碳纤维复合材料LY模板演示教学

复合材料基础

姓名：梁雨

专业：化学

学号：2014122

碳纤维复合材料

碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。不仅强度高，密度小，并且具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高位等优异性能，是一种很有发展前景的高性

能纤。这些优异的性能使得人们对它的重视到了一个很高的高度。那么接下来我就来介绍一下有关碳纤维复合材料在各方面的的一些知识。

一、碳纤维复合材料发展史

碳纤维复合材料的发展史应包含碳纤维的发展史何其复合材料应用史。碳纤维是碳材料的一种新形式。我们已经知道碳材料结构由四种类型，一是无定形碳、而是石墨、三是金刚石、四是白碳。碳纤维含碳99%以上，主要是石墨和无定形碳，纤维形状是一种新的应用形式。1880年人类制造了第一批电灯泡，那是电

灯泡的灯丝就是当时人类研制的第一批碳纤维，直到1901年发明钨丝后才不用它做灯丝了。到1950年美国空军材料研究所由于军工的需求，加紧对碳纤维研究，1959年由联合碳化合物公司实现了高强碳纤维的生产工艺。与此同时，1962年日本旭炭公司在远藤教授研究的基础上实现以聚丙腈纤维为原料，经过预氧化（不熔化）、1300℃以上高温炭化而得到有实用价值的通用碳纤维的工业生产线。1970年以后东丽公司、东邦公司相继参加聚丙烯腈基碳纤维的生产开发，形成2吨╱年的规模。1978年产量达1000t。20世纪80年代后期批量生产的M30、M60、T1000等石墨化程度更高的碳纤维。随后碳纤维在全世界需求量随年逐增

中国碳纤维的发展

我国从1968年开始研究碳纤维，很快研究出碳纤维1#，相当于T200的水平，1976年建成中试线，那是与日本东丽公司的差距为5年。后来碳纤维2#的研究久攻不下。差距已拉大20多年，无竞争可言。同时由于发达国家对我国几

十年的技术封锁，至今没能实现大规模工业化生产，工业及民用领域的需求长时

间依赖进口，严重影响了我国高技术的发展，尤其制约了航天及国防军工事业的

发展，与我国经济社会发展的进程极不相称。所以，研究生产高性能、高质量的

碳纤维，以满足军工和民用产品的需求，扭转大量口的局面，是当前我国碳纤维工业发展的迫切任务。

国外碳纤维的发展

1959年日本发明了用聚丙烯腈原丝生产碳纤维的方法。1962年，日本东丽公司开始生产，之后又积极研制用于生产碳纤维的专用优质原丝，并于1967年成功生产T300PAN-CF。同时，英国皇家航空研究所，对PAN纤维生产技术进行技术改进，随后英国考陶尔公司利用这项技术开始生产高强度、高模量PAN基碳纤维。1969年，日本东丽公司研究成功特殊的单体共聚PAN基碳纤维，结合美国、法国、德国也都引进或开发了PAN原丝基碳纤维的生产。原苏联开始主要研究以人丝为原料制造碳纤维，后转向PAN基碳纤维。另外印度、南斯拉夫、以色列、韩国也在以PAN原丝制取碳纤维方面开展了大量的研制工作。日本东

丽公司的碳纤维研发与生产一直处于世界领先水平。

二：碳纤维复合材料的原料

1. 碳纤维的常用品种

碳纤维品种分类有四种：一是按原丝分子分类，有PAN基、沥青基、黏胶基三类；二是按性能分类，有通用、标准、高强高模、高导热、活性等碳纤维；

三是按应用领域分类，有航空用、工业用的碳纤维；四是按应用于复合材料

基体分类，有树脂基用、金属基用、陶瓷基用、C\C用碳纤维。

2.纤维编织布

碳纤维编织布适应一些特殊制品的需要而发展起来的，例如导弹的端头帽、

飞机的刹车片，它们不能用简单的纤维迭层方法制造，否则有些方向强度太

低。一种简易的编制布是X-Y方向正交的方格和斜纹布。更复杂的是三方向、四方向、七方向和九方向的编织物，那是根据特殊设计要求而制造的，没有

商品。编制平面部即可用于结构件，优点是制品工艺过程形态稳定，又可用

于装饰品，得益于它漂亮的花纹。应用3K斜纹布制作汽车排气筒和汽车控制台面就为美观。

3.基体材料

由于碳纤维的很多性能是玻璃纤维所不及的，它可以在绝氧气氛下高于3000摄氏度的高温还保持高强度，而玻璃纤维高于700摄氏度的高温下已丧失了强度。所以没有玻璃纤维增强铝、增强陶瓷之类材料。只要工艺得当，碳纤

维可以用来增强很多高分子材料、很多金属材料、几乎各种氧化铝、硅酸盐、氧化硅、碳化硅、氧化硅等陶瓷。碳纤维复合材料除了不透明外又扩展了很

多材料和工艺的技术领域。其中CFRP树脂基常用树脂、C\C复合材料的基体碳、CFRM的常用金属基体和CFRC常用陶瓷基材料。

三、碳纤维复合材料工艺简介

碳纤维材料硬度高，必须选用硬质很近刀具材料，航空部门在参考国外硬质合金选材基础上经试验认为，用钨—钻硬质合金是比较合适的。因为这

类硬质合金有较高的抗弯强度和韧性，可以减少切削时崩刀，同时磨削加工

性好，适于磨出锋利的刃口。目前材质为Y300的Φ3-8mm的整体式磨花钻头、铰刀，可满足碳纤维复合材料构件的制孔要求。

我国已研制出几种人造金刚石大直径套料钻和人造金刚石磨轮，用于加工Φ

8mm以上的复合材料构件孔，获得满意的加工质量。

长碳纤维╱聚丙烯复合材料加工工艺：

CF长丝→送丝架→挤出机模头→牵引切粒→包覆CF粒料→二次造粒→CF╱PP复合粒料

我国采用国内外通用的电缆包覆式生产工艺PP树脂包覆CF长丝。此工艺的特点是设备简单，操作连续，质量优异。

必须注意的是，由于长碳纤维在连续操作过程中，通过穿孔时因受PP树脂返料的阻力作用易断丝，所以在设计模头时，要考虑减少熔融PP树脂因受压进入穿丝孔。

C╱C基本工艺过程

碳纤维→编织或缠绕→浸渍→炭化成C╱C→再浸渍、炭化、VI致密化→石墨化→加工→防氧化处理

完成C╱C工艺必须的设备

1反应容器和加热装置，这个容器必须是密封的，以便可以抽真空或加压，其加热功率要足够大，当需要时可快速升温；加热方式可以阻抗式或感

应式，必须控制加热过程。

2.进气系统，浸渍先驱体多是易燃体，必须通氮气保护。