碳纤维及其复合材料讲解

CARBONFIBERANDITSCOMPOSITEMATERIALS碳纤维及其复合材料张慧冯浩辉车腾伟世界上最早的碳纤维，源于19世纪60年代，爱迪生发明电灯的时期当时的白炽灯灯丝用的是碳纤维。目录•概述•性能优势•分类•应用•工艺•总结•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。世界碳纤维产量占比中国、俄罗斯、韩国和印度1.2%Cytec氰特4.8%Hexcel赫氏8.1%台塑9.9%三菱18.9%东丽34.5%东邦22.6%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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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.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。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。•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•分类按基体材料分类碳纤维增强陶瓷基C/C碳纤维增强金属基碳纤维增强树脂基(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。(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。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。(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。(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。•应用文体器材（轻量化、刚性、敏感性、吸能减震应用）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%。工业交通（轻量化、高速化、耐疲劳、减震应用）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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.IT行业（轻量化、耐疲劳、刚性、减震等应用）SonyX505/sp10.4寸785g三脚架（轻量化、耐疲劳、刚性、减震等应用）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。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用•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)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.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预浸布成型工艺钓鱼竿工艺流程裁布烫接卷制缠带固化脱模切断研磨最后涂装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1Entec公司的AFW机床拉挤工艺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，注入树脂和固化编织物或缝编工艺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後机身构件波音78741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。ENDTHANKS