碳纤维PPT课件
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。 其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的 轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好， 比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨 胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射 线透过性好。碳纤维还有良好的耐低温性能， 如在液氮温度下也不脆化。还有耐油、抗放 射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特 性。
一般工业
碳纤维复合材料在汽车工业用于汽车骨架、活塞、传动轴、 刹车装置等；在能源领域应用于风力发电叶片、新型储能 电池、压缩天然气贮罐、采油平台等；碳纤维因其质轻高 强和极好的导电性及非磁性而在电子工业中用于制备电子 仪器仪表、卫星天线、雷达等；碳纤维增强材料(CFRC)与 钢筋混凝土相比，抗张强度与抗弯强度高5-10倍，弯曲韧 度和伸长应变能力高20~30倍，重量却只有l/2，已被广泛应 用于房屋、桥梁、隧道等基础设施的混凝土结构增强工程 中。
进行预氧化处理的原因：
PAN的Tg低于100℃，分解前会软化熔融，不能直 接在惰性气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化处 理，使PAN的结构转化为稳定的梯形六元环结构，就 不易熔融。另外，当加热足够长的时间，将产生纤维 吸氧作用，形成PAN纤维分子间的化学键合。
石墨化
在2500℃～3000℃的温度下，密封装置，施加 压力，保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶 碳向石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进 一步减小以提高碳纤维的弹性模量。
奥迪电动自行车！碳纤维框架的eBike
奥迪e-Bike的全部组件都是由奥迪工程师自行设计 并创建的，由于采用了碳纤维的框架结构，其框架 结构重量仅为1.6公斤。在不含电池的情况下，奥 迪e-Bike整车重量为21公斤。
碳纤维车身 宝马欲推旗舰跨界X7车 型
李欣 43090140
碳纤维
碳纤维的定义 碳纤维的性质 碳纤维的分类 碳纤维的制备 碳纤维的应用
碳纤维
碳纤维（carbon fiber），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。
碳纤维也可以是指化学 组成中碳元素占总质量 90％以上的纤维
碳纤维的优异性能已得到大家的一致公认。由于 它能使运动物体更轻，故在运转过程中能节约大 量能量；由于材料耐腐蚀，物体的寿命更长，故 可节约原材料；由于可降低环境污染及在人体中 作生物材料，故直接关系到人体健康。碳纤维是 目前乃至今后相当长一段时间内鼓励优先发展的 高技术特种纤维之一。
碳纤维材料与其他加固材料对比，有 以下几方面的优势：
抗拉强度：碳纤维的抗拉强度约为钢材的10倍。 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。 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%。由于纤维与基体 复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的 可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度 的70%～80%，并在破坏前有变形显著的征兆。 重量：约为钢材的五分之一。
纳维特推出全球首款碳纤维游艇 媲美 兰博基尼
全碳纤维的船身轻，重量比同型游艇减轻三成，更让航行速度 加快，航行省油可让船主降低油费支出
18mm厚1.36公斤重 联想新碳纤维超 级本
近日联想放出了ThinkPad X1的继任者ThinkPad X1 Carbon。正如它的名字 Carbon一样，它使用了碳 纤维材料，这使得它可以更 轻更薄。ThinkPad X1 Carbon外形14英寸， 18mm厚1.36公斤重，而 ThinkPad X1虽然是13.3英 寸，却有21.3mm厚1.68公 斤重。
碳纤维虽然虽然有轴向强度、模最高，抗疲劳、耐 腐蚀、导电导热性良好等优点，但在强酸作用下发 生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电 化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面 处理。而且其耐冲击性较差。所以，一般不单独使 用。常作为增强材料与树脂、金属、陶瓷等制成性 能复合材料。例如用碳纤维制造的增强塑料质地强 而轻、耐高温、防辐射、耐水、耐腐蚀，是制造空 间飞行器、海空军器材以及化工石耐腐蚀设备等的 优良材料。
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
碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。 其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的 轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好， 比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨 胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射 线透过性好。碳纤维还有良好的耐低温性能， 如在液氮温度下也不脆化。还有耐油、抗放 射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特 性。
一般工业
碳纤维复合材料在汽车工业用于汽车骨架、活塞、传动轴、 刹车装置等；在能源领域应用于风力发电叶片、新型储能 电池、压缩天然气贮罐、采油平台等；碳纤维因其质轻高 强和极好的导电性及非磁性而在电子工业中用于制备电子 仪器仪表、卫星天线、雷达等；碳纤维增强材料(CFRC)与 钢筋混凝土相比，抗张强度与抗弯强度高5-10倍，弯曲韧 度和伸长应变能力高20~30倍，重量却只有l/2，已被广泛应 用于房屋、桥梁、隧道等基础设施的混凝土结构增强工程 中。
进行预氧化处理的原因：
PAN的Tg低于100℃，分解前会软化熔融，不能直 接在惰性气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化处 理，使PAN的结构转化为稳定的梯形六元环结构，就 不易熔融。另外，当加热足够长的时间，将产生纤维 吸氧作用，形成PAN纤维分子间的化学键合。
石墨化
在2500℃～3000℃的温度下，密封装置，施加 压力，保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶 碳向石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进 一步减小以提高碳纤维的弹性模量。
奥迪电动自行车！碳纤维框架的eBike
奥迪e-Bike的全部组件都是由奥迪工程师自行设计 并创建的，由于采用了碳纤维的框架结构，其框架 结构重量仅为1.6公斤。在不含电池的情况下，奥 迪e-Bike整车重量为21公斤。
碳纤维车身 宝马欲推旗舰跨界X7车 型
李欣 43090140
碳纤维
碳纤维的定义 碳纤维的性质 碳纤维的分类 碳纤维的制备 碳纤维的应用
碳纤维
碳纤维（carbon fiber），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。
碳纤维也可以是指化学 组成中碳元素占总质量 90％以上的纤维
碳纤维的优异性能已得到大家的一致公认。由于 它能使运动物体更轻，故在运转过程中能节约大 量能量；由于材料耐腐蚀，物体的寿命更长，故 可节约原材料；由于可降低环境污染及在人体中 作生物材料，故直接关系到人体健康。碳纤维是 目前乃至今后相当长一段时间内鼓励优先发展的 高技术特种纤维之一。
碳纤维材料与其他加固材料对比，有 以下几方面的优势：
抗拉强度：碳纤维的抗拉强度约为钢材的10倍。 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。 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%。由于纤维与基体 复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的 可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度 的70%～80%，并在破坏前有变形显著的征兆。 重量：约为钢材的五分之一。
纳维特推出全球首款碳纤维游艇 媲美 兰博基尼
全碳纤维的船身轻，重量比同型游艇减轻三成，更让航行速度 加快，航行省油可让船主降低油费支出
18mm厚1.36公斤重 联想新碳纤维超 级本
近日联想放出了ThinkPad X1的继任者ThinkPad X1 Carbon。正如它的名字 Carbon一样，它使用了碳 纤维材料，这使得它可以更 轻更薄。ThinkPad X1 Carbon外形14英寸， 18mm厚1.36公斤重，而 ThinkPad X1虽然是13.3英 寸，却有21.3mm厚1.68公 斤重。
碳纤维虽然虽然有轴向强度、模最高，抗疲劳、耐 腐蚀、导电导热性良好等优点，但在强酸作用下发 生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电 化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面 处理。而且其耐冲击性较差。所以，一般不单独使 用。常作为增强材料与树脂、金属、陶瓷等制成性 能复合材料。例如用碳纤维制造的增强塑料质地强 而轻、耐高温、防辐射、耐水、耐腐蚀，是制造空 间飞行器、海空军器材以及化工石耐腐蚀设备等的 优良材料。