碳纤维的分类、制造、结构、性能等PPT文档演示分析
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第七章碳纤维PPT课件
预氧化过程中可能发生的反应：
环化反应 脱氢反应 吸氧反应
33
环化反应
CCCCC NNNNN
梯 形 ， 六 元 环 CCCCC
NNNNN 耐 热
34
脱氢反应
未环化的聚合物链或环化后的杂环可由于氧的作用 而发生脱氢反应，形成以下结构：
CC CC C NNNN
35
吸氧反应
氧可以直接结合到预氧化丝的结构中，主要生成－OH，－
14
第一节 碳纤维的制备与性能
碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机 纤维为原料，采用间接方法来制造。 ➢ 碳元素的各种同素异形体(金刚石、石墨、非晶态的各种 过渡态碳)，根据形态的不同，在空气中在350℃以上的高 温中就会不同程度的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中(常 压下)，元素碳在高温下不会熔融，但在3800K以上的高温 时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。 ➢ 碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。
13
碳纤维的分类
按制造条件 和方法分类
碳纤维：碳化温度1200～1500oC，碳含量 95％以上。
石墨纤维：石墨化温度2000oC以上，碳含 量99％以上。
活性碳纤维：气体活化法，CF在600～ 1200oC，用水蒸汽、CO2、 空气等活化。
气相生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有 机物在高温下沉积成纤维－ 晶须或短纤维。
碳纤维结构近乎石墨结构，比金刚石结构 规整性稍差。
4
碳纤维的发展
碳纤维的开发历史可追溯到19世纪末期，美国科学家爱 迪生发明的白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生 产的碳纤维，则出现在二十世纪50年代末期。
1959年美国联合碳化公司以粘胶纤维(Viscose firber)为 原丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维。
环化反应 脱氢反应 吸氧反应
33
环化反应
CCCCC NNNNN
梯 形 ， 六 元 环 CCCCC
NNNNN 耐 热
34
脱氢反应
未环化的聚合物链或环化后的杂环可由于氧的作用 而发生脱氢反应，形成以下结构：
CC CC C NNNN
35
吸氧反应
氧可以直接结合到预氧化丝的结构中，主要生成－OH，－
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第一节 碳纤维的制备与性能
碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机 纤维为原料，采用间接方法来制造。 ➢ 碳元素的各种同素异形体(金刚石、石墨、非晶态的各种 过渡态碳)，根据形态的不同，在空气中在350℃以上的高 温中就会不同程度的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中(常 压下)，元素碳在高温下不会熔融，但在3800K以上的高温 时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。 ➢ 碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。
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碳纤维的分类
按制造条件 和方法分类
碳纤维：碳化温度1200～1500oC，碳含量 95％以上。
石墨纤维：石墨化温度2000oC以上，碳含 量99％以上。
活性碳纤维：气体活化法，CF在600～ 1200oC，用水蒸汽、CO2、 空气等活化。
气相生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有 机物在高温下沉积成纤维－ 晶须或短纤维。
碳纤维结构近乎石墨结构，比金刚石结构 规整性稍差。
4
碳纤维的发展
碳纤维的开发历史可追溯到19世纪末期，美国科学家爱 迪生发明的白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生 产的碳纤维，则出现在二十世纪50年代末期。
1959年美国联合碳化公司以粘胶纤维(Viscose firber)为 原丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维。
第三章第二节 碳纤维
热 膨 胀 系 数
热 导 率
导 电 性
密 度
2.5.3 化学性能
耐一般酸碱
耐热性：
在不接触空气或氧化性气氛时，碳纤维具有突出的耐热性，
在高于1500oC下强度才开始下降。 用作返回舱的烧蚀材料
返回
热膨胀系数：
CF的热膨胀系数具有各向异性的特点。
平行于纤维方向为负值
垂直于纤维方向为正值
返回
碳纤维——半导体 石墨纤维——导电性比铝、铜高
石墨纤维
CF制造过程中最主要环节：
原丝制备；
原丝预氧化； 预氧化丝碳化或进一步石墨化
2000-3000 ℃
1000-1600 ℃
2)原丝的制备 a.聚合
加入共聚单体的目的： ①使原丝予氧化时既能加速大分子的环化，又能缓和纤
维化学反应的激烈程度，使反应易于控制；
②并可大大提高预氧化及碳化的速度。 共聚单体的种类：
E E0 (1 )
1
模量E：与取向度有关。 提高张力，则取向度提高， 则 E提高。
强度σ：与温度和张力有关。
K[(1 ) d ]1
温度T升高，同时提高张力
（牵伸率），可以提高碳纤维的强度。
几种纤维的应力－应变曲线比较图
2.5.2 物理性能
碳纤维的物理性能
耐 热 性
2.4.2 皮芯层结构
CF由皮层、芯层及中间过渡区组成。 皮层：微晶较大，排列有序。
芯层：微晶减小，排列紊乱，结构不均匀。
2.4.3 缺陷
碳纤维中的缺陷主要来自两方面：
原丝带来的缺陷：
碳化过程中可能消失小部分，但大部分将保留下来，变成碳纤维的缺陷。
碳化过程带来的缺陷
碳纤维课件ppt
碳纤维的环保意义
05
与价值
减少对传统材料的依赖
01
碳纤维作为一种高性能材料，可 以替代部分传统金属材料，降低 对矿产资源的开采和加工需求， 从而减少对环境的破坏和污染。
02
碳纤维的制造过程相对环保，不 需要经过高温熔炼，可以减少能 源消耗和碳排放。
降低碳排放，助力碳中和目标
碳纤维的制造和使用过程中，碳排放 量相对较低，有助于实现碳中和目标 。
汽车工业领域
车身结构
碳纤维复合材料能够显著 减轻汽车重量，提高燃油 效率和性能，因此在车身 结构中广泛应用。
汽车零部件
碳纤维复合材料也用于制 造汽车零部件，如发动机 罩、车门、车顶等。
电动汽车电池组
碳纤维复合材料在电动汽 车电池组中作为结构材料 ，能够提高电池组的强度 和刚度。
体育器材领域
自行车
VS
建筑补强
碳纤维复合材料也用于对建筑结构进行加 固和补强，提高结构的承载能力和耐久性 。
其他领域
压力容器和管道
碳纤维复合材料在制造高压容器和管道中作为结构材料，能够承受高压力和温度。
电子设备
碳纤维在制造电子设备中也有广泛应用，如电路板、连接器和外壳等。
碳纤维的未来发展
04
与挑战
碳纤维的研发进展
影响因素：生产工艺对碳纤维的性能 有很大影响，如温度、压力、时间等 工艺参数都会影响碳纤维的结构和性 能。
碳纤维的性能优势
02
高强度与轻量化
总结词
碳纤维具有高强度和轻量化的特性，使其成为高性能材料的 重要选择。
详细描述
碳纤维是一种高性能纤维，其强度和刚度都非常高，能够承 受较大的压力和弯曲应力。同时，碳纤维的密度非常低，比 传统的金属材料轻得多，因此使用碳纤维可以大大减轻产品 的重量。
碳纤维课件PPT
3
2021/3/10
碳纤维属于无机纤维，主要特点是耐高温、质轻、有很 高的抗拉强度和弹性模量，不单独使用，一般是加入到 树脂、金属或陶瓷基体中制成复合材料，用于制造宇宙 飞船、火箭、导弹、高速飞机及大型客机的外壳，此外， 这种复合材料还用于原子能、机电、化工、冶金、运输等 工业部门及体育运动器具。
14
2021/3/10
一、聚丙烯腈炭纤维
聚丙烯脂基碳纤维最早是在1959年由日本的进藤昭男研制成 功，1963年英国皇家航空研究中心在纤维热稳定化过程中施 加张力牵伸，打通了制备高性能碳纤维的工艺流程并沿用至
今。 碳纤维的生产主要分为两步，第一步是聚丙烯腈原丝的生产， 类似于腈纶的生产，第二步是原丝的预氧化和碳化。
18
2021/3/10
沥青调制
沥青调制是沥青炭纤维制造中的一项重要工艺步骤，原料沥青 经热致和溶致等主要调制手段，得到的调制沥青可作为纺丝沥青。 沥青调制处理是使调制成的沥青的组成结构尽量整齐均匀的处 理工艺。 调制成的纺丝用沥青原料，一般分为两类， ①普通纺丝用沥青(各向同性沥青)， ②高性能纺丝用沥青(中间相或潜在中间相型沥青)。
大丝束碳纤维是指每束碳纤维的根数等于或大于 46000—48000根，即每束≥46K一48K的碳纤维。而 1000 根、3000根、6000根、12000根以及24000根即1K、 3K、6K、12K、24K的碳纤维则称为小丝束碳纤维。 大丝束的生产对前驱体要求较低，产品成本低，非常 适合一般民用工业领域。而小丝束的生产追求高性能 化，代表世界碳纤维发展的先进水平。
15
2021/3/10
聚丙烯腈原丝的生产，是将单体聚合制成纺丝原液，然后 纺丝成形。按聚合和纺丝的连续性分为一步法和两步法； 按纺丝方法分为湿法、干法、熔融法和干湿法。原丝生产 在整个碳纤维生产过程中至关重要，原丝的质量决定着碳纤 维的性能，而且原丝部分的投资约占碳纤维生产的80％。 聚丙烯脂原丝经过预氧化、碳化，分子间形成乱层石墨结构， 制得碳纤维，或进一步经高温石墨化制得石墨纤维
碳纤维的分类、制造、结构、性能等PPT文档演示分析共58页
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
谢谢！
碳纤维的分类、制造、结构、性能等 PPT文档演示分析
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉ห้องสมุดไป่ตู้ 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
谢谢！
碳纤维的分类、制造、结构、性能等 PPT文档演示分析
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉ห้องสมุดไป่ตู้ 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
碳纤维PPT演示课件
15
航天飞机
16
（2）航空工业 用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机 体；次承力构件，如方向舵、起落架、副 翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，
此外还有C/C刹车片。
17
（3）交通运输
用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等
制件；船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼 雷快艇、快艇和巡逻艇，以及赛艇的桅杆、 航杆、壳体及划水浆；海底电缆、潜水艇、 雷达罩、深海油田的升降器和管道。
碳纤维构件 试验
22
碳纤维布加固修补结构技术是一种新型的 结构加固技术，它是利用树脂类粘结材料 将碳纤维布粘贴于混凝土表面，以达到对 结构及构件加固补强的目的。
23
碳纤维瓦
24
2007年5月10日，荷兰建成世界上最长的碳 纤维复合材料桥。该桥长24.5米，宽5米。
25
（6）其它工业 化工用的防腐泵、阀、槽、 罐；催化剂，吸附剂和密封制品等。生体 和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光 机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和 剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极 度、音响、减磨、储能及防静电等材料也 已获得广泛应用。
6
目前主要生产黏胶纤维的原料主要有木浆 型和棉浆型两种浆粕，俄罗斯和白俄罗斯 主要采用木浆型，我国主要采用棉浆型。 以黏胶丝为原料制碳纤维碳化得率只有 20～30％﹐这种碳纤维碱金属含量低﹐特 别适宜作烧蚀材料。
7
2.沥青基碳纤维
沥青基碳纤维分为两大类：一类是通用级， 由各向同性沥青制造纤维；另一类是高性能 级，由各向异性中间沥青制造纤维。以沥青 纤维为原料时﹐碳化得率高达 80～90％﹐ 成本最低﹐是正在发展的品种。
2
碳纤维概念
碳纤维是复合材料 碳纤维是一种纤维状碳材料。呈黑色，坚 硬，是一种强度比钢的大、密度比铝的小、 比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、 又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、 热学和力学性能的新型材料。
航天飞机
16
（2）航空工业 用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机 体；次承力构件，如方向舵、起落架、副 翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，
此外还有C/C刹车片。
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（3）交通运输
用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等
制件；船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼 雷快艇、快艇和巡逻艇，以及赛艇的桅杆、 航杆、壳体及划水浆；海底电缆、潜水艇、 雷达罩、深海油田的升降器和管道。
碳纤维构件 试验
22
碳纤维布加固修补结构技术是一种新型的 结构加固技术，它是利用树脂类粘结材料 将碳纤维布粘贴于混凝土表面，以达到对 结构及构件加固补强的目的。
23
碳纤维瓦
24
2007年5月10日，荷兰建成世界上最长的碳 纤维复合材料桥。该桥长24.5米，宽5米。
25
（6）其它工业 化工用的防腐泵、阀、槽、 罐；催化剂，吸附剂和密封制品等。生体 和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光 机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和 剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极 度、音响、减磨、储能及防静电等材料也 已获得广泛应用。
6
目前主要生产黏胶纤维的原料主要有木浆 型和棉浆型两种浆粕，俄罗斯和白俄罗斯 主要采用木浆型，我国主要采用棉浆型。 以黏胶丝为原料制碳纤维碳化得率只有 20～30％﹐这种碳纤维碱金属含量低﹐特 别适宜作烧蚀材料。
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2.沥青基碳纤维
沥青基碳纤维分为两大类：一类是通用级， 由各向同性沥青制造纤维；另一类是高性能 级，由各向异性中间沥青制造纤维。以沥青 纤维为原料时﹐碳化得率高达 80～90％﹐ 成本最低﹐是正在发展的品种。
2
碳纤维概念
碳纤维是复合材料 碳纤维是一种纤维状碳材料。呈黑色，坚 硬，是一种强度比钢的大、密度比铝的小、 比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、 又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、 热学和力学性能的新型材料。
现代碳纤维材料科普PPT
科普介绍通用PPT
CONTENTS
01.
碳纤维简述
What is carbon fiber
02.
材料特性
Material properties
03.
发展历程
Development history
04.
碳纤维的用途
Manufacturing process
2
01
碳纤维简述
When you copy & paste, choose "keep text only" option.
3
什么是碳纤维
碳纤维指的是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维。耐高温居所有化纤之首。用腈纶和粘胶纤维做原料，经高温氧化 碳化而成。是制造航天航空等高技术器材的优良材料。
4
碳纤维的优点
01.
碳纤维材料拉伸强度高、密度小。与以前的金 属材料相比，它具有质量轻、强度高、韧度高， 与塑料制品相比，强度是塑料制品的几十倍。
02
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。 2022年12月7日消息，中国成功发射快舟十一号固体运载火箭， 全箭采用碳纤维复合材料。
17
Thank you for watching.
9
03
发展历程
When you copy & paste, choose "keep text only" option.
10
发展历程
40多年来，碳纤维经历的重大技术进展如下：
20世纪50年代初
1956年美国联合碳化物公司试制高模量黏胶基碳纤维成功，商品名“Thornel—25” 投放市场，同时开发了应力石墨化的技术，提高碳纤维的强度与模量。
CONTENTS
01.
碳纤维简述
What is carbon fiber
02.
材料特性
Material properties
03.
发展历程
Development history
04.
碳纤维的用途
Manufacturing process
2
01
碳纤维简述
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3
什么是碳纤维
碳纤维指的是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维。耐高温居所有化纤之首。用腈纶和粘胶纤维做原料，经高温氧化 碳化而成。是制造航天航空等高技术器材的优良材料。
4
碳纤维的优点
01.
碳纤维材料拉伸强度高、密度小。与以前的金 属材料相比，它具有质量轻、强度高、韧度高， 与塑料制品相比，强度是塑料制品的几十倍。
02
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。 2022年12月7日消息，中国成功发射快舟十一号固体运载火箭， 全箭采用碳纤维复合材料。
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03
发展历程
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10
发展历程
40多年来，碳纤维经历的重大技术进展如下：
20世纪50年代初
1956年美国联合碳化物公司试制高模量黏胶基碳纤维成功，商品名“Thornel—25” 投放市场，同时开发了应力石墨化的技术，提高碳纤维的强度与模量。
碳纤维的分类、制造、结构、性能等PPT文档演示分析PPT共58页
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
碳纤维的分类、制造、结构、性能等 PPT文档演示分析
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
Thank you
碳纤维
李欣
43090140
碳纤维
碳纤维的定义 碳纤维的性质 碳纤维的分类 碳纤维的制备 碳纤维的应用碳纤维来自 碳纤维（carbon
fiber），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。 碳纤维也可以是指化学 组成中碳元素占总质量 90％以上的纤维
碳纤维的优异性能已得到大家的一致公认。由于 它能使运动物体更轻，故在运转过程中能节约大 量能量；由于材料耐腐蚀，物体的寿命更长，故 可节约原材料；由于可降低环境污染及在人体中 作生物材料，故直接关系到人体健康。碳纤维是 目前乃至今后相当长一段时间内鼓励优先发展的 高技术特种纤维之一。
碳纤维分类
按原丝类型
按碳纤维性能
CF分类方法 按碳纤维的功能
按制造条件和方法
碳纤维的制备
不同于有机纤维或无机纤维，不能用熔融法
或溶液法直接纺丝，只能以有机物为原料， 采用间接方法来制造。 世界上碳纤维的生产有粘胶基碳纤维、聚丙 烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维等三大加工方 法。
聚丙烯腈碳纤维
以聚丙烯腈（PAN）为原料制造的碳纤维
聚丙烯腈的结构：
均聚体的聚合物中存在大量的－CN基团， 大分子间作用力强，无侧链，使预氧化和 碳化生产周期长，成本高，强度低。
采用共聚体可解决上述问题，共聚体的原丝使活化能 降低，有利于促进环化和交联，缓和预氧化物放热反 应，改善纤维的致密性和均匀性。
PAN原丝制备碳纤维的过程分为三个阶段：
石墨化
在2500℃～3000℃的温度下，密封装置，施加 压力，保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶 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。
碳化：
在400℃～1900℃的惰性气氛中进行，碳纤维 生成的主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等非碳 元素，改变了原PAN纤维的结构，形成了碳纤维。 碳化收率40％~45％，含碳量95%左右。
43090140
碳纤维
碳纤维的定义 碳纤维的性质 碳纤维的分类 碳纤维的制备 碳纤维的应用碳纤维来自 碳纤维（carbon
fiber），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。 碳纤维也可以是指化学 组成中碳元素占总质量 90％以上的纤维
碳纤维的优异性能已得到大家的一致公认。由于 它能使运动物体更轻，故在运转过程中能节约大 量能量；由于材料耐腐蚀，物体的寿命更长，故 可节约原材料；由于可降低环境污染及在人体中 作生物材料，故直接关系到人体健康。碳纤维是 目前乃至今后相当长一段时间内鼓励优先发展的 高技术特种纤维之一。
碳纤维分类
按原丝类型
按碳纤维性能
CF分类方法 按碳纤维的功能
按制造条件和方法
碳纤维的制备
不同于有机纤维或无机纤维，不能用熔融法
或溶液法直接纺丝，只能以有机物为原料， 采用间接方法来制造。 世界上碳纤维的生产有粘胶基碳纤维、聚丙 烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维等三大加工方 法。
聚丙烯腈碳纤维
以聚丙烯腈（PAN）为原料制造的碳纤维
聚丙烯腈的结构：
均聚体的聚合物中存在大量的－CN基团， 大分子间作用力强，无侧链，使预氧化和 碳化生产周期长，成本高，强度低。
采用共聚体可解决上述问题，共聚体的原丝使活化能 降低，有利于促进环化和交联，缓和预氧化物放热反 应，改善纤维的致密性和均匀性。
PAN原丝制备碳纤维的过程分为三个阶段：
石墨化
在2500℃～3000℃的温度下，密封装置，施加 压力，保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶 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。
碳化：
在400℃～1900℃的惰性气氛中进行，碳纤维 生成的主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等非碳 元素，改变了原PAN纤维的结构，形成了碳纤维。 碳化收率40％~45％，含碳量95%左右。
《碳纤维复合材料》课件
切割与加工
在高温下进行热处理，消除材料中的 内应力，提高其稳定性和耐久性。
根据需要，对碳纤维复合材料进行切 割和加工，以满足不同应用的需求。
表面涂装与防护
对碳纤维复合材料表面进行涂装和防 护处理，以提高其耐腐蚀、耐磨等性 能。
碳纤维复合材料的
03
性能与测试
碳纤维复合材料的力学性能
01
02
03
高强度与高刚性
碳纤维复合材料具有极高 的抗拉强度和弹性模量， 使其成为承受重负载和抵 抗变形的理想选择。
疲劳性能优异
碳纤维复合材料在循环载 荷下表现出良好的耐久性 ，适用于需要承受周期性 载荷的场合。
损伤容限高
碳纤维复合材料的独特结 构使其能够承受部分损伤 而不影响整体性能，提高 了结构的安全性。
碳纤维复合材料的热学性能
将碳纤维与树脂等基体材料混合，制备成预浸料。预浸料的制备质 量直接影响复合材料的性能。
铺层与成型
将预浸料按照设计要求进行铺层，然后在一定温度和压力下进行成 型处理，使材料固化形成碳纤维复合材料。
后处理与加工
对成型的碳纤维复合材料进行后处理和加工，以满足不同应用需求 。
碳纤维复合材料的后处理工艺
热处理与消除内应力
将聚合物单体进行聚合，然后纺成纤维。这一过程中，需要控制温度 、压力等参数，以确保纤维的质量。
预氧化与碳化
在高温下进行预氧化和碳化处理，使纤维中的氢、氧等元素得以去除 ，同时形成碳纤维的结构。
表面处理与涂层
对碳纤维表面进行处理和涂层，以提高其与其他材料的粘附性和功能 性。
碳纤维复合材料的成型工艺
预浸料制备
良好的热稳定性
碳纤维复合材料在高温下仍能保持稳定的力学性能， 适用于高温环境。
《新型纺织材料》课件——碳纤维
——根据体积效应和最弱连接理论，直径细，单位长度纤维中包含大缺 陷的几率少，因而碳纤维的强度随原丝直径的减小而得到增加。
碳纤维制造过程式中最重要的环节
2 原丝的预氧化
聚丙烯腈原丝的预氧化——原丝在200 ℃~300℃的空气介质
中进行预氧化处理。目的是要使线型分子链转化为耐热的梯型结构，
使其在高温炭化时不熔不燃，保持纤维形态，从而得到高质量的碳
日本进藤昭男发明了以 聚 丙 烯 腈 ( PA N ) 纤 维 为 原 料制取炭纤维的方法
1970
日本吴羽化学工业公司 采用大谷杉郎的专利， 首先建成年产120t普 通型(GPCF)沥青基炭 纤维的生产厂
普通型(A型)碳纤维
在900-1200℃下炭化得到 的碳纤维。这种碳纤维强 度和弹性模量都较低，一 般强度小于107.7cN／tex， 模量小于13462cN／tex。
碳纤维制造过程式中最重要的环节
1 聚丙烯腈原丝的制备
（2）纺丝一般采用湿法纺丝，而不用干法。 干法生产的纤维溶剂不容易洗净。如果纤维中残留少量溶剂，在预氧化及 炭化等一系列热处理过程中，溶剂挥发或分解会使纤维粘结；产生缺陷，所得 碳纤维发脆或毛丝多、强度低。实践证明，在原丝制备时原丝水洗时间长，则 产品碳纤维 的强度及模量高。
新型纺织材料
碳纤维
目录
01
概述
02
加工方法
03 碳纤维的结构和性能
01
概述
碳纤维是指纤维化学组成中碳元素占总量90%以上的纤维。
碳纤维是以聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维为原丝，通过 加热除去碳以外的其它一切元素制得的一种高强度、高模量纤维， 它有很高的化学稳定性和耐高温性能，是高性能增强复合材料中的 优良结构材料。
碳纤维制造过程式中最重要的环节
2 原丝的预氧化
聚丙烯腈原丝的预氧化——原丝在200 ℃~300℃的空气介质
中进行预氧化处理。目的是要使线型分子链转化为耐热的梯型结构，
使其在高温炭化时不熔不燃，保持纤维形态，从而得到高质量的碳
日本进藤昭男发明了以 聚 丙 烯 腈 ( PA N ) 纤 维 为 原 料制取炭纤维的方法
1970
日本吴羽化学工业公司 采用大谷杉郎的专利， 首先建成年产120t普 通型(GPCF)沥青基炭 纤维的生产厂
普通型(A型)碳纤维
在900-1200℃下炭化得到 的碳纤维。这种碳纤维强 度和弹性模量都较低，一 般强度小于107.7cN／tex， 模量小于13462cN／tex。
碳纤维制造过程式中最重要的环节
1 聚丙烯腈原丝的制备
（2）纺丝一般采用湿法纺丝，而不用干法。 干法生产的纤维溶剂不容易洗净。如果纤维中残留少量溶剂，在预氧化及 炭化等一系列热处理过程中，溶剂挥发或分解会使纤维粘结；产生缺陷，所得 碳纤维发脆或毛丝多、强度低。实践证明，在原丝制备时原丝水洗时间长，则 产品碳纤维 的强度及模量高。
新型纺织材料
碳纤维
目录
01
概述
02
加工方法
03 碳纤维的结构和性能
01
概述
碳纤维是指纤维化学组成中碳元素占总量90%以上的纤维。
碳纤维是以聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维为原丝，通过 加热除去碳以外的其它一切元素制得的一种高强度、高模量纤维， 它有很高的化学稳定性和耐高温性能，是高性能增强复合材料中的 优良结构材料。
碳纤维PPT
航空航天应用
航空航天方面飞机上使用了大量的碳纤 维，TORAY的TORAYCA碳纤维有望将被大 量地应用在他们的新型客机A380上。比如 飞机的主翼、尾翼和机体等第一次构造材料； 火箭的排气椎体、人造卫星结构体、太阳能 电池板和天线等。
体育应用
体育应用中的三项重要应用为高尔夫球 棒，钓鱼杆和网球拍框架。其它的体育项目 应用还包括冰球棍，滑雪杖，射箭，和自行 车，同时，碳纤维还应用在划船，赛艇，冲 浪，和其它的海洋运动项目中。
ACCC导线的性能特点
耐热性好，载流量是常规钢芯铝绞线两倍。在不进行改造 杆、塔情况下可以重新架设新线。碳纤维复合芯铝绞线中 的铝导线截面积比钢芯铝绞线多29%。ACCC导线在200℃高 温下能有效运行，而常规钢芯铝绞线（线）的使用 温度为100℃。因此，特别是在大雪灾发生时，通过提高 输电线的载流量，将导线的工作温度提高，融化输电线上 覆盖的冰雪，能最大限度保护输电线免受冰雪的影响。强 度为普通导线的2倍。普通钢丝的抗拉强度为 1240MPa~1410MPa，而ACCC导线的碳纤维混合固化芯棒， 是前者的两倍。因此，当输电线上覆冰后，能承受普通导 线两倍的重量，大大增加了导线的载重量。
一些相关碳纤维产品的图片
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碳纤维复合材料
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碳纤维复合材料
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碳纤维 增强塑料 来制造卫 星和火箭 等宇宙飞 行器
这仅仅是个开始
ACCC 碳纤维复合芯导线
ACCC碳纤维复合导线是目前全世界电力输变 电系统理想的取代传统的钢芯铝铰导线、铝包钢 导线、铝合金导线及进口殷刚导线的新产品， ACCC碳纤维复合导线与传统导线相比具有重量轻、 强度大、低线损、弛度小、耐高温、耐腐蚀、与 环境亲和等优点，实现了电力传输的节能、环保 与安全。
碳纤维的分类
碳纤维的分类
碳纤维可以根据不同的分类方式进行分类，以下是几种常见的分类方式：
1. 基于织构结构：根据纤维的排列方式，分为两种类型：
- 纺织碳纤维：由织物编织而成，通常具有较高的柔韧性和拉伸强度。
- 铺蜂窝碳纤维：多为蜂窝状的结构，具有较高的刚性和压缩强度。
2. 基于纤维尺寸：根据纤维直径的不同，可分为：
- 高模碳纤维：直径较小，一般在5-7 μm之间，具有高强度和高模量。
- 中模碳纤维：直径在7-10 μm之间，具有较高的强度和适中的模量。
- 低模碳纤维：直径较大，一般在10-15 μm之间，具有较高的韧性和变形能力。
3. 基于纤维表面形态：根据纤维表面的形态和结构，可分为： - 平纹碳纤维：纤维表面平整，光滑，一般用于要求表面光洁度的应用。
- 毛刺碳纤维：表面有微小的毛刺，可以提供更好的粘附性能，适用于需要与其他材料结合的应用。
- 脱脂碳纤维：经过脱脂处理，表面光滑，去除了表面的毛刺，具有优异的表面质量。
4. 基于纤维制备方法：根据碳纤维的制备方法，可分为：
- 气相法制备的碳纤维（如气相吹纺、碳纳米管拉拔等）：具有较高的强度和模量。
- 糊状或煤焦油浸渍法制备的碳纤维：具有较高的韧性和可塑性。
这些分类方式可以根据不同的需求和应用选择适合的碳纤维。
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石墨化
在2500℃～3000℃的温度下，密封装置，施加 压力，保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶 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。
碳纤维的表面处理
提高碳纤维增强复合材料 中碳纤维与基体的结合强度。
途径：
清除表面杂质；在纤维表面形成微孔或 刻蚀沟槽，从类石墨层面改性成碳状结构以 增加表面能；引进具有极性或反应性官能团； 形成能与树脂起作用的中间层。
高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度
纤维的苯环结构，使它的分子链难于旋转。 高聚物分子不能折叠，又呈伸展状态．形成棒 状结构，从而使纤维具有很高的模量。
聚合物的线性结构使分子间排列得十分 紧密，在单位体积内可容纳很多聚合物分子。 这种高的密实性使纤维具有较高的强度。
苯环结构由于环内电子的共轭作用，使 纤维具有化学稳定性，不发生高温分解。又 由于苯环结构的刚性，使高聚物具有晶体的 本质，使纤维具有高温尺寸的稳定性。
强度和模量低，耐光性较差。 用途：主要用于易燃易爆环境的工作服，耐高温绝缘 材料，耐高温的蜂窝结构。
(2) 聚N, N-间苯双-(间苯甲酰胺)对苯二甲酰胺纤维
HN CO HN
HN
CO
CO n
H2N
O C OH
NH2
O
O C OH
+
H2N
+
HO C
主要用作抗燃纤维及耐高温绝缘材料
为制得更高强度和模量的纤维，改进 纤维的耐疲劳性能，采用各种芳环和杂环 的二胺和二酰氯，与对苯二酰氯和对苯二 胺共聚。尚处于研制和试生产阶段。
将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰 纤维，然后再在惰性气氛中于高温下进行 焙烧碳化，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。此法用于制造连续长纤维。
以聚丙烯腈（PAN）为原料制造的碳纤维
PAN原丝制备碳纤维的过程分为三个阶段：
预氧化：200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况下进行
芳纶纤维是苯二甲酰与苯二胺的聚合体，经溶
解转为液晶纺丝而成。
(1) 分子链由苯环和酰胺基按一定规律排列而成，具有良好 的规整性。致使芳纶纤维具有高度的结晶性。
(2) 键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴向是高度 定向的，各聚合物链是由氢键作横向连结。
沿纤维方向的强共价键和横向弱的氢键，造成芳纶纤维 力学性能各向异性，即纤维的纵向强度高，而横向强度低。
10 芳纶纤维
10.1 概述 10.2 芳纶纤维的结构与特性
10.3 芳纶纤维的制造
10.4 凯芙拉纤维的制品 10.5 芳纶纤维及其复合材料的应用
10.1 概述
芳纶纤维：
芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外商 品牌号为凯芙拉 (Kevlar) 纤维 (美国杜邦 公司1968年开始研究，1973年研制成功)， 我国命名为芳纶纤维。
8 碳纤维
1. 碳纤维概念 2. 碳纤维的制作方法 3. 以聚丙烯腈 (PAN) 为原料制造的碳纤维 4. 碳纤维的表面处理
由有机纤维或低分子烃气体原料在惰 性气氛中经高温(1500º C)碳化而成的纤维 状碳化合物，其碳含量在90%以上。
制造的方法：
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。 此法用于制造晶须或短纤维，不能用 于制造长纤维。
进行预氧化处理的原因：
PAN的Tg低于100℃，分解前会软化熔融，不能直 接在惰性气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化处 理，使PAN的结构转化为稳定的梯形六元环结构，就 不易熔融。另外，当加热足够长的时间，将产生纤维 吸氧作用，形成PAN纤维分子间的化学键合。
碳化：
在400℃～1900℃的惰性气氛中进行，碳纤 维生成的主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等 非碳元素，改变了原PAN纤维的结构，形成了 碳纤维。碳化收率40％~45％，含碳量95%左右。
CO
CO NH
NH n
O Cl C
O C Cl
+
NH2
NH2
(1) 聚间苯二甲酰间苯二胺纤维
CO CO NH
NH n
O Cl C O C Cl
+
NH2 NH2
高温性能好，高温下的强度保 持率好，以及尺寸稳定性、抗氧化 性和耐水性好，不易燃烧，具有自 熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐 化学试剂，绝热性能也较好。
高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度
芳纶纤维的历史很短，发展很快。
1968年美国杜邦公司开始研制。
1972年以B纤维为名发表了专利并提供产品。 主要用于绳索、电 1972年又研制了以PRD--49命名的纤维。 缆、涂漆织物、带 和带状物，以及防 1973年正式登记的商品名称为ARAMID 纤维。 弹背心等。 用于航空、 宇航、造船 ARAMID纤维包括三种牌号的产品，并重改名称。 工业的复合 PRD--49--IV改称为芳纶--29； 材料制件。 PRD--49--III改称为芳纶--49； B纤维改称为芳纶。 主要用于橡胶增强，制造轮 胎、三角皮带、同步带等
1. 表面清洁法 2. 气相氧化法 3. 液相氧化法 4. 表面涂层法
液相氧化法与气相氧化法比较： 液相氧化的效果比气相氧化法好，条件适当时，复合材 料的剪切强度可增加1倍以上，而纤维的强度仅略有下降。
原因：液相时只氧化纤维表面，而气相氧化剂可能渗 透较深，尤其在表面有微裂和缺陷处。 但液相氧化多为间歇操作，处理时间长，操作繁 杂，难以和碳纤维生产线直接相连接。
10.2 芳纶纤维的结构与特性
10.2.1 芳纶纤维的结构
(1) 聚对苯甲酰胺 (聚对胺基苯甲酰) 纤维Poly (P-benzamide) 简称PBA纤维。
NH
CO n
O NH2 C CH3
(2)聚对苯二甲酰对苯二胺纤维 Poly (P-Phenlene terephthalamide) 简称PPTA纤维
（1）不熔融 （2）高寸稳定、几乎不发生蠕变 （5）耐药性好，在有机溶剂及油中性能不下降 （6）耐疲劳性，耐磨性好 （7）对放射性线的抵抗性大 （8）非导电、且诱电性能优越 （9）与无机纤维相比振动吸收性好、减衰速度快
(1) 压缩性差，压缩强度仅有不到拉伸强 度的1/5。 (2) 紫外线照射时强度大幅下降。