碳纤维及其复合材料讲解(PPT课件)

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•分类
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(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。
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(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。
Carbon fiber and its composite materials
碳 纤维及其复合材 料
张慧 冯浩辉 车腾伟
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19 60
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目录
• 概述 • 性能优势 • 分类 • 应用 • 工艺 • 总结
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
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.
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➢ IT行业（轻量化、耐疲劳、刚性、减震等应用）
Sony X505/sp 10.4寸 785g
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➢三脚架（轻量化、耐疲劳、刚性、减震等应用）
钓鱼竿工艺流程
裁布 固化
百度文库
烫接 脱模
卷制 切断
最后涂装
缠带 研磨
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➢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
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➢ 拉挤工艺
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➢ 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
工 业 耐交 疲通 劳（ 、轻 减量 震化 应、 用高 ）速 化 、
➢
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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
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➢ 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
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。
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(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。
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.
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粘胶基碳纤维
1959-美国联合碳化物公司UCC开始生 产
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。
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
世界碳纤维产量占比
Cytec氰特 4.8% Hexcel赫氏
8.1%
台塑 9.9%
中国、俄罗斯、 韩国和印度 1.2%
东丽 34.5%
三菱 18.9%
东邦 22.6%
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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
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➢ 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。
CFRTP粒料：使用同玻纤增强粒料，一般加纤不超过 30%，纤长3-7mm
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➢ 预浸布成型工艺
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•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。
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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
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。
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•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
8、抗疲劳
9、具有柔曲性和可编性
用
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• 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)
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➢ 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.
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。
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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
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(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。
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• 应用
➢文体器材（轻量化、刚性、敏感性、吸能减震应 用）
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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%。
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编织物或缝编工艺
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➢ 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
30 波音787 41段前机身加工由Ingersoll卧式AFP机床完成
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。