碳纤维增强复合材料

班级：13级高分子材料与工程姓名：学号：内容一.碳纤维及其复合材料概况二.碳纤维的特性、结构及分类三.碳纤维的应用与发展碳纤维及其复合材料1.碳纤维及复合材料简述：碳纤维（carbonfiber,CF)是由有机纤维在保护气氛（N2或Ar）下热处理碳化成为含碳量90%~99%的高性能无机纤维材料。1860年，英国人瑟夫•斯旺（J.Swan）将细长的棉线纸化制取碳丝，以此制作电灯的灯丝，这是人类第一次记载使用碳纤维。碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。此外,还具有纤维的柔曲性和可编性。一.碳纤维及其复合材料概况碳纤维及其复合材料概况碳纤维既可用作结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用。因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速，目前日本是碳纤维的最大制造国（特别在PAN原丝的d制造技术和产量方面），美国是碳纤维的最大应用国。这次将就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍。碳纤维微观结构图2.碳纤维的发展简史：碳纤维及其复合材料概况年份主要事项1860187818791882191119501959196219631964196519701971英国瑟夫•斯旺（J.Swan）制作碳丝灯泡英国瑟夫•斯旺（J.Swan）以棉纱试制碳丝爱迪生以油烟与焦油、棉纱和竹丝试制碳丝（持续照明45h）碳丝电灯实用化钨丝电灯实用化（1910年发明）美国Wright-Patterson空军基地开始研制黏胶基碳纤维美国UCC公司生产低模量黏胶基碳纤维“Thornel-25”日本大阪工业试验所的进藤昭男发明了PAN基碳纤维日本碳公司开始生产低模量PAN基碳纤维（0.5t/month）英国皇家航空研究所（RAE）的瓦特和约翰逊成功地打通了制造高性能PAN基碳纤维（在热处理时施加张力）的技术途径英国Courtaulds,Morganite和Roll-Roys公司利用RAE技术生产PAN基碳纤维日本群马大学的大谷杉郎发明了沥青基碳纤维美国UCC公司开始生产高模量沥青基碳纤维（石墨化过程中牵伸）日本吴羽化学公司生产沥青基碳纤维（10t/month）日本东丽公司与美国UCC公司进行技术合作日本东丽公司工业规模化生产PAN基碳纤维（1t/month），碳纤维牌号为T300，石墨纤维为M40碳纤维及其复合材料概况续表：年份主要事项197219731974197519761979198019811984198619891992···美国Hercules公司开始生产PAN基碳纤维日本用碳纤维制造钓竿，美国用碳纤维制造高尔夫球棒日本东邦人造丝公司开始生产PAN基碳纤维（0.5t/month）日本东丽公司扩产5t/month碳纤维钓竿、高尔夫球棒迅速发展日本东丽公司扩产13t/month碳纤维网球拍商品化美国UCC公司公布利用中间相沥青制造高模量沥青基碳纤维“Thornel-P”美国UCC公司的高性能沥青基碳纤维商品化日本东邦人造丝公司与美国赛兰尼斯进行技术合作日本住友化学与美国赫格里斯（Hercules）成立联合公司日本碳公司与旭化成工业公司成立旭日碳纤维公司美国波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维日本三菱人造丝公司与美国Hitco公司进行技术合作日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T800日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T1000日本东丽公司研制成功高强中强碳纤维M60日本东丽公司研制成功高强中强碳纤维M70J、杨氏模量高达690GPa···二.碳纤维的特性、结构及分类1.碳纤维主要具备的特性:碳纤维的性质主要包括力学性质（强度、模量、伸长），热学性质（热容、热导率、热膨胀），化学性质（氧化性、腐蚀性），电、磁学等性质。就综合性质而言，碳纤维是一种优异增强材料，下面主要是其所具备的一些特性①密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5～2g/cm3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2；②强度、弹性模量高,其强度比钢大4～5倍,弹性回复为100%;③热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂;碳纤维的特性④摩擦系数小,并具有润滑性;⑤导电性好,25℃时高模量碳纤维的比电阻为775μΨ/cm,高强度碳纤维则为1500μΨ/cm;⑥耐高温和低温性好,在3000℃非氧化气氛下不熔化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;⑦耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀，此外碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。碳纤维的品种与规格碳纤维与玻璃纤维一样，有长纤维、短纤维，有布、毡，有扭绳或编制绳、三向或多向立体织物等不同形式的产品供应。如下将列出主要碳纤维的品种与和性能。碳纤维的特性主要碳纤维的品种和性能碳纤维的特性碳纤维的结构2.碳纤维的结构:碳纤维具有较高的强度和模量是与其结构分不开的，碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向，与石墨晶体类似。石墨晶体是三维有序的各项异性材料，沿层平面方向具有非常高的模量，试想发展层平面与纤维轴向一致的纤维材料，必将会具有高模量由此导致了碳纤维问世。CF的结构石墨片层石墨微晶（乱层结构）石墨原纤（条带结构）碳纤维碳纤维的结构碳纤维结构示意图用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构,如右图所示：构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面。在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为0.1421nm;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360～0.3440nm之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边缘参差不齐。处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同。层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性比较高。因此,碳纤维的表面活性与处于边缘位置的碳原子数目有关。碳纤维的分类3.碳纤维的分类:(1)根据碳纤维的力学性能可分为：通用级碳纤维（GP）和高性能碳纤维（HP）,其中高性能碳纤维又包括中强型（MT）、高强型(HT)、超高强型（UHT）、中模型（IM）、高模型（HM）和超高模型（UHM）等几种,其高性能碳纤维（HP）的性能如下表性能碳纤维UHMHMUHTHTIM拉伸模量/GPa400300~400200~350200~250180~200拉伸强度/GPa1.71.72.762.0~2.752.7~3.0含碳量/%99.899.096.594.599.0碳纤维的分类碳纤维的分类聚丙烯腈基碳纤维（PAN-based）:聚丙烯腈基碳纤维由聚丙烯腈经纺丝、预氧、碳化几个阶段形成。具有高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点,并具有很强的抗压抗弯性能,一直在增强复合材料中保持着主导地位。沥青基碳纤维（pitch-based）:沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料,经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成。生产原料成本低于聚丙烯腈基碳纤维。黏胶基碳纤维（rayon-based）:黏胶基碳纤维是由主要成分为纤维素的粘胶纤维经过脱水、热解然后碳化而得来的。气相生长碳纤维（vaporphase-based）:气相生长碳纤维是以苯、甲烷等做原料经过渡金属铁、钴、镍等它们的合金、化合物为催化剂，氢气作载气在还原性气氛中制成。(2)根据先驱体纤维原料的类型可分为：碳纤维的分类（3）根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷,而目前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料。i.碳纤维增强陶瓷基复合材料陶瓷具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性,广泛应用于工业和民用产品。但是,它的致命弱点是脆性大,并且对裂纹、气孔和夹杂物等细微的缺陷很敏感。用碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性,改变陶瓷的脆性断裂形态,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基复合材料（CarbonFibersReinforcedSiliconCarbideCeramicMatrixComposites，CFRCMCs）是碳纤维增强碳化硅材料,因其具有优良的高温力学性能,在高温下服役不需要额外的隔热措施,因而在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域具有广泛应用。ii.C/C复合材料C/C复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称,也是一种高级复合材料。它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成。碳/碳复合材料主要由各类碳组成,即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种完全由人工设计、制造出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能,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。特别是在高温环境中,强度高、不熔不燃,仅是均匀烧蚀。这是任何金属材料无法与其比拟的。因此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高科技领域。碳纤维的分类碳纤维的分类iii.碳纤维增强金属基复合材料碳纤维增强金属基复合材料（CarbonFiberReinforcedMetal,CFRM)是以碳纤维为增强纤维,金属为基体的复合材料。碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比,具有高的比强度和比模量，碳纤维-铝合金复合材料在400℃高温下，强度和弹性模量基本无变化;与碳纤维增强树脂基复合材料相比，具有高的耐热性；与陶瓷相比,具有高的韧性和耐冲击性能。金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等。目前,在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等,但由于纤维增强金属基复合材料所用长纤维的价格昂贵,制备工艺复杂,限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用。iv.碳纤维增强树脂基复合材料碳纤维增强树脂基复合材料((CarbonFiberReinforcedPlastics,CFRP)是目前最先进的复合材料之一。它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料,是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。所用的基体树脂主要分为两大类,一类是热固性树脂,另一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预集体或带有活性基团高分子量聚合物组成。CFRP在航空航天领域有着大量的应用,人们甚至将CFRP在航天结构上应用的规模视为衡量航天结构先进性的重要标志之一。随着碳纤维成本的降低以及复合材料制造技术的发展,土木建筑和海底油田将是碳纤维复合材料应用领域的新增长点。以碳纤维复合材料代替传统金属材料制作建筑物的横梁、抗震结构,补强、修补或加固桥梁,制造油田勘探和开采器材以及平台、油、气储罐等将会有很大的发展。碳纤维增强复合材料分类三.碳纤维的应用与发展1.发展简述对于近年碳纤维及其复合材料的发展来看，在航空航天领域PAN-CF已成为重要的主导材料，汽车和风电叶片则是未来CFRP的重要市场。日本在CFRP研发方面，比美欧晚10～20年，然而近年来发展迅速，而且在碳纤维增强热固性树脂和热塑性树脂的成型工艺方面都有所创新，值得我国借鉴。碳纤维复合材料是一种高性能、多功能的先进复合材料。目前,国内外学者对于碳纤维复合材料的研究热点主要集中于复合材料的制备与工艺优化以及复合材料及结构的损伤破坏和承载能力分析等领域。相信随着我国在碳纤维生产以及复合材料制备工艺领域的进一步发展,碳纤维及其复合材料在建筑、交通、化工等民用领域的应用前景将十分乐观,而其在航空航天及军事领域的应用也会更加广泛。碳纤维长丝预浸料单向预浸料（无纬布）双向预浸料（带、布）束丝预浸料织物二维织物三维织物多维织物短切纤维纸粒料微纤（研磨）镀、喷金属各种浸渍物短切复合纤维包覆塑料导线电缆碳纤维很少直接应用，大多是经深加工制成中间产物或复合材料，碳纤维及其深加工制品如图右：碳纤维应用与发展碳纤维应用与发展2.碳纤维的应用领域随