复合材料碳纤().ppt

* 9、 碳纤维（CF） 一、发展简况： 1860年英国人J.Swan用纸绳炭化成碳丝，以此制作灯丝。 1879年美国人T.Edison以碳丝作为灯丝。 1959年美国联合碳化物公司（UOC）生产粘胶基CF 1959年日本用聚丙烯腈（PAN）原丝制造碳纤维。英国皇家航空研究员研制了CF工艺流程，产量占世界总产量的90％左右 1974年UOC公司开始了高性能中间相沥青基Thornel-P55 CF —最好的产品 * 2.2 我国CF发展瓶颈 1. PAN原丝质量 PAN原丝质量差，影响其产量和成本； 2.5kgPAN → 1kgCF,原丝成本占CF生产成本 的50-65% 2. 生产规模 国外一条CF生产线的能力在200吨/a以 上，而我国至今还没有一条百吨级碳生产线。 这也是我国工程化开发的差距之一。 * 2.2 我国CF发展瓶颈 碳纤维缺陷分为两类： 先天性缺陷：由PAN原丝“遗传”给碳纤维； 后天性缺陷：在预氧化、碳化等一系列后处理 过程中产生。 CF理论强度为180GPa，目前世界上强度最高 的CF T1000（日本东丽公司）的拉伸强度也仅 为理论值的3.9% * 三、CF结构 碳纤维（CF）基本属于二维乱层石墨结构 石墨结构是碳原子以层面六角形网络形式规则排列，层面内碳原子以共价键连接，原子间距0.142nm，层间以范德华力连接，层间距0.3345nm。 石墨形式的碳具有各向异性：沿六方层平面方向的杨氏模量为1000GPa，而沿垂直层面方向的杨氏模量仅为35GPa。 * 四、 CF的分类与制造 4.1 CF的分类 根据性能分类： 高性能CF：高强度(HS)，超高强度 (VHS)，高模(HM)，超高模量(VHM)， 中模量(MM) 低性能CF：耐火纤维、碳质纤维等 * 4.1 CF的分类 聚丙烯腈基CF (PAN) 目前国内外高强、高模CF的主要原料 粘胶基CF（人造丝） 强度、模量较低 沥青基CF 原料丰富，成本较低 木质素纤维基CF 其他有机纤维基CF 各种天然纤维、再生纤维缩合多环芳香族等合成纤维 按原丝类型分： * 4.1 CF的分类 根据功能分类： 受力结构CF 耐焰CF 活性碳CF（吸附活性） 导电CF 润滑CF 耐磨CF 根据外观分类： 短纤维 长纤维 二向织物：平纹布、缎纹布等 布的叠层结构 扭绳或编织绳 三向织物和多向织物 * 4.2 CF的制造 不能采用熔融法、溶液法直接拉丝 气相法：在惰性气氛中将小分子有机物（如烃 或芳烃等）在高温下沉积成纤维、晶须或短纤 维。 有机纤维碳化法：先将有机纤维经稳定化处理 后变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中高温碳 化，使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子， 形成以碳为主要成分的纤维状物―连续长纤维。 * 4.2 CF的制造 CF的制造共分五个阶段： 1.拉丝：湿纺和熔纺拉丝 2.牵伸：改变石墨晶体或石墨层片的取向，使碳纤维具有高模量。 3.预氧化处理（稳定化处理）（200～300）℃原丝受张力作用下（择优取向）加热氧化—颜色变化：白-黄-褐色-黑 * 4.碳化处理（1000～2000)℃处理，含碳量提高到95% 5.石墨化处理：(2500～3000）℃处理，使纤维中的结晶碳向石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小以提高碳纤维的弹性模量。 方法：石墨纤维密封装置中，施加张力，并适用保护气体。 * 制造过程中碳纤维结构的变化 热处理阶段，除去碳以外的元素（N、H、O）。 发生脱水、脱氧化碳、脱氨等反应。生成如：HCN、 N2 、H2、CO2、CO、NH3、CH4。 碳化后，一般的碳产率只有40-45％。 4.2 CF的制造 * 几种CF的化学成分 类型牌号 高 强 中模高强 高 模 T300，T400 M30，T800 M40，M50 成分 (%) C H N 93-96 4-7 0 95-98 2-5 0 99.7 0 0 碱金属(ppm) 20-40 20-30 10-20 4.2 CF的制造 * 4.3 CF宏观结构 缺陷： 原丝缺陷：原丝的先 天缺陷，碳化过程可能 会减少。 碳化过程中产生的缺陷： 由于大量气体放出，在纤维 表面生成空穴和缺陷。 * 各向异性： * 六、 CF的性能―化学性能 与碳相似，除强氧化剂外，对一般的酸碱 是惰性的。 对CF影响最大的强氧化剂O2 空气中：400℃ 惰性气体中：1500℃，比其他纤维耐热性高 （石英纤维 1250 ℃） * 6.2 CF的特性 耐热性好 摩擦系数低 耐低温性能好 耐油、抗辐射、能吸