碳纤维复合材料课件

1、碳纤维复合材料Xxxxxx xxxxxxxxXxxxxx xxxxxxxxXxxxxx xxxxxxxxXxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx目录简介组成及结构优势分类物理化学性能制备工艺应用市场研究方向简介 在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。碳纤维复合材料的发展和战略地位碳纤维复合材料的发展和战略地位 碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导

2、电、质轻、易加工等多种优异性能，正逐步征服和取代传统材料。现已广泛应用于航天、航空和军事领域。世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。 碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。经过二十多年的发展，碳纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期，其工业地位已基本

3、确立，美、日、英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分，并已逐步形成垄断优势。 我国对碳纤维的研究由于起步较晚，技术力量薄弱，虽然碳纤维及其复合材料我国已被纳入国家“863”和“973”计划，但总体情况不尽理想，我国仍不具备成熟的碳纤维工业化生产技术，国防和民用碳纤维产品基本依赖进口。组成及结构 由碳纤维增强树脂、金属、陶瓷等基体材料，制成的结构材料简称碳纤维复合材料。 其中最主要的成分是其增强材料碳纤维。碳纤维材料结构示意图碳纤维材料结构示意图 碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热

4、及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。 碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。 碳纤维复合材料碳纤维复合材料 - 优势优势 1、高强度（是钢铁的5倍）2、出色的耐热性(可以耐受2000以上的高温)3、出色的抗热冲击性4、低热膨胀系数(变形量小)5、热容量小（节能）6、比重小（钢的1/5）7、优秀的抗腐蚀与辐射性能 碳纤维复合材料加固混凝土结构技术是一种新型、高效、不影响原结构的外观的结构加固技术。工程中采用的碳纤维加

5、固混凝土结构技术是利用树脂胶结材料，将碳纤维材料粘贴于混凝土结构表面，通过二者协同受力，达到加固目的。与传统的加固方法相比，碳纤维加固技术具有以下的优良性能：（1）高强度高弹性模量。碳纤维的抗拉强度高，极限抗拉强度约为钢材的10倍，弹性模量和钢材相近。因此，在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到加固修补的目的。（2）重量轻，密度只有普通钢材的1/4。（3）耐久性好，可阻抗化学腐蚀和恶劣环境、气候变化的破坏，解决了其他加固方法所遇到的化学腐蚀问题；同时也免去了粘钢加固所需的定期防锈维护，节省维护费用。（4）热膨胀系数

6、小。碳纤维材料的热膨胀系数非常小，其在纤维方向的热膨胀系数几乎等于零，这一特性是目前其他任何材料无可比拟的，垂直于纤维方向的热膨胀系数虽然比较大，但各向同性制品与其它材料相比又最小。（5）施工方便快捷、省力节时、施工质量易于保证。碳纤维布加固不需要大型施工机械和重型设备，施工占用场地少，无湿作业，碳纤维布柔性好，可以根据设计尺寸用剪刀或刀片将其任意裁剪，操作简单，施工速度快，粘贴碳纤维的加固工效是粘钢加固工效的48倍。（6）施工质量易于保证。碳纤维布是柔性材料，即使被加固构件的表面不是非常平整，经过修补后，有效粘贴率可达到95%以上。（7）对结构影响小。碳纤维材料重量轻，厚度薄，经加固修补后的

7、构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，不影响结构的使用空间。（8）适用范围广。混凝土构件、钢结构、木结构均可进行加固。混凝土结构物、桥梁及建筑物的梁、柱、面板加固。隧道、港湾设施、烟囱、仓库、厂房的加固。受盐害的混凝土、桥梁以及河川构造物的防护和加固。 除此之外，碳纤维材料还有其他的一些优势，如透电磁波、绝缘、隔热等，这就使得碳纤维加固技术在混凝土结构加固方面产生良好的综合效益。分类按基体材料分类按基体材料分类碳纤维增强陶瓷基碳纤维增强陶瓷基C/C碳纤维增强金属基碳纤维增强金属基碳纤维增强树脂基碳纤维增强树脂基(1) 碳纤维增强陶瓷基复合材料碳纤维增强陶瓷基复合材料 用碳纤维增强陶瓷可有效改善

8、韧性，改变陶瓷脆性断裂形态，同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料，在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域广泛应用。(2) C/C 复合材料复合材料 它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成，主要由各类碳组成，即纤维碳、树脂碳和沉积碳。 这种材料除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外，还具有较高的断裂韧性和假塑性。在高温环境中，强度高、不熔不燃，广泛应用于导弹弹头，固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等领域。(3) 碳纤维增强金属基复合材料碳纤维增强金属基复合材料 碳纤维增强金属基复合材料具有高的比强度和比模

9、量，高的韧性和耐冲击性能。目前碳纤维增强铝、镁基复合材料的制备技术比较成熟。(4) 碳纤维增强树脂基复合材料碳纤维增强树脂基复合材料 (CFRP) 它具有轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点，被广泛应用作结构材料及耐高温烧蚀材料。碳纤维的主要用途及应用形态、种类碳纤维增强树脂复合材料碳纤维增强树脂复合材料 碳纤维增强树脂复合材料所用树脂基体主要分为两类，一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。碳纤维增强热塑性塑料是指碳纤维为分散质，热塑性塑料为基体的纤维增强塑料。用碳纤维增强热塑性塑料近年来发展较快，其特点是：强度与刚性高，蠕变小，热稳定性高，线膨胀系数小：减摩耐磨，不损伤磨件，阻尼

10、特性优良。 碳纤维增强热固性塑料是以热固性塑料为基体，以碳纤维及其织物为分散质的纤维增强塑料。碳纤维及其织物与环氧、酚醛等树脂制成的复合材料具有强度高、模量高、密度小、减摩耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小、导热率大，耐水性好等特点。 碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP），其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。它的比重不到钢的1/4，抗拉强度一般都在3500Mpa 以上，是钢的79 倍，抗拉弹性模量为2300043000Mpa，亦高于钢。因此碳纤维增强树脂（CFRP）的比强度（即材料的强度与其密度之比）可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3 钢的比强度

11、仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势，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。 作为高性能纤维的代表，碳纤维属于高技术密集型产品，其生产技术复杂，产业发展涉及官、产、学、研各个环节。由于它是发展航天航空和军事工业等尖端技术必不可少的新材料，也是民用工业更新换代的基础材料，国外又对其出

12、口进行封锁，所以近年来我国就一直比较重视对其研制和生产，虽然起步较早，投入不薄，但仍处于失利地位。物理化学性能 化学性质化学性质 碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。 物理性能物理性能 碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500M

13、pa以上，是钢的79倍，抗拉弹性模量为2300043000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。 碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。 （1）密度低（1.7g/cm3左右）在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200oC时可保留室温强度；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后

14、来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。 （2）热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。 （3）耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。制备工艺 和很多复合材料的制备工艺一样，碳纤维也可以用如手糊成型，压力成型，缠绕成型，模压成型，挤出成型，注射成型，喷射成型，树脂传递成型。但大体上碳纤维复合材料的制备工艺如下： 1. 准备原料2. 准备工艺托盘3. 在工艺托盘上铺贴碳纤维4. 做

15、真空包5. 抽真空6. 固化成碳板7. 运输碳板 但不管生产什么东西，无外乎预浸、缠绕拉挤等工艺。连续碳纤维热塑性复合材料制备工艺连续碳纤维热塑性复合材料制备工艺 A，熔融浸渍法 B，粉末浸渍法 悬浮液浸渍法 流化床浸渍工艺法 C，纤维混编法1，预浸料制备技术，预浸料制备技术熔融浸渍法熔融浸渍法2，成型工艺，成型工艺模压成型模压成型真空袋成型真空袋成型双模成型双模成型缠绕成型缠绕成型成型工艺成型工艺碳纤维增强PVC复合材料的制备工艺模压成型模压成型碳纤维复合材料碳纤维复合材料 - 应用应用 碳纤维广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天以及超级跑车领域。 碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及

16、其他材料。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。 碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。 碳纤维复合材料用于汽车与航空业碳纤维复合材料用于汽车与航空业由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及