第8章碳纤维讲述.ppt

* 第一节 概述 碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维状碳化合物。 碳纤维的性质：具有模量高、强度大、密度小、耐高温、抗疲劳、抗腐蚀、自润滑等优异性能。 碳纤维的应用：航天、航空、航海等高技术产业到汽车、建筑、轻工等民用工业的各个领域正逐渐得到越来越广泛的应用。主要用于导电、隔热、过滤等方面。 碳纤维增强复合材料应用：可作飞机的尾翼或副翼, 通信卫星的天线系统和导波管、航天飞机的货舱门、燃料箱、助推火箭的外壳。 第八章 碳纤维 碳纤维-石墨复合材料应用：原子能工程上作铀棒的幕墙材料,不仅可以防止铀棒的辐射变形, 使其对中子的吸收截面变小, 反射中子能力增强, 而且在光氧条件下能耐3000℃以上的高温。 碳纤维复合材料应用：优质的化工容器、设备或零部件。 将碳纤维进行活化处理，得到活性碳纤维，是已知的比表面积最大的物质之一(2500m2﹒g-1)，被称为第3代活性炭，作为新型吸附剂具有重要的应用前景。 图1 石墨六方晶体结构 图2 金钢石结构 金刚石和石墨都是碳的单质，两者均是由碳形成的巨大分子，但由于碳原于间结合方式不同，金刚石为无色坚硬的晶体，而石墨却是黑色的光滑的无定形物质。 第二节 碳纤维的分类与制造 碳纤维的分类 根据原丝的类型、碳纤维的性能和用途进行分类。 1.1 根据碳纤维的性能分类 (1) 高性能碳纤维 ⅰ高强度碳纤维(HS) ⅱ超高强度碳纤维(VHS) ⅲ 高模量碳纤维(HM） ⅳ中模碳纤维(MM) (2) 底性能碳纤维 ⅰ耐火纤维 ⅱ碳质纤维 ⅲ 石墨纤维 上述纤维的有关性能见表 2表 2 碳纤维的性能 1﹒2 根据原丝类型分类 (1)聚丙烯腈基碳纤维； (2)粘胶基碳纤维； (3)沥青基碳纤维； (4)木质素纤维基碳纤维， (5)其他有机纤维基(各种天然纤维，再生纤维缩合多环芳香族等合成纤维)碳纤维。 不同原料碳纤维的性能见表3。 99.0 94.5 96.5 99.0 99.8 碳含量（W%） 2.7～3.0 2.0～2.75 ＞2.76 ＞1.7 ＞1.7 拉伸强度（GPa） 180～200 200～250 200～350 300～400 ＞400 拉伸弹性模量（GPa） MM HS VHS HM UHM 碳纤维 性能 1.3 根据碳纤维的功能分类 (1)受力结构用碳纤维； (2)耐焰碳纤维； (3)活性碳纤维(吸附活性)； (4)导电用碳纤维； (5)润滑用碳纤维； (6)耐磨用碳纤维。 1 0.6 ～1.2 延伸率(%) 2.0 1.7 1.8 密度（g/cm3 ） 414～552 379 207～345 拉伸弹性模量（GPa） 2.1～2.8 1.6 2.5～3.1 拉伸强度（GPa） 人造线碳纤维 沥青碳纤维 聚丙烯腈碳纤维 性 能 表 3 不同原料制碳纤维的性能 石墨纤维与碳纤维是有严格区别 碳纤维主要含无定型碳，碳含量约为95％；石墨纤维则含较多的结晶碳，碳含量达99％以上。造成这种差别的主要原因是制造纤维时的温度不同，制造碳纤维时热处理温度为1200℃～1500℃，而制造石墨纤维时的热处理温度为2000℃以上。 1.4 根据纤维的外观分类 1）短纤维：包括短切纤维和碳毡。 2）长纤维：长纤维的长度可达几千米。 3）二向织物：品种有平纹布或缎纹布等。碳纤维二向织物的生产方法，可以先经碳化后进行编织，也可以先编织后再碳化。 4）布的叠层结构：将碳布折叠成一定的长、宽、高的形状，通常为无芯卷绕，最后加工成圆形或方形的形式，其长度可根据需要而定。 5）扭绳或编织绳：将数束单丝纤维合并成小股，以致股或数10股在扭绳机或编绳机上进行扭编或编织，可制成粗细不等的圆形或方形绳。编织技术有三种形式，见图3。 图3 碳纤维的三种编织结构 (a)穿心编织；(b)八锭编织；(c)套层编织 ①穿心编织：可以在三轨道或四轨道编织机上进行，在四边或中心部位可以添加规格不等的芯线。编织物呈方形，适用于编织6mm×6mm以上的产品，花纹较为密实。可以达到强度高、弹性好、耐磨、密封性能良好 ②八锭编织：八锭编织方法有8个锭子和两个轨道，并可在四角或中心加芯线，产品呈方形，适宜于编织6mm×6mm以下的产品，花纹较粗糙。 ③套层编织：编织锭子可以有12个至60个不等。这些锭子可以在两个轨道上运行。套层编织产品适用于静密封件，致密性好，密封效果好，但外层易磨损，造成脱皮现象。 6)三向织物和多向织物： 将一组碳纤维吊起来，作为Z向纤维股，然后在X向和Y向穿梭编织，织一层X向，再织一层Y向，重复作业织成一个具有一定尺寸的立方体。图4示出其原理及外形图。 图4 三向织物