碳纤维及其在领域中应用课件
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《碳纤维材料》课件
《碳纤维材料》PPT课件
碳纤维材料是一种具有轻质、高强度、耐腐蚀、优良导电性和导热性的先进 材料。本课件将介绍碳纤维材料的定义、特性，制备方法，应用领域以及未 来发展趋势。
一、碳纤维材料的定义和特性
碳纤维材料抗拉强度高的特点。
碳纤维材料的特性
轻质、高强度、耐腐蚀、优良导电性和导热性，具备多种独特的性能。
制备技术的不断进步将使碳纤维材料更加高效、成本更低，并拓宽其应用范围。
成本的降低
随着技术进步和大规模生产的推动，碳纤维材料的成本将逐渐下降，更多行业将受益。
五、结语
碳纤维材料的出现和发展为众多领域带来了革命性的改变，其独特的性能和 广泛的应用前景使其成为当代材料科学中的瑰宝。
二、碳纤维材料的制备方法
1
气相沉积法
通过高温分解碳源气体，使碳元素在特定条件下沉积形成纤维。
2
萘法
利用萘在高温条件下分解形成碳纤维。
3
热溶液浸渍法
将有机纤维浸渍于碳源溶液中，通过热处理使其得到碳化转化为碳纤维。
三、碳纤维材料的应用领域
航空航天
碳纤维材料在飞机、火箭等航空 航天领域具有广泛应用，能够提 高飞行器的性能并减轻重量。
汽车工业
碳纤维材料可以用于车身结构和 零部件，提高车辆的安全性、减 少燃料消耗并增加驾驶乐趣。
国防安全
碳纤维材料可以用于制作轻型装 甲材料和高性能武器系统，提供 更好的防护和作战能力。
四、碳纤维材料的未来发展趋势
新的应用领域
碳纤维材料将在可再生能源、医疗器械和体育用品等领域推动创新发展。
制备技术的提升
碳纤维材料是一种具有轻质、高强度、耐腐蚀、优良导电性和导热性的先进 材料。本课件将介绍碳纤维材料的定义、特性，制备方法，应用领域以及未 来发展趋势。
一、碳纤维材料的定义和特性
碳纤维材料抗拉强度高的特点。
碳纤维材料的特性
轻质、高强度、耐腐蚀、优良导电性和导热性，具备多种独特的性能。
制备技术的不断进步将使碳纤维材料更加高效、成本更低，并拓宽其应用范围。
成本的降低
随着技术进步和大规模生产的推动，碳纤维材料的成本将逐渐下降，更多行业将受益。
五、结语
碳纤维材料的出现和发展为众多领域带来了革命性的改变，其独特的性能和 广泛的应用前景使其成为当代材料科学中的瑰宝。
二、碳纤维材料的制备方法
1
气相沉积法
通过高温分解碳源气体，使碳元素在特定条件下沉积形成纤维。
2
萘法
利用萘在高温条件下分解形成碳纤维。
3
热溶液浸渍法
将有机纤维浸渍于碳源溶液中，通过热处理使其得到碳化转化为碳纤维。
三、碳纤维材料的应用领域
航空航天
碳纤维材料在飞机、火箭等航空 航天领域具有广泛应用，能够提 高飞行器的性能并减轻重量。
汽车工业
碳纤维材料可以用于车身结构和 零部件，提高车辆的安全性、减 少燃料消耗并增加驾驶乐趣。
国防安全
碳纤维材料可以用于制作轻型装 甲材料和高性能武器系统，提供 更好的防护和作战能力。
四、碳纤维材料的未来发展趋势
新的应用领域
碳纤维材料将在可再生能源、医疗器械和体育用品等领域推动创新发展。
制备技术的提升
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。
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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。
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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
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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。
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（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。
碳纤维PPT课件
碳纤维复合材料具有高比强度、高比刚度(比模量)、耐 高温、可设计性强等一系列独特优点，是导弹、运载火 箭、人造卫星、宇宙飞船、雷达等结构上不可或缺的战 略材料。航空则以客机、直升机、军用机为主要应用对 象
碳 纤 维 直 升 机 旋 翼
文体和医疗用品
文体休闲用品是碳纤维复合材料应用的重要领域，高 尔夫球杆、网球拍和钓鱼杆是三大支柱产品，其次是 自行车、赛车、赛艇、弓箭、滑雪板、撑杆和乐器外 壳等。医疗领域包括医学上用的移植物、缝合线、假 肢、人造骨骼、韧带、关节以及x光透视机等。
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。
PAN纤维热处理温度与强度 和弹性模量的关系
碳纤维的应用 航空航天 文体和医疗用品 一般工业
航空航天
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： 预氧化：200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况下进行
碳纤维分类
按原丝类型
CF分类方法
按碳纤维性能 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。聚烯腈碳纤维碳纤维的性质
碳 纤 维 直 升 机 旋 翼
文体和医疗用品
文体休闲用品是碳纤维复合材料应用的重要领域，高 尔夫球杆、网球拍和钓鱼杆是三大支柱产品，其次是 自行车、赛车、赛艇、弓箭、滑雪板、撑杆和乐器外 壳等。医疗领域包括医学上用的移植物、缝合线、假 肢、人造骨骼、韧带、关节以及x光透视机等。
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。
PAN纤维热处理温度与强度 和弹性模量的关系
碳纤维的应用 航空航天 文体和医疗用品 一般工业
航空航天
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： 预氧化：200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况下进行
碳纤维分类
按原丝类型
CF分类方法
按碳纤维性能 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。聚烯腈碳纤维碳纤维的性质
碳纤维材料ppt课件
3
碳纤维材料
化学性质
4
碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知
道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。
化
碳纤维的化学性质与碳相似，它除能被强氧化
学
剂氧化外，对一般碱性是惰性的。在空气中温
性 质
度高于400℃时则出现明显的氧化，生成CO与 CO2。碳纤维对一般的有机溶剂、酸、碱都具 有良好的耐腐蚀性，不溶不胀，耐蚀性出类拔
3、真空袋热压法。在模具山叠层，并覆上耐热薄膜，利用柔软的口袋 向叠层施加压力，并在热压灌中固化。
4、缠绕成型法。将碳纤维单丝缠绕在碳纤维轴上，特别适用于制作圆 柱体和空心器皿。
5、挤拉成型法。先将碳纤维完全浸润，通过挤拉除去树脂和空气，然 后在炉子里固化成型。这种方法简单，适用于制备棒状、管状零件。
第二、预氧化（聚丙烯腈纤维200到300℃）、不融化（沥青200到400℃）或热处理 （粘胶纤维240℃），以得到耐热和不熔的纤维，酚醛基碳纤维无此工序。
23
第三、碳化，其温度为：聚丙烯腈纤维1000到1500℃，沥青1500到1700℃，粘胶 纤维400到2000℃。 第四、石墨化，聚丙烯腈纤维为2500到3000℃，沥青2500到2800℃，粘胶纤维 3000到3200℃。 第五、表面处理，进行气相或液相氧化等，赋予纤维化学活性，以增大对树脂的亲 和性。 第六、上浆处理，防止纤维损伤，提高与树脂母体的亲和性。所得纤维具有各种不 同的断面结构。
五、耐磨性好
碳纤维与金属对磨时，很少磨损，用碳纤维来取代石 棉制成高级的摩檫材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料。
9
六、耐高温性能好
碳纤维在400℃以下性能非常稳定，甚至在1000℃时 仍无太大变化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐 热性，树脂基复合材料其长期耐热性只达300℃左右，陶 瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本 身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航 空航天工业。
碳纤维材料
化学性质
4
碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知
道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。
化
碳纤维的化学性质与碳相似，它除能被强氧化
学
剂氧化外，对一般碱性是惰性的。在空气中温
性 质
度高于400℃时则出现明显的氧化，生成CO与 CO2。碳纤维对一般的有机溶剂、酸、碱都具 有良好的耐腐蚀性，不溶不胀，耐蚀性出类拔
3、真空袋热压法。在模具山叠层，并覆上耐热薄膜，利用柔软的口袋 向叠层施加压力，并在热压灌中固化。
4、缠绕成型法。将碳纤维单丝缠绕在碳纤维轴上，特别适用于制作圆 柱体和空心器皿。
5、挤拉成型法。先将碳纤维完全浸润，通过挤拉除去树脂和空气，然 后在炉子里固化成型。这种方法简单，适用于制备棒状、管状零件。
第二、预氧化（聚丙烯腈纤维200到300℃）、不融化（沥青200到400℃）或热处理 （粘胶纤维240℃），以得到耐热和不熔的纤维，酚醛基碳纤维无此工序。
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第三、碳化，其温度为：聚丙烯腈纤维1000到1500℃，沥青1500到1700℃，粘胶 纤维400到2000℃。 第四、石墨化，聚丙烯腈纤维为2500到3000℃，沥青2500到2800℃，粘胶纤维 3000到3200℃。 第五、表面处理，进行气相或液相氧化等，赋予纤维化学活性，以增大对树脂的亲 和性。 第六、上浆处理，防止纤维损伤，提高与树脂母体的亲和性。所得纤维具有各种不 同的断面结构。
五、耐磨性好
碳纤维与金属对磨时，很少磨损，用碳纤维来取代石 棉制成高级的摩檫材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料。
9
六、耐高温性能好
碳纤维在400℃以下性能非常稳定，甚至在1000℃时 仍无太大变化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐 热性，树脂基复合材料其长期耐热性只达300℃左右，陶 瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本 身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航 空航天工业。
《碳纤维简介》课件
飞机机翼
碳纤维的轻质和高强度使之成为 制造飞机机翼的理想材料。
宇宙飞船
碳纤维在宇宙飞船的外层和结构 中得到广泛应用，减轻质量并提 高稳定性。
直升机旋翼
碳纤维制造的旋翼具有更好的刚 性和减震能力，提高飞行性能。
碳纤维在汽车工业中的应用
车身结构
碳纤维车身结构的使用可以 减轻汽车重量，提高燃油效 率。
车轮和刹车盘
《碳纤维简介》PPT课件
碳纤维是一种轻质高强度的复合材料，具有优异的性能和广泛的应用领域。
碳纤维的定义和特点
1 高强度
碳纤维比钢材还要强，重量却只有它的四分 之一。
2 低密度
碳纤维具有轻质的特性，有助于减轻结构的 重量。
3 耐腐蚀
碳纤维不受化学腐蚀的影响，能够在恶劣环 境下使用。
4 导电性
碳纤维具有优异的导电性，适用于电子和航 空领域。
碳纤维的优势和局限性
优势
• 轻质高强度 • 耐腐蚀 • 导电性
局限性
• 昂贵的制造成本 • 易受划伤和冲击 • 纤维制造技术仍有限
结论和展望
碳纤维作为一种重要的先进材料，具有广阔的应用前景。随着制造工艺的不 断改进和成本的降低，碳纤维将在更多领域得到应用。
碳纤维制造的车轮和刹车盘 具有卓越的耐用性和高温稳 定性。
内部装饰
碳纤维内饰件增添了汽车的 豪华感和现代感。
碳纤维在体育器材领域的应用
1 高尔夫球杆
碳纤维材质的高尔夫球杆具有更好的挥杆体验和更高的击球距离。
2 自行车车架
碳纤维自行车车架具有更好的刚性和轻量化的特点，提高了骑行体验。
3 网球拍
碳纤维网球拍具有更高的稳定性和挥动速度，提高了球员的竞技水平。
碳纤维复合材料应用 ppt课件
PPT课件
4
汇报交流
3 复合材料分类
按基体分
树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料
按增强体分
颗粒增强复合材料 夹层增强复合材料 纤维增强复合材料
PPT课件
5
汇报交流
常见复合材料
PPT课件
6
汇报交流
碳纤维复合材料分类
碳纤维增强热固性树脂复合材料（CFRTS） 碳纤维增强热塑性树脂复合材料（CFRTP） 碳纤维增强碳基复合材料（C/C） 碳纤维增强金属基复合材料（CFRM） 碳纤维增强陶瓷基复合材料（CFRC） 碳纤维增强橡胶基复合材料（CFRR） 碳纤维增强木材复合材料（CFRW）
PPT课件
13
汇报交流
四、笔记本外壳现状
1 聚碳酸酯-工程塑料 （PC-ABS）
PC：优良耐热耐候性、尺寸稳定性和耐冲击性能 ABS: 优良的加工流动性、耐磨性、染色性、成型加工性。万元以下 笔记本电脑中，70%采用的都是以ABS为主的工程塑料 优点：成本较低 、易于加工 、尺寸稳定性好，性价比高 缺点：质量较重 、散热性不佳
PPT课件
9
汇报交流
3、工业领域的应用
① 风力发电 据预测，到2020年中国市场将需求超过2.5万台大 容量风机，合计需要CFCM 30000吨。
②碳纤维汽车 汽车传动轴、发动机罩、上下悬架臂等 ③石油开采 抽油杆、张力腿平台、管材等
PPT课件
10
汇报交流
4、体育休闲 羽毛球拍、网球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆 5、建筑补强
增强体（ reinforcement）——分散相
组成
基体（ matrix）——连续相
PPT课件
3
汇报交流
2 复合材料特点
碳纤维的应用和发展20页PPT
16、云无心以出岫，鸟倦飞而知还。 17、童孺纵行歌，斑白欢游诣。 18、福不虚至，祸不易来。 19、久在பைடு நூலகம்笼里，复得返自然。 20、羁鸟恋旧林，池鱼思故渊。
碳纤维的应用和发展
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
碳纤维之物性与应用40页PPT
碳纤维之物性与应用
•
46、寓形宇内复几时，曷不委心任去 留。
•
47、8、啸傲东轩下，聊复得此生。
•
49、勤学如春起之苗，不见其增，日 有所长 。
•
50、环堵萧然，不蔽风日；短褐穿结 ，箪瓢 屡空， 晏如也 。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
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46、寓形宇内复几时，曷不委心任去 留。
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47、8、啸傲东轩下，聊复得此生。
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49、勤学如春起之苗，不见其增，日 有所长 。
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50、环堵萧然，不蔽风日；短褐穿结 ，箪瓢 屡空， 晏如也 。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
第8章碳纤维
上述纤维的有关性能见表 2 表 2 碳纤维的性能
性能 UHM 拉伸弹性模量 （GPa） 拉伸强度（GPa） 碳含量（W%） ＞400 ＞1.7 99.8 HM 300～400 ＞1.7 99.0 碳纤维 VHS 200～350 ＞2.76 96.5 HS 200～250 2.0～2.75 94.5 MM 180～200 2.7～3.0 99.0
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 三向织物示意图 （a)平面图；(b）正交 图；(c)立体图
2 碳纤维的制造
碳纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材料。它的制造不能 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。 制造的方法可分为两种类型：即气相法和有机纤维碳化法。 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。 有机纤维碳化法：先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。
拉伸强度（GPa） 拉伸弹性模量（GPa） 密度（g/cm3 ） 延伸率(%)
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。
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。
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CH2OH O
OH O
OH
OH
纤维素的分子结构式
分子式(C6H10O5)n
粘胶纤维由于具有环状分子结构，所以可以直接进 行碳化或石墨化处理，加热不会熔融，不需予氧化处理 进行环化。
碳纤维及其在领域中应用
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• 缺点：
粘胶中含有大量的H、O原子，所以碳化理论收率仅55%， 实际收率约20～30%；
粘胶基CF强度较低，性能平衡性差，弹性系数较大。
为了保证碳纤维性能的优良，原丝应具备高纯度、高强度 和高取向度、细旦化等性能。
碳纤维及其在领域中应用
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高纯度：
原丝中所含各类杂质和缺陷将“遗传”给碳纤维。
可从以下几方面采取措施： 原料的精密过滤 充分洗涤 无尘纺丝
高强度和高取向度：
采用干湿法纺丝
细旦化：
原丝细旦化已成为提高原丝强度和生产高强度碳纤维 的主要技术途径之一。
➢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。
碳纤维及其在领域中应用
水洗时间（s）
3
6
10
12
27
残留溶剂（％） 4.46 2.93 0.24 0.10 0.01
原
强度
丝 （CN/dtex）
3.33
3.82
4.21
4.67
5.25
模量 （CN/dtex）
91.7
107
117
126
141
碳 强度（Gpa） 1.10 1.45 1.83 2.65 2.85 纤 维 模量（Gpa） 1.0 1.40 1.80 2.40 2.60
第七章 碳纤维 （Carbon Fiber）
碳纤维及其在领域中应用
1
7.1 概述
CF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。 或：纤维化学组成中碳元素占总质量90％以上的纤维。
Notes： • 只有在碳化过程中不熔融，不剧烈分解的有机纤维才能作 为CF的原料。
• 有些纤维要经过予氧化处理后才能满足这个要求。
碳纤维及其在领域中应用
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近年来发展起来的纺制高强度和高取向度原丝的
新方法：干湿法纺丝
干喷湿纺示意图
碳纤维及其在领域中应用
18
干湿法纺丝的特点：
➢ 喷丝孔孔径较大(0.1～0.3mm),可使高粘度纺丝液成纤； ➢ 可提高纺丝速度； ➢ 易得到高强度高取向的原丝，且原丝结构均匀致密； ➢ 强度比湿纺原丝提高50%以上。
8
一般以有机纤维为原料制造CF的过程：
有机纤维
预氧化处理
高温碳化
原丝
• 原丝的选择条件：
强度高，杂质少，纤度均匀，细旦化等。
• 基本条件：
加热时不熔融，可牵伸，且CF产率高。
• 常用的CF原丝：
聚丙烯腈纤维、粘胶纤维、沥青纤维
碳纤维及其在领域中应用
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7.3.1以粘胶纤维为原料制造CF
CH2OH
O OH O
加热速度较慢，而且不同的过程中，加热速度也不同。
碳纤维及其在领域中应用
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• 7.3.2 以PAN为原丝制造CF
目前生产的高强、高模CF主要是用PAN纤维为原料来制造的。
1)基本工艺流程
➢ CF制造过程中最主要环节：
原丝制备； 原丝予氧化； 予氧化丝碳化或进一步石墨化
碳纤维及其在领域中应用
13
丙烯腈 共聚单体 引发剂
高性能CF
高强度CF （HS） 高模量CF （HM） 超高强CF （UHS） 超高模CF （UHM） 高强－高模CF 中强－中模CF 等
碳纤维及其在领域中应用
5
按碳纤维的 功能分类
受力结构用CF 耐焰用CF 导电用CF 润滑用CF 耐磨用CF 活性CF
碳纤维及其在领域中应用
6
碳纤维：碳化温度1200～1500oC，碳含量
碳纤维及其在领域中应用
2
7.2 按碳纤维的功能
按制造条件和方法
碳纤维及其在领域中应用
3
按原丝类型分类
聚丙烯腈基 粘胶基 沥青基 木质素纤维基 其他有机纤维基
碳纤维及其在领域中应用
4
按碳纤维 性能分类
通用级CF：拉伸强度<1.4GPa，拉伸模量<140GPa
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并可大大提高予氧化及碳化的速度；
③有利于预氧化过程的牵伸。
• 共聚单体的种类：
在众多的共聚单体中，不饱和羧酸类：如甲基丙烯酸、丙 烯酸、丁烯酸、顺丁烯二酸、甲基反丁烯酸等占有重要位置。
碳纤维及其在领域中应用
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b.纺丝 通常采用湿法纺丝，而不用干法纺丝？
（干纺生产的纤维中溶剂不易洗净。在予氧化及碳化过程
将会由于残留溶剂的挥发或分解而造成纤维粘连及产生缺
陷。） 湿法：
纺丝原液→喷丝头→凝固浴(溶剂的水溶液)→水洗、拉伸等
干法：
纺丝原液→喷丝头→纺丝甬道(热空气，溶剂在此受热蒸发) → 冷却、拉伸等
碳纤维及其在领域中应用
16
原丝纺丝过程中水洗时间与产品碳纤维性能之间关系
95％以上。
按制造条件 和方法分类
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。
碳纤维及其在领域中应用
7
7.3 CF的制造
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。
• 优点：
瞬间耐烧蚀性能好，可用作火箭的内衬材料。
碳纤维及其在领域中应用
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热处理过程：
① 25～150℃，脱去粘胶纤维的吸附水(脱去物理吸附的水)
② 150～240℃，纤维素环的脱水(脱去化学吸附的水)
③ 240～400℃，自由基反应，C—O键及C—C键断裂，放出 H2O、CO、CO2等气体
④ 400℃以上，进行芳香化，放出H2 在整个处理过程中，为使CF性能优良，产率高，所以要求
纺丝
聚合
PAN
湿纺
PAN 纤维
干湿纺
预氧化 空气介质 200-300oC 数十至数百分钟
碳化
OF
惰性气氛
CF
1200-1500 oC
数分至数十分钟
石墨化 惰性气氛 2000-3000 oC 数秒至数十秒
CF 系列产品
深加工
GrF 表面处理
碳纤维及其在领域中应用
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2)原丝的制备 a.聚合 • 加入共聚单体的目的：