碳纤维及其复合材料讲解

➢ 拉挤工艺
ห้องสมุดไป่ตู้
➢ 树脂传递模塑工艺RTM：
编织物或缝编预成型体放置在模穴内，注入树 脂和固化
编织物或缝编工艺
➢ 高端自动铺带机/铺丝机(ATL/AFP) ：
适应航空制造大型整体化，高可靠、高效率要求
铺丝头结构
a. 筒形全复材机身构件 b. A380後机身构件
波音787 41段前机身加工由Ingersoll卧式AFP机床完成
2.海底油田用管、绳索等，各种传感及电磁屏蔽，防静电，非磁性导线等
3.
4.
➢ IT行业（轻量化、耐疲劳、刚性、减震等应用）
Sony X505/sp 10.4寸 785g
➢三脚架（轻量化、耐疲劳、刚性、减震等应用）
富曼图055CX系列 采用最新碳纤维生产技术， 制成的100%纯碳纤圆形 脚管， 使脚架自重更轻， 提高稳定性及耐用度。
目录
• 概述
碳纤维是由有机纤维或低分子烃气体原料加 热至1500℃所形成的纤维状碳材料，其碳含 量为90%，它是不完全的石墨结晶沿纤维轴 向排列的物质。
石墨纤维：含碳量高于99％的碳纤维。碳纤 维经2200-3000度高温石墨化处理得到石墨纤 维。
PAN基碳纤维
由日本人发明，经英国瓦特 完成制造新工艺，从而发展 迅速
特性耐烧蚀，应用于军工及航天飞行器， 但碳化率低（20%-30%），工艺复杂， 能耗较多，有被PAN基取代的趋势。
我国中科院山西煤化研究所建成吨级粘 胶基碳纤维生产线，以供国防需求。
• 性能优势
1、高强度（是钢铁的5倍） 2、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温) 3、出色的抗热冲击性 4、低热膨胀系数(变形量小) 5、热容量小（节能） 6、比重小（钢的1/5） 7、优秀的抗腐蚀与辐射性能
➢
F1车队采用碳纤维制造赛车车身和 碰撞缓冲构件 ，从而显著减少赛 事中的重伤事故，碳纤维复合材料 的能量吸收能力比金属材料高4倍 到5倍左右 。
另外，高铁车厢、制动刹车、转向 滑块、超导支撑件都由碳纤复合材 料制作
➢ 工业能源（导电性、耐蚀性、抗辐射、轻量化、耐疲劳、刚性、减震等应
用）
1.核材料离心机的旋转筒体（用比强度高的材料才能获得高转速和高的分离效 率
8、抗疲劳
9、具有柔曲性和可编性
• 分类
碳纤维增强 陶瓷基
按基体材料 分类
C/C
碳纤维增强 碳纤维增强
金属基
树脂基
(1) 碳纤维增强陶瓷基复合材料
用碳纤维增强陶瓷可有效改善韧性，改变 陶瓷脆性断裂形态，同时阻止裂纹在陶瓷 基体中的迅速传播、扩展。目前国内外比 较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增 强碳化硅材料，在航空发动机、可重复使 用航天飞行器等领域广泛应用。
• 应用
➢文体器材（轻量化、刚性、敏感性、吸能减震应 用）
早在1992年，美国通用汽车公司就提出了超轻概念车， 该车车身采用碳纤维复合材料，由手工碳纤维预浸料工艺制造， 整体车身的质量为191公斤。 用碳纤维取代钢材制造车身和底盘构件， 可减轻质量68%，从而节约汽油消耗40%。
工 业 耐交 疲通 劳（ 、轻 减量 震化 应、 用高 ）速 化 、
总结
➢ 碳纤维复合材料(CFRP)具有轻质、高强度、高刚度、抗疲 劳和耐腐蚀等优异性能。为了解决全球气候变暖、温室气 体排放的环境问题,碳纤维复合材料在大型飞机、风力发电 叶片、汽车部件、石油开采抽油杆、电力输送电缆等领域 的应用将推动节能减排的实现。碳纤维复合材料的使用实 现了材料的轻量化,从而达到了节能减排的目的,碳纤维复合 材料在这些领域的实际应用代表了其技术的成熟度和水平。 随着国产化碳纤维制造关键技术的成熟,通过突破碳纤维复 合材料的低成本制造技术,实现国产碳纤维复合材料在节能 减排方面的应用是现实的。
(3) 碳纤维增强金属基复合材料
碳纤维增强金属基复合材料具有高的比强 度和比模量，高的韧性和耐冲击性能。目 前碳纤维增强铝、镁基复合材料的制备技 术比较成熟。
(4) 碳纤维增强树脂基复合材料 (CFRP)
它具有轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、 热力学性能优良等特点，被广泛应用 作结构材料及耐高温烧蚀材料。
CARBON FIBER AND ITS COMPOSITE MATERIALS
碳 纤维及其复合材料
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19 60
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• 概述 • 性能优势 • 分类 • 应用 • 工艺 • 总结
其他方面的应用
土建：碳纤增强水泥、木材，各种桥梁管道、遂道等 化工：密封填料、保温材料，压力罐等 医疗：X射线透过性好，各种人体替换部件 其它：机器人臂 、复合电缆、以及各种重要的机械应
用
• 工艺
➢ 碳纤维制造工艺 ➢ 树脂基复合材料 ➢ 预浸布成型工艺 ➢ 纤维缠绕成型工艺 ➢ 拉挤工艺 ➢ 树脂传递模压工艺RTM ➢ 高端自动铺带机/铺丝机(ATL/AFP)
(2) C/C 复合材料
它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成， 主要由各类碳组成，即纤维碳、树脂碳和沉积碳。
这种材料除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐 磨损等特性外，还具有较高的断裂韧性和假塑性。在高温 环境中，强度高、不熔不燃，广泛应用于导弹弹头，固体 火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等领域。
CFRTP粒料：使用同玻纤增强粒料，一般加纤不超过 30%，纤长3-7mm
➢ 预浸布成型工艺
钓鱼竿工艺流程
裁布 固化
烫接 脱模
卷制 切断
缠带 研磨
最后涂装
➢纤维缠绕成型工艺：
将一连续长纤维束带采用连续反复缠绕到回转的芯模上，通常不 能实现纵向（0°方位）的纤维缠绕以及局部增厚或加筋
图1 Entec公司的AFW机床
➢ 碳纤维制造工艺
1、聚丙烯腈PAN配液->纺丝（湿法/干喷湿纺） ->表面处理->收丝（PAN原丝）
2.
➢ 树脂基复合材料（CFRP/CFRTP)
1、基体树脂CFRP：环氧树脂EP、双马酰亚胺树脂BMI、 热固聚酯亚胺PI、氰酸脂.
2.CFRTP热塑性树脂:聚醚醚酮、聚苯硫醚和聚醚砜主要 生产预浸带料。
碳化率高（40%-45%） 高强度、高模量，性能优良 占碳纤维总产量的90%以上
沥青基碳纤维
通过制备沥青纤维转化中间相沥青 后再碳化
具有高拉伸模量，但强度较低，成 本高
美国UCC公司生产世界上最好的沥 青基碳纤维，其中K1100X具有最高 模量（966GPa)有最好的热导率.
粘胶基碳纤维
1959-美国联合碳化物公司UCC开始生 产