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《碳纤维材料》PPT课件
• （2）现场施工方便：没有湿作业和明火施工，占用场地 小，也不需要大型施工机具，因此施工方便、工效高、施 工质量容易得到保障。
• （3）使用范围广：可用于梁、板、柱及桥梁、隧道、烟 囱等多种结构的加固补强。特别是在曲面壳体和复杂节点 的加固中，具有其他加固方式无法比拟的优势，与混凝土 的有效接触面积可达100％。
• • （2）加强结构粘结破坏面特性研究。 由于碳纤
维加固混凝土后, 粘结区域由多种材料的混合体组 成,各区域材料性能差异性较大, 结构的传力方式 和受力状态相当复杂、产生多种破坏模式, 而其中 的结构断裂碳纤维剥离破坏更加复杂, 因此必须加 强该方面的研究。
对碳纤维加固提出的建议
• （3）加强粘结胶的研究。 在碳纤维加固混凝土结构主要 是利用碳纤维优良物理力学性能对结构进行加固, 结构的 加固质量主要取决于碳纤维与混凝土两者之间粘结情况, 在混凝土一纤维粘结面如果能保证粘结质量就可以充分发 挥碳纤维作用, 否则就不能充分发挥碳纤维性能, 降低了 结构的加固效果。 碳纤维在600℃高温下性能保持不变, 在-180 ℃低温下仍具有很好的韧性, 适用性较广, 但对 于粘结胶, 当温度超过60 ℃ 时就开始软化, 温度超过 80℃ 时强度明显降低, 目前我国对粘结胶的研究较少, 还不成熟没有形成统一的标准, 因此需要加强对粘结胶的 研究、开发及应用, 如抗高温胶和抗低温胶等, 从而扩大 实际工程的应用范围。
• (2)施工便捷,施工工效高,没有湿作业,不需大型 施工工具,无需现场固定设施,施工占用场地少,成 品幅宽可以为20 cm, 30 cm, 50 cm, 100 cm,每卷长 度50～100 m,现场使用时可以根据需要用剪刀或 刀片裁剪。粘贴碳纤维材料法是粘贴钢板施工工 效的4～8倍。
• （3）使用范围广：可用于梁、板、柱及桥梁、隧道、烟 囱等多种结构的加固补强。特别是在曲面壳体和复杂节点 的加固中，具有其他加固方式无法比拟的优势，与混凝土 的有效接触面积可达100％。
• • （2）加强结构粘结破坏面特性研究。 由于碳纤
维加固混凝土后, 粘结区域由多种材料的混合体组 成,各区域材料性能差异性较大, 结构的传力方式 和受力状态相当复杂、产生多种破坏模式, 而其中 的结构断裂碳纤维剥离破坏更加复杂, 因此必须加 强该方面的研究。
对碳纤维加固提出的建议
• （3）加强粘结胶的研究。 在碳纤维加固混凝土结构主要 是利用碳纤维优良物理力学性能对结构进行加固, 结构的 加固质量主要取决于碳纤维与混凝土两者之间粘结情况, 在混凝土一纤维粘结面如果能保证粘结质量就可以充分发 挥碳纤维作用, 否则就不能充分发挥碳纤维性能, 降低了 结构的加固效果。 碳纤维在600℃高温下性能保持不变, 在-180 ℃低温下仍具有很好的韧性, 适用性较广, 但对 于粘结胶, 当温度超过60 ℃ 时就开始软化, 温度超过 80℃ 时强度明显降低, 目前我国对粘结胶的研究较少, 还不成熟没有形成统一的标准, 因此需要加强对粘结胶的 研究、开发及应用, 如抗高温胶和抗低温胶等, 从而扩大 实际工程的应用范围。
• (2)施工便捷,施工工效高,没有湿作业,不需大型 施工工具,无需现场固定设施,施工占用场地少,成 品幅宽可以为20 cm, 30 cm, 50 cm, 100 cm,每卷长 度50～100 m,现场使用时可以根据需要用剪刀或 刀片裁剪。粘贴碳纤维材料法是粘贴钢板施工工 效的4～8倍。
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，－
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。
碳纤维预制体
热结构 复合材料
碳基陶瓷基
C/C复合材料 C/SiC复合材料 SiC/SiC复合材料 UHTC复合材料
C/C-UHTC C/C-coating
C/C-SiC
C/C复合材料性能特点及应用
密度低 比强度大
使用温度可 达2800ºC
再入热防护
热导率大 膨胀系数小
喷管 大型扩散段
抗热震优异
抗氧化性差
飞机刹车片
C/C-SiC 梯 度 基型结构功能 梯度材料1992
C/SiC复合材料 1992
C/C复合材料 1976
C/C-SiC 双 元 基 型 结
C/C-SiC梯度基
复合材料1995
C/C-SiC 双 元 基
C/C-SiC 纳 米 基
复合材料1990
复合材料1993
C-SiC梯度涂层 的C/C材料1992
1400
C/SiC
C/SiC
1200
表面温度
1000
表面温度/℃
800
600
400
200
C/ZrB2-SiC
5μm
30μm
0
车0次：650100 模型2：00 B5 300
400
500
1400
时间/s
1200 C/ZrB2-SiC
600
700
800
表面温度
1000
表面温度/℃
800
600
400
200
SiC(200) SiC(220) SiC(311)
SiC(222)
H2/MTS=1.5
2.3-2.4 g/cm3
H2/MTS=1.0 H2/MTS=0.5
2.3-2.4 g/cm3 2.0 g/cm3
碳基陶瓷基
C/C复合材料 C/SiC复合材料 SiC/SiC复合材料 UHTC复合材料
C/C-UHTC C/C-coating
C/C-SiC
C/C复合材料性能特点及应用
密度低 比强度大
使用温度可 达2800ºC
再入热防护
热导率大 膨胀系数小
喷管 大型扩散段
抗热震优异
抗氧化性差
飞机刹车片
C/C-SiC 梯 度 基型结构功能 梯度材料1992
C/SiC复合材料 1992
C/C复合材料 1976
C/C-SiC 双 元 基 型 结
C/C-SiC梯度基
复合材料1995
C/C-SiC 双 元 基
C/C-SiC 纳 米 基
复合材料1990
复合材料1993
C-SiC梯度涂层 的C/C材料1992
1400
C/SiC
C/SiC
1200
表面温度
1000
表面温度/℃
800
600
400
200
C/ZrB2-SiC
5μm
30μm
0
车0次：650100 模型2：00 B5 300
400
500
1400
时间/s
1200 C/ZrB2-SiC
600
700
800
表面温度
1000
表面温度/℃
800
600
400
200
SiC(200) SiC(220) SiC(311)
SiC(222)
H2/MTS=1.5
2.3-2.4 g/cm3
H2/MTS=1.0 H2/MTS=0.5
2.3-2.4 g/cm3 2.0 g/cm3
碳纤维PPT
碳纤维浴霸
碳纤维 浴霸质量比 较好。而且 环保节能。
碳纤维材料应用在取暖方面的原因
碳纤维材料在采暖方面的应用主要考 虑利用了材料的耐腐蚀，抗氧化（ 虑利用了材料的耐腐蚀，抗氧化（金属容 易氧化造成局部击穿），高稳定性， ），高稳定性 易氧化造成局部击穿），高稳定性，寿命 更长（很多产品在300摄氏度下普遍能够 更长（很多产品在 摄氏度下普遍能够 达到稳定工作100000小时的时间），热 小时的时间）， 达到稳定工作 小时的时间），热 转换率高（ ％以上） 转换率高（97％以上）等特点
碳纤维加固 碳纤维布 加固技术是 利用碳素纤 维布和专料对比 （1）抗拉强度：碳纤维的抗拉强度约为钢材的 10倍。 （2）弹性模量：碳纤维复合材料的拉 伸弹性模量高于钢材，但芳纶和玻璃纤维复合 材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分 之一。 （3） 疲劳强度：碳纤维和芳纶纤维复 合材料的疲劳强度高于高强纲丝。金属材料在 交变应力作用下，疲劳极限仅为静荷强度的 30%～40%。 （4）重量：约为钢材的五分之 一。 （5）与碳纤维板的比较：碳纤维片材可 以粘贴在各种形状的结构表面，而板材更适用 于规则构件表面。
补充知识
热膨胀系数：物体由于温度改变而有胀缩现象， 热膨胀系数：物体由于温度改变而有胀缩现象， 其变化能力以等压(p一定 一定)下 其变化能力以等压 一定 下，单位温度变化所 导致的体积变化， 导致的体积变化，即热膨胀系数表示 。 弹性模量：材料在弹性变形阶段， 弹性模量：材料在弹性变形阶段，其应力和应变 成正比例关系（即符合胡克定律）， ），其比例系数 成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数 称为弹性模量 。 导热率：物体传导热量的能力， 导热率：物体传导热量的能力，又称为热导率
扩展视野 （一）
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。
《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。
碳纤维的制作过程 ppt课件
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。
10.2.2 芳纶纤维的基本性能
1972年又研制了以PRD--49命名的主缆纤要、维用涂。于漆绳织索物、、电带
1973年正式登记的商品名称为AR和AM带I状D纤物维，。以及防 弹背用心于等航。空、
ARAMID纤维包括三种牌号的产品，宇并航重、改造名船称。
PRD--49--IV改称为芳纶--29；
工业的复合 材料制件。
PRD--49--III改称为芳纶--49；
强度损失(%)
Kevlar-29 Kevlar-49
3
1
1
0
1.5
0
4.6
0
9.9
0
0
2
1.5
1.5
9.3
28
0
3.6
10.3 芳纶纤维的制造
1. 聚对苯撑对苯二甲酰胺的聚合
两个阶段
第一阶段
对苯二胺与对苯二甲酸酰氯缩 聚成对苯撑对苯二甲酰胺的聚合体。
第二阶段
聚合体溶解在溶剂中再进行 纺丝，制得所需要的纤维材料。
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 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
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。
10.2.2 芳纶纤维的基本性能
1972年又研制了以PRD--49命名的主缆纤要、维用涂。于漆绳织索物、、电带
1973年正式登记的商品名称为AR和AM带I状D纤物维，。以及防 弹背用心于等航。空、
ARAMID纤维包括三种牌号的产品，宇并航重、改造名船称。
PRD--49--IV改称为芳纶--29；
工业的复合 材料制件。
PRD--49--III改称为芳纶--49；
强度损失(%)
Kevlar-29 Kevlar-49
3
1
1
0
1.5
0
4.6
0
9.9
0
0
2
1.5
1.5
9.3
28
0
3.6
10.3 芳纶纤维的制造
1. 聚对苯撑对苯二甲酰胺的聚合
两个阶段
第一阶段
对苯二胺与对苯二甲酸酰氯缩 聚成对苯撑对苯二甲酰胺的聚合体。
第二阶段
聚合体溶解在溶剂中再进行 纺丝，制得所需要的纤维材料。
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 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
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。
17
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9
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。
碳纤维预制体
碳基陶瓷基
UHTC复合材料
C/C复合材料性能特点及应用
密度低
使用温度可 达2800º C 再入热防护
比强度大
热导率大 膨胀系数小 抗热震优异
喷管 大型扩散段
抗氧化性差
飞机刹车片
C/C复合材料性能特点及应用
C/C复合材料 和“金属”比较 良好的耐热性 极小的热膨胀率 很轻的重量（只有铁的1/5） 良好的耐腐蚀性
航天材料一朵奇葩
---热结构复合材料
庞生洋
专用材料与器件研究部
热结构复合材料组
2012年5月22日
Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences
内容简介
热结构复合材料简介
热结构复合材料性能、应用和主要研究机构 金属研究所热结构复合材料发展历程
两种典型热结构复合材料的制备、结构、性能
- C/C复合材料 - C/SiC复合材料
提 纲
热结构复合材料简介 典型热结构复合材料的制备、结构、性能
热结构复合材料
复合材料 = 增强相 + 基体相
纤维颗粒 增强
C/C复合材料
C/C-UHTC C/C-coating
热结构 复合材料
C/SiC复合材料 C/C-SiC SiC/SiC复合材料
提 纲
热结构复合材料简介 典型热结构复合材料的制备、结构、性能
制备过程
碳纤维预制体 碳纤维布针刺或碳纤维编织而成
制备工艺 碳或碳化硅基体
传统化学气相渗
C/C或C/SiC 复合材料
平纹布
聚合物浸渍裂解 C/C 前驱体浸渍裂解ຫໍສະໝຸດ 4缎纹布液态硅浸渍
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。
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。
碳纤维的分类与制造58页PPT
25、学习是动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
碳纤维的分类与制造
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
谢谢！
碳纤维的分类与制造
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
碳纤维的生产制备(PPT文档)
碳纤维桥
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。
碳纤维结构材料
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
原料
聚丙烯腈纤维 粘胶纤维 沥青纤维
含碳量 %
68 45 95
碳化收率 碳化收率 （cf碳含量 （cf/原料） /原料碳含
7
预氧化分为6个温区，温度呈梯度分布，逐步提高。 6个区的预氧丝照片对比
原丝
一区（180-220℃） 二区（210-235℃） 三区（230-250℃）
四区（240-255℃） 五区（250-265℃） 六区（250-275℃）
预氧化过程反应机理
01 脱氢反应
02 共聚单体引发环化
03 氧化反应
02
01
放热
03
9
低温碳化炉
高温碳化炉
碳化是一复杂的物理、化学变化和结构的转化过程，是在惰性气体 （N2）保护下发生热分解、热缩聚过程，其结果是将预氧丝的梯型结构 转化为碳纤维的乱层石墨结构。
碳化全过程可以分为低温碳化和高温碳化两个阶段，前者的温度一 般为300~1000℃，后者为1100~1600℃。
量）
40~60
60~85
21~40
45~85
80~90
85~95
碳纤维是一类由人造纤维或合成纤维为母体，经过高温（1000℃以上）处理后制得的
含碳量达到90%以上的无机纤维材料。
碳纤维生产原料有三种:黏胶纤维、沥青纤维和聚丙烯腈 (PAN)纤维。
以PAN纤维作为原料制得碳纤维，因其产品力学性能良好、生产工艺简单以及碳化 收率高，得到大力发展，成为当前碳纤维工业的主流。
复合材料的增强材料--碳纤维PPT文档98页
复合材料的增强材料--碳纤维
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
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C/ZrB2-SiC
t=20s
t=300s
t=650s
精品文档
烧蚀后
C/SiC和C/ZrB2-SiC烧蚀机理 车次：652 模型：A1
1400
C/SiC
C/SiC
1200
表面温度
1000
表面温度/℃
800
600
400
%
11.1
Tensile
σ
E
ε
MPa GPa %
25.9 17.5 0.15
28.1
277.0 74.5 0.45
28.0
85.4 35.1 0.26
28.1
53.6 20.2 0.44
25.8
102 32.9 0.50
26.3
58.9 23.1 0.28
24.8
53.7
精品文档
20.2 0.34
Flexural
两种典型热结构复合材料的制备、结构、性能
- C/C复合材料 - C/SiC复合材料
精品文档
提纲
热结构复合材料简介 典型热结构复合材料的制备、结构、性能
精品文档
热结构复合材料
复合材料 = 增强相 + 基体相
纤维颗粒 增强
热结构 复合材料
碳基陶瓷基
C/C复合材料
C/SiC复合材料
SiC/SiC复合材料
试验； • 2007年，建立热结构复合材料生产体系，低成本民品C/C走向市场； • 08年以后，开展了1700℃以上，长期抗氧化复合材料研究； • 目前研究重点是，采用多种工艺结合，制备低成本短周期的防热构件
，包括喷管、防热盖板、端头等形状各异的热结构部件。
精品文档
金属所热结构复合材料发展历程
C/C-SiC 纳 米 基 复合材料1991
航天材料一朵奇葩
---热结构复合材料
庞生洋
专用材料与器件研究部 热结构复合材料组 2012年5月22日
Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences 精品文档
内容简介
热结构复合材料简介
热结构复合材料性能、应用和主要研究机构 金属研究所热结构复合材料发展历程
C/C C/SiC
传统CVI和快速CVI
Heating Element
Exhaust Gas
Preform
均热法
快速CVI
Reactive Gas
CH4 C2H2 C3H8
工艺比较成熟 同炉内可放置不同样品 可实现净尺寸制备
精品文档
沉积效率高、沉积时间短 可制备大厚度样品 对设备腐蚀小 克服了传统CVI的两大瓶颈: 质量 传输和反应动力学
中南大学 514厂 43所 703所 金属研究所
精品文档
国内外主要研究和生产机构
C/SiC复合材料
NASA , USA ONERA, France DLR Institute, Germany SEP, France Bordeaux University, France
西北工业大学 金属研究所
UHTC复合材料
快速CVI制备C/C材料
0/90°无纬布C/C复合材料 材料致密度较高, 1.7g/cm3 残留有少量层间孔和束间孔 基本填满了纤维间的孔隙 碳基体为粗糙层和光滑层的混合
精品文档
C/C复合材料快速沉积机理
自由基磁吸引作用 自由基电沉积作用 自由基脱氢聚合过程
精品文档
快速CVI制备C/SiC材料
预制体对C/C力学性能的影响
Density C/C
g/cm3
mat
1.70
0º/0ºweftless 1.74
0º/90ºweftless 1.67
0º/45ºweftless 1.69
0º/0ºtwill
1.79
0º/90ºtwill
1.78
0º/45ºtwill
1.75
Fiber content
σ MPa
E GPa
59.2 16.9
454.0 65.2
145.0 25.1
122.0 17.6
165.0 28.9
157.0 27.1
119.0 20.6
纤维预制体对C/C材料烧蚀性能的影响
碳毡 C/C 0º/45º无纬布 C/C
0º/90º无纬布 C/C
400μm
0º/45º斜纹布 C/C
小发动机烧蚀试验 热流12MW/m2 2000ºС左右
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙⊙
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙ ⊙
e (a) Magnetic attraction
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙⊙
e
(b) Ele精ctr品ic 文dep档osition
C原子面 Si原子面
– Si – C – Si – C – Si – C – C – Si – C – Si – C – Si –
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙⊙ ⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙⊙
SiC涂层 C/C材料 1987
构功能梯度材料1992
C/C-SiC 纳 米 基 复合材料1992
C/C复合材料 1992
C/SiC 复 合 材料1992 C/C-SiC双元基型结 构功能梯度材料1999 C/C材料
C/SiC复合材 料1992 C/C材料
1999
C/ZrB2-SiC 复 合材料2006
C/C复合材料
良好的耐热性 极小的热膨胀率 很轻的重量（只有铁的1/5） 良好的耐腐蚀性
更高的强度 更好的韧性，不易破碎
更好的韧性，不易破碎 不易粘结（不会胶合） 耐热冲击性好 容易加工
良好的耐热性 良好的耐腐蚀性 高的耐摩擦性
精品文档
C/C复合材料在核反应堆中重大应用
精品文档
C/C复合材料民用重大应用
精品文档
C/C复合材料民用重大应用
• 炉床 • 风扇 • 加热体 • 炉体 • 承重板 • 保温材 • 保护用异形板 • 螺栓，螺母，垫片
精品文档
C/C复合材料民用重大应用
• 料架 • 料盒 • 夹具 • 弹簧 • 玻璃生产线用部件
精品文档
C/SiC复合材料性能特点及应用
UHTC复合材料
精品文档
C/C-UHTC C/C-coating
C/C-SiC
C/C复合材料性能特点及应用
密度低 比强度大
使用温度可 达2800ºC
再入热防护
热导率大 膨胀系数小
喷管 大型扩散段
抗热震优异
抗氧化性差
飞机刹车片
精品文档
C/C复合材料性能特点及应用
和“金属”比较 和“石墨”比较 和“陶瓷”比较 和“树脂”比较
密度低
使用温度可 达1650ºC
比强度大 热导率大
再入热防护
膨胀系数小 抗热震优异 抗氧化性好 耐磨性突出
精品文档
发动机鱼鳞片 涡轮 火焰稳定器
装甲板 防弹衣 空间反射镜
国内外主要研究和生产机构
C/C复合材料
Messier-Bugatti, Inc SGLGroup, Inc Hitco Carbon Composites, Inc Sandia National Laboratories Oak Ridge National Laboratories
ΔG=550kJ/mol ΔG=402kJ/mol
Cl
H
Cl
Cl–Si–Cl H–C
Si–Cl
Cl
H
Cl–Si–Cl H–C
Cl Si–Cl
⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙ ⊙
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙⊙
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙
⊙ ⊙ ⊙ I⊙ ⊙ ⊙ ⊙
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙⊙
⊙ ⊙ ⊙ I⊙ ⊙ ⊙ ⊙
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙
⊙ ⊙ ⊙ I⊙ ⊙ ⊙ ⊙
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙⊙ ⊙⊙ ⊙ ⊙⊙⊙⊙
e (c) Dehydrogen/po(cl)ymerization reaction
C/C、C/SiC材料性能对比
性能 密度
单位 g/cm3
快速CVI C/C
传统CVI C/C
快速CVI C/SiC
传统CVI C/SiC
1.71
Diffraction angle
在35小时内成功制备出大尺寸高
密度C/SiC板材(500×200×9mm,
2.3-2.4g/cm3)
精品文档
快速CVI制备C/SiC材料沉积机理
小分子沉积机理
CH3SiCl3 → •CH3 + •SiCl3 ΔG=292kJ/mol
<111>
•CH3 → •C• H2 + • H •SiCl3 → •S•iCl2 + • Cl •S•iCl2+ e* → Si* +2Cl •C• H2+ e* → C* +2H
Tang SF, et al. J Am Ceram Soc 90(2008) 3320
C/ZrB2-SiC在1000ºC依赖于B2O3 C/ZrB2-SiC在1200ºC依赖于硅酸盐 精品文C/档ZrB2-SiC在1400ºC依赖于SiO2
C/SiC和C/ZrB2-SiC烧蚀性能
C/SiC
C/C-SiC 梯 度 基型结构功能 梯度材料1992
C/SiC复合材料 1992
C/C复合材料 1976
C/C-SiC 双 元 基 型 结
C/C-SiC梯度基
复合材料1995
C/C-SiC 双 元 基
C/C-SiC 纳 米 基
复合材料1990
复合材料1993
C-SiC梯度涂层 的C/C材料1992