第3章 复合材料的增强体碳纤维
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此温度下,其性能已大大下降。
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4.碳纤维的应用
用碳纤维增强制备的复合材料已广泛应用于航空航天领域。 其它领域如体育用品、医疗卫生领域、等都有应用实例。
碳纤维比重小,比强度、比模量大,耐热性和耐腐蚀性好, 成本低 , 批生产量大 ,是一类极为重要的高性能增强体。利
航空航天领域:很多。
体育用品:钓鱼竿、高尔夫球棍、网球拍等。 医疗卫生:医疗器械如X射线床板、人体植入物如膝关节等。
碳纤维由高度取向的石墨片层组成,具有明显的各向异性,沿纤
维轴向性能高,沿横向性能差。
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3.1 发展历史
碳纤维(Carbon Fibre, CF或Cf)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。
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1959年美国联合碳化公司(Union Carbide
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短切碳纤维
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碳纤维轮毂
碳纤维管
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碳纤维板
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碳纤维方向盘
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碳纤维自行车
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碳纤维
碳纤维板
碳纤维编织环
碳纤维编织布
碳管
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碳纤维齿轮
碳纤维结构件
C/C轴承止推环
碳纤维高尔夫球杆
碳纤维自行车
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1.结构与力学性能
材料的性能主要决定于材料的结构。结构有 两方面的含义,一是化学结构,二是物理结构。
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以PAN基碳纤维的结构为例,具有如下结构:
基 本 单 元:是六角平面石墨层;
二级结构单元:由数张至数十张石墨层片组成的石墨微晶; 三级结构单元: 是由石墨微晶组成的狭长带状原纤。原纤沿纤维轴向有较高
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在碳纤维形成的过程中,随着原丝的不同, 重量损失可达10%--80%,因此形成了各种微小的 缺陷。 但是,无论用哪种原料,高模量碳纤维中的 碳分子平面总是沿纤维轴平行地取向。 碳纤维的力学性能与石墨层片的取向度有很 大的关系。例如杨氏模量随着石墨层片趋向于纤 维轴向而明显增大。
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用x射线、电子衍射和电子显微镜研究 发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨
法制造。
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碳纤维制造方法可分为两种类型,
Байду номын сангаас
即气相法和有机纤维碳化法。
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气相法是在惰性气氛中,小分子有机物(如 烃或芳烃等)在高温下沉积成纤维。
用这种方法只能制造晶须或短纤维,不能制
造连续长丝。
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有机纤维碳化法可以制造连续长纤维, 它通常分为两步进行: ①将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维;
W.Watt首先发现结晶定向纤维的拉伸 效应,而且这种效应控制着最终纤维的模量。
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(3)
稳定
通过400 ℃加热氧化的方法。 400 ℃的氧化阶段是A. Shindo‘s 最近在工 艺上做出的贡献。它显著地降低所有的热失重, 并因此保证高度石墨化和取得更好的性能。
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(4)
碳化
在1000--2000 ℃范围内进行。
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碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成 的纤维状聚合物碳,是一种非金属材料。 碳纤维不属于有机纤维范畴,但从制备方法 上看,它又不同于普通无机纤维。
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碳纤维性能
①碳纤维具有重量轻、比强度大、模量高、耐
热性高; ②化学稳定性好,除硝酸等少数强酸外,几
乎对所有药品均稳定;另外,碳纤维对碱也稳定。
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②在惰性气氛中,于高温下进行焙烧 碳化,使有机纤维失去部分碳和其它非碳 原子,形成以碳为主要成分的纤维状物。
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天然纤维、再生纤维和合成纤维都可 用来制备碳纤维。 制备碳纤维时,选择的条件是加热时 不熔融,可牵伸,且碳纤维产率高。
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制作碳纤维的主要原材料有三种: ①人造丝(粘胶纤维); ②聚丙烯腈(PNN) 纤维; ③沥青。
0.04卡/秒· 厘米· 度,而垂直于纤维轴方向为 0.002卡/秒· 厘米· 度。
导热率随温度升高而下降。
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碳纤维的比电阻与纤维的类型有关。在25℃ 时,高模量碳纤维为775 u · cm,高强度碳纤 维为1500 u · cm。
碳纤维的电动势为正值,而铝合金的电动势
为负值。因此当碳纤维复合材料与铝合金组合应 用时会发生电化学腐蚀。
工业化生产;
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1963年英国航空材料研究所(Royal Aircraft Establishment,RAE)开发出高模量聚丙烯脂基碳 纤维; 1965年日本群马大学试制成功以沥青或木质 素为原料的通用型碳纤维; 1970年日本昊羽化学公司实现沥青基碳纤维 Pitch-based carbon fiber的工业规模生产;
纤维中的缺陷来自两个方面,一是原丝中
特有的,二是在碳化过程中产生的。
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原丝中的缺陷主要是在纤维成形过程中 产生的。而在碳化时,则由于从纤维中会释
放出特种气体物质,进而在纤维表面及内部
产生空穴等缺陷。
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碳纤维的应力--应变曲线为一直线,由
于伸长小,断裂过程在瞬间完成,所以碳纤 维不容易发生屈服。
(5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再
生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。
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3.根据碳纤维功能分类
(1)受力结构用碳纤维 (2)耐焰碳纤维 (3)活性碳纤维(吸附活性) (4)导电用碳纤维
(5)润滑用碳纤维
(6)耐磨用碳纤维
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3.3
碳纤维的制造
碳纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材料。
它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
点阵结构,而是属于乱层石墨结构。
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乱层石墨结构: 带状原纤沿纤维轴向取向,聚集成直径6~8微米碳纤维;
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在乱层石墨结构中,石墨层片是基本的结 构单元,若干层片组成微晶,微晶堆砌成直径
数十纳米、长度数百纳米的原纤,原纤则构成
了碳纤维单丝,其直径约数微米。
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实测碳纤维石墨层的面间距约0.339--0.342
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1968年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol” 的酚醛纤维Phenolic fibers; 1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维(Fibrous activated carbon)投放市场。
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1988年,世界碳纤维总生产能力为10054吨/年, 其中聚丙烯腈基碳纤维为7840吨,占总量的78%。 日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国,生产能力 约3400吨/年,占总量的43%。 美国的碳纤维主要用于航空航天领域,欧洲在 航空航天、体育用品和工业方面的需求比较均衡, 而日本则以体育器材为主。
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3.碳纤维的化学性能
碳纤维的化学性能与碳很相似。它除能被 强氧化剂氧化外,对一般酸碱是惰性的。可被 硝酸、硫酸、次氯酸钠等腐蚀,但一般来说还 是比较耐化学试剂腐蚀的,属于耐化学腐蚀优 异品级。
在空气中,当温度高于400 ℃时,则会出 现明显的氧化,生成CO和CO2。
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在不接触空气或氧化气氛时,碳纤维具有 突出的耐热性。 当碳纤维在高于1500 ℃时,强度才开始下 降;而其它类型材料包括A12O3晶须在内,在
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用人造丝、聚丙烯腈纤维、沥青为 原料生产的碳纤维各有其不同特点。
其中,制造高强度、高模量碳纤维 多选聚丙烯腈为原料。
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无论用哪一种原丝纤维来制造碳纤维, 都要经过五个阶段:
拉丝 牵伸 稳定 碳化 石墨化
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(1)
拉丝:
可用湿法、干法或者熔融状态三种
中的任意一种方法进行。
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(2)
牵伸
在室温以上,通常是100--300 ℃范围内 进行。
nm,比石墨晶体的层面间距(0.335nm)略大,各 平行层面间的碳原子排列也不如石墨那样规整。
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依据C--C键的键能及密度计算得到的单晶
石墨强度和模量分别为180 GPa和1000 GPa左
右。而碳纤维的实际强度和模量远远低于此理
论值。
这主要是由于纤维中的缺陷和原丝中的缺 陷所造成的。
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纤维中的缺陷主要是指结构不匀、直径变 异、微孔、裂缝或沟槽、气孔、杂质等。
Corporation,UCC)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
(Rayon-based carbon firber)。 1962年日本炭素公司实现低模量聚丙烯脂基碳纤
维(Polyacry lontrile--based carbon firber,PANCF)的
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碳纤维轴向分子间的结合力比石墨大,所以 它的抗张强度和模量都明显高于石墨; 而碳纤维的径向分子间作用力弱,抗压性能 较差,轴向抗压强度仅为抗张强度的10%--30%,
而且不能结节。
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表 不同品种碳纤维的力学性能
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2.碳纤维的物理性能
碳纤维的比重在1.5--2.0之间,这除了与原丝
结构有关外,主要还决定于碳化处理的温度。 一般情况下,经过高温(3000 ℃)石墨化处理, 比重可达2.0。
(5)
石墨化
在2000--3000 ℃范围内进行。
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在制备碳纤维的过程中,无论采用什
么原材料,都要经过上述五个阶段,即原
丝预氧化(拉丝、牵伸、稳定)、碳化以 及石墨化等,所产生的最终纤维,其基本 成分为碳。
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3. 4 碳纤维的结构与性能
1.碳纤维的结构与力学性能
2.碳纤维的物理性能 3.碳纤维的化学性能
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1.根据碳纤维的性能分类
(1) 高性能碳纤维 在高性能碳纤维中,有高强度碳纤维、高模 量碳纤维、中模量碳纤维等。 (2)低性能碳纤维
这类碳纤维中,有耐火纤维、碳质纤维、石
墨纤维等。
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2.根据原丝类型分类
(1)聚丙烯腈基纤维; (2)粘胶基碳纤维; (3)沥青基碳纤维; (4)木质素纤维基碳纤维;
第三章
复合材料的增强体
§3 碳纤维
要点回顾
复合材料增强体材料 纤维增强材料
颗粒增强材料 晶须增强材料
无 机 纤 维
有 机 纤 维
玻璃纤维、 特种玻璃纤维、 碳纤维…
芳纶纤维、聚乙烯纤、 尼龙纤维…
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碳纤维概述
碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤 维。最高强度可达7000MPa,弹性模量可达 900GPa,密度约为1.8~2.1g/cm3,并具有低热膨 胀、高导热、耐磨、耐高温、耐腐蚀等性能。
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碳纤维的热膨胀系数与其它类型纤维不同,它 有各向异性的特点。
平行于纤维方向是负值(-0.72 ~ -0.90 10 -6 /℃),
而垂直于纤维方向是正值( 32 ~ 22 10-6 /℃)。
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碳纤维的比热一般为7.12 l0-1 kJ( kg · )。 ℃
导热率有方向性,平行于纤维轴方向导热率为
碳纤维制品具有非常优良的X射线透过性,阻
止中子透过性,还可赋予塑料以导电性和导热性。
以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢强、比 铝轻的特性,是一种目前最受重视的高性能材料之
一。它在航空航天、军事、工业、体育器材等许多
方面有着广泛的用途。
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3.2
碳纤维的分类
当前,国内外已商品化的碳纤维种类很多,
一般可以根据碳纤维的性能、原丝的类型和碳纤 维的用途等三种方法进行分类。
择优取向,但并不与轴向完全吻合,有一定夹角(约正负10
度)。产生夹角的原因是石墨微晶在生长过程中,可能会出
现石墨层平面错位,以及杂质导致石墨微晶生长方向改变。
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碳纤维的结构决定于原丝结构与碳化工艺。 对有机纤维进行预氧化、碳化等工艺处理 的目的是,除去有机纤维中碳以外的元素,形 成聚合多环芳香族平面结构。