,复合材料(碳碳)分析.ppt

5.2.1 纤维增强体 1860年，英国人瑟夫·斯旺将细长的绳状纸片碳化制取碳丝，以此制作电灯的灯丝。大约在1879年，他把棉纱浸入硫酸，焦干处理，然后碳化，或将硝化纤维素从膜孔中挤出成丝，然后再碳化，并获得专利。由于当时解决不了灯泡的真空问题，所以没有实用化意义。但是，碳丝的起源或溯源点应该是从他开始的。此外，硝化纤维素的膜孔成丝为今后发明合成纤维做了有益的工作和启迪。 碳纤维－是由有机母体纤维（例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青） 采用高温分解法在1000～3000℃高温的惰性气体下制成的。其结果是除碳以外所有元素都予以去除。 碳纤维呈黑色，坚硬，具有强度高、重量轻等特点，是一种力学性能优异的新材料，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3500MPa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000～43000MPa亦高于钢。因此CFRP的比强度可达2000MPa/(g/cm3)以上，而A3钢仅为59左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大。此意义上已预示碳纤维在工程广阔应用前景，人类在材料应用上正从钢铁时代进入复合材料广泛应用时代。 1. 碳纤维的起源 视频播放 3. 碳纤维的生产技术 以下主要介绍聚丙烯晴基碳纤维的生产方法。聚丙烯腈（PAN）基碳纤维为人造合成纤维，俗称人造羊毛。生产碳纤维不采用民用腈纶，而是采用特殊组分且性能优良的专用PAN基纤维。PAN原丝经一系列热处理后，由有机合成纤维转化为含碳量在92﹪以上的无机碳纤维。下图所示为由聚丙烯晴纤维制备碳纤维的工序。 碳纤维材料制备基本 工艺流程 图 4. 碳纤维的性能 (1) 密度小,耐酸,热膨胀系数小、甚至为负值；具有良好高温蠕变性能,直至1900℃以上才呈现塑性变形。 (2) 摩擦系数小,润滑性及导电性良好；但脆性大,冲击韧度差。 (3) 其强度随处理温度升高,在1300℃~1700℃范围内,强度出现最大值. (4) 弹性模量随碳化过程处理温度的提高而提高,经2500℃高温处理后,称高模量碳纤维. 性能 普通型 高强度型 高模量型 抗拉强度/×102MPa ＞19.6 ＞24.5 ＞19.6 弹性模量/×102MPa ＞19.6 ＞21.6 ＞34.3 伸长率 / % 1.0~1.5 1.0~1.5 0.5~0.9 碳纤维复合材料自行车 (吉林化纤) ←车展上的碳纤维超级跑车 碳纤维复合材料应用实例 北京奥运会撑杆跳冠军 视频播放 碳纤维增强复合材料在民用飞机及赛车中的应用 伊辛巴耶娃破纪录　蝉联女子撑杆跳冠军 5.6 性能优异的C/C复合材料 5.6.1 C/C复合材料的发展和性能特点 5.6.2 C/C复合材料的制备工艺简介 5.6.3 C/C复合材料的应用 耐高温陶瓷基 复合材料 5.6.1 C/C复合材料的发展和特点 1. 何谓碳/碳（C/C）复合材料？ 指用碳或石墨纤维增强碳或石墨基体制成的特种复合材料，即利用碳的优良物理和抗化学腐蚀性能制成的纤维增强碳基复合材料。C/C复合材料在耐高温、耐腐蚀、耐磨损和耐海水等方面，具有优异的特性。 2. C/C复合材料的发展 1961年日本首先用聚丙烯腈(PAN)原丝制成高性能碳纤维, 1963年英国研究者发明用牵引法提高纤维结构的取向,进一步提高了碳纤维的强度和弹性模量,至60年代末,提高碳纤维性能和生产效率的办法日趋完善.高强度、高模量、超高强度和高强中模量的碳纤维形成规模生产并开始商品化。C/C复合材料的发展主要受宇航工业发展的影响，因其具有高烧蚀热、低烧蚀率、超热环境下高强度等一系列优点，被认为是航天环境中高性能的烧蚀材料。 它还具有优异的耐磨擦性能和高导热率，使其在飞机、汽车刹车片、导弹弹头等高科技技术领域等诸多方面得到广泛应用。 3. C/C复合材料的特点 （1）基本物理、化学性能 C／C复合材料具有碳的优良性能，包括耐高温、抗腐蚀、较低的热膨胀系数和较好的抗热冲击性。C在石墨状态下，只有加热到4000℃才会熔化(在压力超过12GPa的条件下)；只有加热到2500℃以上才能测出其塑性变形；在常压下加热到3000℃，碳才开始升华。其体积密度和气孔率随制造工艺的不同而变化较大，密度最高的C／C复合材料可达2.0g／cm3，开口气孔率只有2％～3％。树脂碳作基体的C／C复合材料体积密度为1．5g／cm3。 C／C复合材料与石墨一样具有化学稳定性，它与一般的酸、碱、盐的溶液不起反应，与有机溶剂不起作用，只是与浓度高的氧化性酸溶液起反应。其在常温下不与氧作用，开始氧化的温度为400℃(特别是当有微量K、Na、Ca等金属杂质存在时)，当温度高于600℃将会发生严重氧化。 （2）优异的力学性能 图5