碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用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、太陽能翼片底板和無線電天線。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

10、，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、殼體及劃水槳、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、釣竿、滑雪板、雪車等。5.土木建筑幕墻、嵌板、間隔壁板、橋梁、假設(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。6.其他工業(yè)化公用的防腐泵、閥、槽、罐；催化吸附劑和密封制品等。生體和醫(yī)療器材如人造骨

11、骼、牙齒、韌帶、X光機(jī)的床板和膠卷蓋。編織機(jī)用的劍桿頭和劍桿防靜電刷。其它還有電磁屏蔽、電極度、音響、減磨、儲(chǔ)能及防靜電等材料也已獲得廣泛應(yīng)用。五、碳纖維復(fù)合材料在各方面的應(yīng)用原理1，碳纖維復(fù)合材料在防腐、密封盒隔熱方面的應(yīng)用在防腐、密封和隔熱方面的應(yīng)用主要在于密封盤跟料，那么這里我就簡(jiǎn)單介紹一下密封盤跟料制造技術(shù)。密封盤跟料的制作工藝為：氧化纖維編織骨架炭化浸漬模壓整形四步工序。其主要設(shè)備為盤根聊編織機(jī)、塊狀材料絕氧炭化爐、真空設(shè)備、加溫加壓機(jī)器。密封盤跟料有很多種，其中可分為高溫永和低溫用兩類。低溫用的不用碳化，直接就用預(yù)氧化纖維，可在200攝氏度以下使用。高溫的也不直接用炭纖維編織，CF

12、太硬，容易起毛。密封件所起作用是組織內(nèi)部介質(zhì)外漏，防止外部空氣內(nèi)滲透，起隔離作用的角色。2.碳纖維在機(jī)器零件方面的應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料在機(jī)械方面應(yīng)用已有很多實(shí)例，齒輪、軸承、飛輪、機(jī)床底座等.無梭紡織機(jī)是近年發(fā)展起來的新式織機(jī)，它的特點(diǎn)是織布速度快。有幅寬、噪聲低。在這里我就簡(jiǎn)單介紹一下碳纖維在織布機(jī)中導(dǎo)布輥的應(yīng)用原理：輥的結(jié)構(gòu)選定為CFRP管，兩頭套粘100mm的T2鋼軸，以便與原先運(yùn)動(dòng)鏈接。CFRP導(dǎo)布輥的制作過程中應(yīng)注意到：a取預(yù)浸布20000#長3300mm，碳纖維方向順芯軸方向一致，不能斷頭或接頭，連續(xù)包卷25層，中間有3層環(huán)向纏繞，總共28層，預(yù)計(jì)厚度5.66.0mm；b最后纏BOP

13、P帶張力應(yīng)均勻，中間不應(yīng)換帶，一氣呵成。如中間環(huán)帶可導(dǎo)致管表面不平整；c將鋼芯垂直掛起來在爐中固化，不能平放；d固化后連同鋼芯在大磨床上沙磨罐子表面，中間一定要有托架，以免懸空磨力使管子變形；e管子兩頭截?cái)嗝撃Ａ?，以保證實(shí)際長度3200mm。3.碳纖維材料在建中中的應(yīng)用建筑物在使用中不斷受到損傷而影響安全使用，最有效而經(jīng)濟(jì)的方法是對(duì)其加固修補(bǔ)。碳纖維復(fù)合材料在加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，在國內(nèi)已經(jīng)引起重視，并著手研究與開發(fā)。建筑加固修補(bǔ)所應(yīng)用的原材料有四類：一、補(bǔ)縫材料二、打底樹脂和膩?zhàn)尤⒃鰪?qiáng)材料四、粘貼樹脂由于帶修補(bǔ)的建筑幾乎都是混凝土，它的風(fēng)化疏松使新水泥或一般樹脂很難粘牢固，所以在粘貼

14、碳纖維以前必須使用打底樹脂，起過渡作用。4.碳纖維在汽車飛機(jī)行業(yè)的應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)和汽車行業(yè)中最多的應(yīng)用相比便是在剎車片上的應(yīng)用了吧，這里就先來看看其在飛機(jī)剎車片中的應(yīng)用。C/C復(fù)合材料用于摩擦材料做飛機(jī)的剎車塊有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：密度小，表觀密度最大不超過1.8g/cm，較之燒結(jié)粉末冶金金屬剎車盤其優(yōu)勢(shì)明顯在很寬的溫度范圍內(nèi)摩擦系數(shù)較低，剎車性能穩(wěn)定，駕駛員容易操作耐熱性好，緊急剎車產(chǎn)生高溫1500攝氏度也無妨礙，而金屬剎車盤超過600攝氏度就不穩(wěn)定了使用壽命長熱容量高如若采用高導(dǎo)率碳纖維，則散熱性更好碳纖維的型號(hào)選擇、基體先軀體的篩選問題、預(yù)氧化、碳沉積密度、炭的可石墨化度、C/C界面

15、結(jié)合力、炭化過程的溫度曲線的設(shè)置、炭化壓力等都將對(duì)C/C材料的性能產(chǎn)生影響六、碳纖維復(fù)合材料在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用實(shí)例1.哥倫比亞Berkeley小鎮(zhèn)有一座長42英尺長，26英尺寬的小橋橋面不能承受正常載重汽車通過，因茨小鎮(zhèn)政府提出修補(bǔ)計(jì)劃，修補(bǔ)的目標(biāo)是能夠經(jīng)受36t卡車以HS-20的速度安全通過。1997年1月由赫氏和阿莫公司提供原材料，F(xiàn)yfe公司施工，在橋下面鋪粘了720平方英尺的12K炭纖維織物。補(bǔ)強(qiáng)后較原橋強(qiáng)度增加50、橋面變形降低90，其費(fèi)用僅僅是造一座橋的20。2.我國工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)中心1998年承辦項(xiàng)目，某工廠有一個(gè)八層建筑，因二層以上原設(shè)計(jì)為辦公室，現(xiàn)二層要放置加工機(jī)

16、器，負(fù)載增大，需要提高第一層跨度為9.0m的20根大梁的抗彎能力、5根梁的抗剪強(qiáng)度。該梁截面為寬300mm、高950mm。根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算，他們應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，采用日本進(jìn)口的FTS-C1-30型建筑碳纖維預(yù)制布和配套的膠施工加固，沿梁底粘貼二層30mm寬的碳纖維布，兩端用U形箍固定，外貼200mm寬壓條進(jìn)行錨固。使梁的承載能力提高23以上。3.當(dāng)今衛(wèi)星的主承力結(jié)構(gòu)件、次承力結(jié)構(gòu)件甚至地面裝置，盡量采用復(fù)合材料制造。由于衛(wèi)星上廣泛用復(fù)合材料，使衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量與衛(wèi)星總質(zhì)量之比降到5以下。這對(duì)于當(dāng)今發(fā)展應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星是很有意義的，因?yàn)闉榱颂岣邞?yīng)用技術(shù)衛(wèi)星的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力，在運(yùn)載火箭有限的推力下，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕了，

17、可增加有效載荷，將可獲得更大的利潤。例如國際通信衛(wèi)星五號(hào)的中心承力筒原為鋁合金結(jié)構(gòu)，后改為碳面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，減重九千克。雖然造價(jià)增加30，但由于質(zhì)量減輕了，是通信電話線增加2000條，衛(wèi)星壽命以七年計(jì)算，僅此一項(xiàng)改進(jìn)可盈利3000萬美元，幾乎是該衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用。七、碳纖維復(fù)合材料的性能及優(yōu)點(diǎn)1.力學(xué)性能碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度高、模量大、密度小、具有較高的比強(qiáng)度和很高的比模量。與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，韌度高，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。與同為新材料的硅纖維復(fù)合材料相比，碳纖維的拉伸強(qiáng)度約為其3-7倍。碳纖維的彈性模量高于硅纖維，所以碳纖維復(fù)合材料在相同外載荷下，應(yīng)變較小，其制件的剛度比硅基纖維復(fù)合材料制件高。高模量碳纖維的斷裂伸長率約為0.5，高強(qiáng)度碳纖維約為1，硅基纖維約為2.6而環(huán)氧樹脂的約為1.7，所以碳纖維復(fù)合材料中纖維的強(qiáng)度能得到充分的發(fā)揮2.熱性能碳纖維復(fù)合材料的耐高溫性能好。在隔絕空氣（惰性氣體的保護(hù)下），2000攝氏度仍有強(qiáng)度，液氮下也不脆斷。碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能好。導(dǎo)熱系數(shù)較高，但隨溫度升高有減小的趨勢(shì)。碳纖維復(fù)合材料沿纖維軸向的導(dǎo)熱系數(shù)為0.04cal；垂直線為方向的導(dǎo)熱系數(shù)為0.002cal。碳纖維復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)沿纖維軸向具有負(fù)的溫度效應(yīng)，即隨溫度的升高，碳纖維復(fù)合材料有收縮的趨勢(shì)，尺寸穩(wěn)定好，耐疲勞性好。3.耐腐蝕性碳纖維