碳纤维材料介绍
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在预浸料-热压罐工艺中，预浸料的手工铺叠是人工成本和人工时间消耗最大的一个环节，这种 工艺的速度慢、质量低、时间长、人工成本高。因此，铺叠自动化，就成为这个工艺中最讲究的部 分。如果说，预浸料-热压罐是航空复材生产工艺的皇冠，那么铺叠环节的自动化工艺，就是这个皇 冠上最耀眼的那颗钻石。
目前，业界对手工铺叠改进的方式主要有手工自动铺叠、自动铺丝、自动铺带三种。
.10.
此特点已经在医疗器材中得到应用。
碳纤维的结构稳定，制成的复合材料，经应力疲劳数百万次的循环 试验后，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，而玻 璃钢则只有20%-25%.因此设计制品所取的安全系数，碳纤维复合材料 为最低。
.11.
4
.12.
碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、 沥青基碳纤维、粘胶基碳 纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维。
ຫໍສະໝຸດ Baidu.9.
碳纤维在400℃以下性能非常稳定，甚至在1000℃时仍无太大变 化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性，树脂基复合材料其 长期耐热性只达300℃左右，陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温 性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用 于航空航天工业。
利用这二种特点可作为潜艇的结构材料，如潜艇的声纳导流罩等。
.15.
5；模量大于450G帕的称为超高模型。
.16.
就全球碳纤维产能来看，前 5大碳纤维生产企业市场占有率达到 60%以上， 其中 Toray 产能占比 18%
全球前 5 大碳纤维生产企业产能占比 61%
全球小丝束碳纤维行业集中度
.17.
主要碳纤维企业产品领域
.18.
6
.22.
碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得。 应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。由聚丙烯腈纤维原丝 制得的高性能碳纤维，其生产工艺较其他方法简单，产量约占全球碳纤维总产量 的90%以上。
碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。 其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等
.23.
第一、原丝制备，聚丙烯腈和粘胶原丝主要采用湿法纺丝制得，沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制得。制备高性能聚丙烯腈基 碳纤维需采用高纯度、高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝，制备原丝用的共聚单体为衣康酸等。制备各向异性的高性能沥青基碳纤 维需先将沥青预处理成中间相、预中间相（苯可溶各向异性沥青）和潜在中间相（喹啉可溶各向异性沥青）等。作为烧蚀材料用的 粘胶基碳纤维，其原丝要求不含碱金属离子。
通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成，其中孔洞的含量、大 小和分布对碳纤维的性能影响较大。
碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、 高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征 特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
.31.
现在的F1（世界一级方程锦标赛） 赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。 顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤 维，用以提高气动性和结构强度
.32.
碳 纤 维 床 垫
碳 纤 维 箭 杆
碳纤维由于具有强度高、重量轻、耐 热性好、抗热冲击性强等诸多优点而 广泛应用于各种工业产品和日常生活 用品中。
.13.
根据丝束大小可分为： n 大丝束 • 工业级 • 每束碳纤维的根数等于或大于46000-48000根。 • 一般指48~480K • 价格便宜。
n 小丝束 • 宇航级 • 每束碳纤维的根数小于或等于24000根。 • 一般指1~24K • 价格较高。
.14.
按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕、模量为 100G帕左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000兆帕、模量250G帕）和高模 型（模量300G帕以上）。强度大于4000兆帕的又称为超高强型；模量大于450G帕的 称为超高模型。
碳纤维复合芯导线
碳纤维加热管
.33.
碳纤维用作加固材料
目前的日本国内，绝大多数的建筑，公路，桥梁都已经使用到了碳纤维材料作为建筑结 构的加固补强材料，这一材料的使用，使得日本国内的建筑结构的抗震防裂级别又提升了一 个档次。
.34.
9
1、复杂的应力计算
碳纤维的特点是拉伸强度强，但剪断强度弱，加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、 横刚性)，根据计算把碳纤维片重叠成型。
.28.
8
.29.
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。在多个领域都出现 了碳纤维材料的身影，比如说滑雪板、棒球棒、赛车、自行车以及各种体育 服装用品中。
碳纤维外壳的Thinkpad
碳纤维三脚架
碳纤维自行车 .30.
传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增 强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的 复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及 用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
.7.
绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数，室内为负数（-0.5～-1.6） ×10-6/K，在200～400℃时为零，在小于1000℃时为1.5×10-6/K。 由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定，可作为标准衡器具。
通常无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导热性接近于 钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体 材料。
.5.
3
.6.
碳纤维是高级复合材料的增强材料，具有轻质、高强、高模、耐化 学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点。
碳纤维的密度是1.6-2.5g/cm3，碳纤维拉伸强度在2.2Gpa以上。 因此，具有高的比强度和比模量，它比绝大多数金属的比强度高7倍以 上，比模量为金属的5倍以上。由于这个优点，其复合材料可广泛应用 于航空航天、汽车工业、运动器材等。
.1.
1 组成结构
.2.
碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模 量新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化 及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维各层面间的间距约为3.39到3.42A，各 平行层面间的各个碳原子，排列不如石墨那样规整，层与层之间借范德华力连接在一 起。
2、难于更改尺寸
由于作好模具后成型，难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。
3、老化
很多使用者发现碳纤维产品放置在阳光下时会逐渐变白。因此最好不要放置在阳光下。
4、价格较高
原因有两个：1. 生产原材料的厂家不多，产量有限。2.工艺复杂，开模的费用较高，机 械价格也较贵。
5、导电性
这既可以作为碳纤维复合材料的优势，也可能成为实际应用中的一个缺陷。需要绝缘性 能的材料不能用碳纤维。
第二、预氧化（聚丙烯腈纤维200到300℃）、不融化（沥青200到400℃）或热处理（粘胶纤维240℃），以得到耐热和不熔 的纤维，酚醛基碳纤维无此工序。
.24.
第三、碳化，其温度为：聚丙烯腈纤维1000到1500℃，沥青1500到1700℃，粘胶纤维400到2000℃。 第四、石墨化，聚丙烯腈纤维为2500到3000℃，沥青2500到2800℃，粘胶纤维3000到3200℃。 第五、表面处理，进行气相或液相氧化等，赋予纤维化学活性，以增大对树脂的亲和性。 第六、上浆处理，防止纤维损伤，提高与树脂母体的亲和性。所得纤维具有各种不同的断面结构。
.25.
7
.26.
预浸料是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维或织物，制成树脂基体与增强体的组合 物，是制造复合材料的中间材料。 由碳纤维纱、环氧树脂等材料，经过涂膜、热压、冷却等工艺 加工而成的复合材料称为碳纤维预浸料。
用预浸料-热压罐工艺生产碳纤维制造复合材料，要先将碳纤维浸溶在树脂溶剂里，进行铺叠成 型。接着经过模具工装进行表面组装固定，在部件接触面贴胶。其后进热压罐100-130度固化，并 通过紧固成为成品构件。
.27.
1、模压法。这种方法是将早已预浸树脂的的碳纤维材料放入金属模具中，加压后使多余的胶液溢出来，然后高温固化成 型，脱膜后成品就出来了，这种方法最适合用来制作汽车零件。
2、手糊压层法。将浸过胶后的碳纤维片剪形叠层，或是以便铺层一边刷上树脂，再热压成型。这个方法可以随便选择纤 维的方向、大小和厚度，被广泛使用。注意的是铺层后的形状要小于模具的形状，这样纤维在模具内受压时就不会挠曲。
3、真空袋热压法。在模具山叠层，并覆上耐热薄膜，利用柔软的口袋向叠层施加压力，并在热压灌中固化。 4、缠绕成型法。将碳纤维单丝缠绕在碳纤维轴上，特别适用于制作圆柱体和空心器皿。 5、挤拉成型法。先将碳纤维完全浸润，通过挤拉除去树脂和空气，然后在炉子里固化成型。这种方法简单，适用于制备 棒状、管状零件。
.3.
2 化学性质
.4.
碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的 物质之一。碳纤维的化学性质与碳相似，它除能被强氧化剂氧化外，对一般碱性是 惰性的。在空气中温度高于400℃时则出现明显的氧化，生成CO与CO2。碳纤维 对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性，不溶不胀，耐蚀性出类拔萃， 完全不存在生锈的问题。可以认为在普通的工作温度≤250℃环境下使用，很难观 察到碳纤维发生化学变化。根据有关资料介绍，从碳素材料的化学性质分析，在 ≤250℃环境下，碳素材料既没有明显的氧化发生，也没有生成碳化物和层间化合 物生成。
.8.
从碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元 素之一。它除对强氧化酸以外，对酸、碱和有机化学药品都很稳定， 可以制成各种各样的化学防腐制品。我国已从事这方面的应用研究， 随着今后碳纤维的价格不断降低，其应用范围会越来越广。
碳纤维与金属对磨时，很少磨损，用碳纤维来取代石棉制成高级 的摩檫材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料。
.35.
目前，业界对手工铺叠改进的方式主要有手工自动铺叠、自动铺丝、自动铺带三种。
.10.
此特点已经在医疗器材中得到应用。
碳纤维的结构稳定，制成的复合材料，经应力疲劳数百万次的循环 试验后，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，而玻 璃钢则只有20%-25%.因此设计制品所取的安全系数，碳纤维复合材料 为最低。
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碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、 沥青基碳纤维、粘胶基碳 纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维。
ຫໍສະໝຸດ Baidu.9.
碳纤维在400℃以下性能非常稳定，甚至在1000℃时仍无太大变 化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性，树脂基复合材料其 长期耐热性只达300℃左右，陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温 性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用 于航空航天工业。
利用这二种特点可作为潜艇的结构材料，如潜艇的声纳导流罩等。
.15.
5；模量大于450G帕的称为超高模型。
.16.
就全球碳纤维产能来看，前 5大碳纤维生产企业市场占有率达到 60%以上， 其中 Toray 产能占比 18%
全球前 5 大碳纤维生产企业产能占比 61%
全球小丝束碳纤维行业集中度
.17.
主要碳纤维企业产品领域
.18.
6
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碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得。 应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。由聚丙烯腈纤维原丝 制得的高性能碳纤维，其生产工艺较其他方法简单，产量约占全球碳纤维总产量 的90%以上。
碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。 其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等
.23.
第一、原丝制备，聚丙烯腈和粘胶原丝主要采用湿法纺丝制得，沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制得。制备高性能聚丙烯腈基 碳纤维需采用高纯度、高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝，制备原丝用的共聚单体为衣康酸等。制备各向异性的高性能沥青基碳纤 维需先将沥青预处理成中间相、预中间相（苯可溶各向异性沥青）和潜在中间相（喹啉可溶各向异性沥青）等。作为烧蚀材料用的 粘胶基碳纤维，其原丝要求不含碱金属离子。
通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成，其中孔洞的含量、大 小和分布对碳纤维的性能影响较大。
碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、 高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征 特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
.31.
现在的F1（世界一级方程锦标赛） 赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。 顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤 维，用以提高气动性和结构强度
.32.
碳 纤 维 床 垫
碳 纤 维 箭 杆
碳纤维由于具有强度高、重量轻、耐 热性好、抗热冲击性强等诸多优点而 广泛应用于各种工业产品和日常生活 用品中。
.13.
根据丝束大小可分为： n 大丝束 • 工业级 • 每束碳纤维的根数等于或大于46000-48000根。 • 一般指48~480K • 价格便宜。
n 小丝束 • 宇航级 • 每束碳纤维的根数小于或等于24000根。 • 一般指1~24K • 价格较高。
.14.
按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕、模量为 100G帕左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000兆帕、模量250G帕）和高模 型（模量300G帕以上）。强度大于4000兆帕的又称为超高强型；模量大于450G帕的 称为超高模型。
碳纤维复合芯导线
碳纤维加热管
.33.
碳纤维用作加固材料
目前的日本国内，绝大多数的建筑，公路，桥梁都已经使用到了碳纤维材料作为建筑结 构的加固补强材料，这一材料的使用，使得日本国内的建筑结构的抗震防裂级别又提升了一 个档次。
.34.
9
1、复杂的应力计算
碳纤维的特点是拉伸强度强，但剪断强度弱，加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、 横刚性)，根据计算把碳纤维片重叠成型。
.28.
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碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。在多个领域都出现 了碳纤维材料的身影，比如说滑雪板、棒球棒、赛车、自行车以及各种体育 服装用品中。
碳纤维外壳的Thinkpad
碳纤维三脚架
碳纤维自行车 .30.
传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增 强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的 复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及 用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
.7.
绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数，室内为负数（-0.5～-1.6） ×10-6/K，在200～400℃时为零，在小于1000℃时为1.5×10-6/K。 由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定，可作为标准衡器具。
通常无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导热性接近于 钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体 材料。
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碳纤维是高级复合材料的增强材料，具有轻质、高强、高模、耐化 学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点。
碳纤维的密度是1.6-2.5g/cm3，碳纤维拉伸强度在2.2Gpa以上。 因此，具有高的比强度和比模量，它比绝大多数金属的比强度高7倍以 上，比模量为金属的5倍以上。由于这个优点，其复合材料可广泛应用 于航空航天、汽车工业、运动器材等。
.1.
1 组成结构
.2.
碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模 量新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化 及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维各层面间的间距约为3.39到3.42A，各 平行层面间的各个碳原子，排列不如石墨那样规整，层与层之间借范德华力连接在一 起。
2、难于更改尺寸
由于作好模具后成型，难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。
3、老化
很多使用者发现碳纤维产品放置在阳光下时会逐渐变白。因此最好不要放置在阳光下。
4、价格较高
原因有两个：1. 生产原材料的厂家不多，产量有限。2.工艺复杂，开模的费用较高，机 械价格也较贵。
5、导电性
这既可以作为碳纤维复合材料的优势，也可能成为实际应用中的一个缺陷。需要绝缘性 能的材料不能用碳纤维。
第二、预氧化（聚丙烯腈纤维200到300℃）、不融化（沥青200到400℃）或热处理（粘胶纤维240℃），以得到耐热和不熔 的纤维，酚醛基碳纤维无此工序。
.24.
第三、碳化，其温度为：聚丙烯腈纤维1000到1500℃，沥青1500到1700℃，粘胶纤维400到2000℃。 第四、石墨化，聚丙烯腈纤维为2500到3000℃，沥青2500到2800℃，粘胶纤维3000到3200℃。 第五、表面处理，进行气相或液相氧化等，赋予纤维化学活性，以增大对树脂的亲和性。 第六、上浆处理，防止纤维损伤，提高与树脂母体的亲和性。所得纤维具有各种不同的断面结构。
.25.
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预浸料是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维或织物，制成树脂基体与增强体的组合 物，是制造复合材料的中间材料。 由碳纤维纱、环氧树脂等材料，经过涂膜、热压、冷却等工艺 加工而成的复合材料称为碳纤维预浸料。
用预浸料-热压罐工艺生产碳纤维制造复合材料，要先将碳纤维浸溶在树脂溶剂里，进行铺叠成 型。接着经过模具工装进行表面组装固定，在部件接触面贴胶。其后进热压罐100-130度固化，并 通过紧固成为成品构件。
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1、模压法。这种方法是将早已预浸树脂的的碳纤维材料放入金属模具中，加压后使多余的胶液溢出来，然后高温固化成 型，脱膜后成品就出来了，这种方法最适合用来制作汽车零件。
2、手糊压层法。将浸过胶后的碳纤维片剪形叠层，或是以便铺层一边刷上树脂，再热压成型。这个方法可以随便选择纤 维的方向、大小和厚度，被广泛使用。注意的是铺层后的形状要小于模具的形状，这样纤维在模具内受压时就不会挠曲。
3、真空袋热压法。在模具山叠层，并覆上耐热薄膜，利用柔软的口袋向叠层施加压力，并在热压灌中固化。 4、缠绕成型法。将碳纤维单丝缠绕在碳纤维轴上，特别适用于制作圆柱体和空心器皿。 5、挤拉成型法。先将碳纤维完全浸润，通过挤拉除去树脂和空气，然后在炉子里固化成型。这种方法简单，适用于制备 棒状、管状零件。
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2 化学性质
.4.
碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的 物质之一。碳纤维的化学性质与碳相似，它除能被强氧化剂氧化外，对一般碱性是 惰性的。在空气中温度高于400℃时则出现明显的氧化，生成CO与CO2。碳纤维 对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性，不溶不胀，耐蚀性出类拔萃， 完全不存在生锈的问题。可以认为在普通的工作温度≤250℃环境下使用，很难观 察到碳纤维发生化学变化。根据有关资料介绍，从碳素材料的化学性质分析，在 ≤250℃环境下，碳素材料既没有明显的氧化发生，也没有生成碳化物和层间化合 物生成。
.8.
从碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元 素之一。它除对强氧化酸以外，对酸、碱和有机化学药品都很稳定， 可以制成各种各样的化学防腐制品。我国已从事这方面的应用研究， 随着今后碳纤维的价格不断降低，其应用范围会越来越广。
碳纤维与金属对磨时，很少磨损，用碳纤维来取代石棉制成高级 的摩檫材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料。
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