碳纤维材料【专业教育】

1、碳纤维材料,061210210 孙豪,1,正式稿件,组成结构,1,碳纤维材料,2,正式稿件,组成结构,碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维各层面间的间距约为3.39到3.42A，各平行层面间的各个碳原子，排列不如石墨那样规整，层与层之间借范德华力连接在一起。 通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成，其中孔洞的含量、大小和分布对碳纤维的性能影响较大。 碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模

2、量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维,3,正式稿件,化学性质,2,碳纤维材料,4,正式稿件,化学性质,碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。碳纤维的化学性质与碳相似，它除能被强氧化剂氧化外，对一般碱性是惰性的。在空气中温度高于400时则出现明显的氧化，生成CO与CO2。碳纤维对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性，不溶不胀，耐蚀性出类拔萃，完全不存在生锈的问题。可以认为在普通的工作温度250环境下使用，很难观察到碳纤维发生化学变化。根据有关资料介绍，从碳素材料的化

3、学性质分析，在250环境下，碳素材料既没有明显的氧化发生，也没有生成碳化物和层间化合物生成,5,正式稿件,3,碳纤维的物理特性,碳纤维材料,6,正式稿件,碳纤维是高级复合材料的增强材料，具有轻质、高强、高模、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点。 一、轻质、高强度、高模量 碳纤维的密度是1.6-2.5g/cm3，碳纤维拉伸强度在2.2Gpa以上。因此，具有高的比强度和比模量，它比绝大多数金属的比强度高7倍以上，比模量为金属的5倍以上。由于这个优点，其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材等,7,正式稿件,二、热膨胀系数小 绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数，室内为负数（-0.5-1.6）

4、10-6/K，在200400时为零，在小于1000时为1.510-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定，可作为标准衡器具。 三、导热性好 通常无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料,8,正式稿件,四、耐化学腐蚀性好 从碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外，对酸、碱和有机化学药品都很稳定，可以制成各种各样的化学防腐制品。我国已从事这方面的应用研究，随着今后碳纤维的价格不断降低，其应用范围会越来越广。 五、耐磨性好 碳纤维与金属对磨时，很少磨损，用碳纤维来取代石棉制成

5、高级的摩檫材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料,9,正式稿件,六、耐高温性能好 碳纤维在400以下性能非常稳定，甚至在1000时仍无太大变化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性，树脂基复合材料其长期耐热性只达300左右，陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航空航天工业。 七、突出的阻尼与优良的透声纳 利用这二种特点可作为潜艇的结构材料，如潜艇的声纳导流罩等,10,正式稿件,八、高X射线透射率 此特点已经在医疗器材中得到应用。 九、疲劳强度高 碳纤维的结构稳定，制成的复合材料，经应力疲劳数百万次的循环试验后，其强度保留率仍有60

6、%，而钢材为40%，铝材为30%，而玻璃钢则只有20%-25%.因此设计制品所取的安全系数，碳纤维复合材料为最低,11,正式稿件,碳纤维的分类,4,碳纤维材料,12,正式稿件,碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、 沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维,13,正式稿件,根据丝束大小可分为： 大丝束 工业级 每束碳纤维的根数等于或大于46000-48000根。 一般指48480K 价格便宜,小丝束 宇航级 每束碳纤维的根数小于或等于24000根。 一般指124K 价格较高,14,正式稿件,按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕、模量为100G帕左右。

7、高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000兆帕、模量250G帕）和高模型（模量300G帕以上）。强度大于4000兆帕的又称为超高强型；模量大于450G帕的称为超高模型,15,正式稿件,碳纤维原丝企业,5,16,正式稿件,就全球碳纤维产能来看，前 5大碳纤维生产企业市场占有率达到 60%以上，其中 Toray 产能占比 18,全球前 5 大碳纤维生产企业产能占比 61,全球小丝束碳纤维行业集中度,17,正式稿件,主要碳纤维企业产品领域,18,正式稿件,19,正式稿件,日本的碳纤维技术,20,正式稿件,碳纤维的制备工艺,5,21,正式稿件,碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化

8、制得。应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。由聚丙烯腈纤维原丝制得的高性能碳纤维，其生产工艺较其他方法简单，产量约占全球碳纤维总产量的90%以上。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等,22,正式稿件,第二、预氧化（聚丙烯腈纤维200到300）、不融化（沥青200到400）或热处理（粘胶纤维240），以得到耐热和不熔的纤维，酚醛基碳纤维无此工序,第一、原丝制备，聚丙烯腈和粘胶原丝主要采用湿法纺丝制得，沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制得。制备高性能聚丙烯腈基碳纤维需采用高纯度、高强度和质量均匀的聚

9、丙烯腈原丝，制备原丝用的共聚单体为衣康酸等。制备各向异性的高性能沥青基碳纤维需先将沥青预处理成中间相、预中间相（苯可溶各向异性沥青）和潜在中间相（喹啉可溶各向异性沥青）等。作为烧蚀材料用的粘胶基碳纤维，其原丝要求不含碱金属离子,23,正式稿件,第三、碳化，其温度为：聚丙烯腈纤维1000到1500，沥青1500到1700，粘胶纤维400到2000。 第四、石墨化，聚丙烯腈纤维为2500到3000，沥青2500到2800，粘胶纤维3000到3200。 第五、表面处理，进行气相或液相氧化等，赋予纤维化学活性，以增大对树脂的亲和性。 第六、上浆处理，防止纤维损伤，提高与树脂母体的亲和性。所得纤维具有各

10、种不同的断面结构,24,正式稿件,碳纤维复合材料成型工艺,7,25,正式稿件,预浸料是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维或织物，制成树脂基体与增强体的组合物，是制造复合材料的中间材料。由碳纤维纱、环氧树脂等材料，经过涂膜、热压、冷却等工艺加工而成的复合材料称为碳纤维预浸料。用预浸料-热压罐工艺生产碳纤维制造复合材料，要先将碳纤维浸溶在树脂溶剂里，进行铺叠成型。接着经过模具工装进行表面组装固定，在部件接触面贴胶。其后进热压罐100-130度固化，并通过紧固成为成品构件。在预浸料-热压罐工艺中，预浸料的手工铺叠是人工成本和人工时间消耗最大的一个环节，这种工艺的速度慢、质量低、时间长、人工成本

11、高。因此，铺叠自动化，就成为这个工艺中最讲究的部分。如果说，预浸料-热压罐是航空复材生产工艺的皇冠，那么铺叠环节的自动化工艺，就是这个皇冠上最耀眼的那颗钻石。目前，业界对手工铺叠改进的方式主要有手工自动铺叠、自动铺丝、自动铺带三种,26,正式稿件,1、模压法。这种方法是将早已预浸树脂的的碳纤维材料放入金属模具中，加压后使多余的胶液溢出来，然后高温固化成型，脱膜后成品就出来了，这种方法最适合用来制作汽车零件。 2、手糊压层法。将浸过胶后的碳纤维片剪形叠层，或是以便铺层一边刷上树脂，再热压成型。这个方法可以随便选择纤维的方向、大小和厚度，被广泛使用。注意的是铺层后的形状要小于模具的形状，这样纤维在

12、模具内受压时就不会挠曲。 3、真空袋热压法。在模具山叠层，并覆上耐热薄膜，利用柔软的口袋向叠层施加压力，并在热压灌中固化。 4、缠绕成型法。将碳纤维单丝缠绕在碳纤维轴上，特别适用于制作圆柱体和空心器皿。 5、挤拉成型法。先将碳纤维完全浸润，通过挤拉除去树脂和空气，然后在炉子里固化成型。这种方法简单，适用于制备棒状、管状零件,27,正式稿件,28,正式稿件,8,应用领域,碳纤维材料,29,正式稿件,碳纤维三脚架,碳纤维自行车,碳纤维应用实例,碳纤维在日常生活中的运用 碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。在多个领域都出现了碳纤维材料的身影，比如说滑雪板、棒球棒、赛车、自行车以及各种体育服

13、装用品中,碳纤维外壳的Thinkpad,30,正式稿件,碳纤维应用实例,碳纤维医疗填平床板,太阳能热水器,31,正式稿件,碳纤维应用实例,碳纤维在工业中的应用 传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等,32,正式稿件,碳纤维应用实例,现在的F1（世界一级方程锦标赛）赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和结构强度,33,正式稿

14、件,碳纤维箭杆,碳纤维加热管,碳纤维复合芯导线,碳纤维应用实例,碳纤维由于具有强度高、重量轻、耐热性好、抗热冲击性强等诸多优点而广泛应用于各种工业产品和日常生活用品中,碳纤维床垫,34,正式稿件,碳纤维应用实例,碳纤维用作加固材料 目前的日本国内，绝大多数的建筑，公路，桥梁都已经使用到了碳纤维材料作为建筑结构的加固补强材料，这一材料的使用，使得日本国内的建筑结构的抗震防裂级别又提升了一个档次,35,正式稿件,9,碳纤维的缺点,碳纤维材料,36,正式稿件,碳纤维的缺点,1、复杂的应力计算 碳纤维的特点是拉伸强度强，但剪断强度弱，加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、横刚性)，根据计算把碳纤维片重叠成型。 2、难于更改尺寸 由于作好模具后成型，难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。 3、老化 很多使用者发现碳纤维产品放置在阳光下时会逐渐变白。因此