复合材料的增强材料--碳纤维

2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室1第三章复合材料增强材料－－－碳纤维2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室22、碳纤维2.1概述碳纤维（CarbonFibre,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。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室3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。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室42.2碳纤维的特点强度和模量高、密度小；具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值具有很好的耐高温蠕变性能，一般在1900℃以上才呈现出永久塑性变形。摩擦系数小、润滑性好、导电性高。碳纤维的缺点：价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二氧化碳。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室52.3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。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室6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。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室72.4碳纤维的结构模型PolymerMatrixComposites，PMC普通型高强度型高弹性模量型2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室8(2)CFRP2.5碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）CFRP在民用飞机中的应用CFRP在空间站大型结构以及太阳能电池支架中的应用82020/3/25陕理工材料学院高分子教研室9碳纤维制造方法可分为两种类型，即气相法和有机纤维碳化法。2.6碳纤维制造方法2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室10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。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室11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。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室12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。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室13碳纤维是由有机纤维进行物理化学处理而制得的。对有机纤维进行氧化、碳化、石墨化等工艺处理，是通过几种化学反应出去有机纤维中碳元素（C）以外的N、H、O的过程。包括脱水脱二氧化碳脱氨脱氮脱腈等一系列反应过程，生成含有HCN、N2、H2、CO2、CO、NH3等气体，并将其移除。经过这样的处理工艺后，最后最后的碳产率只有40~45%。但加热时间足够长时，纤维产生吸氧作用，在分子间形成氧键结构，吸氧量为8~10%。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室14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2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室15以聚丙烯腈（PAN）为原料制造的碳纤维预氧化：200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况下进行。PAN原丝制备碳纤维的过程分为三个阶段：2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室16碳化2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室172020/3/25陕理工材料学院高分子教研室18由于各种反应的发生，PNA现为原来的取向被破坏，分子链大量收缩，故要施加一定的牵伸获得在高温下平行于纤维轴高度取向的PNA纤维环化结构。即，纤维的分子链被拉直并平行于纤维轴取向，当PNA纤维转化为碳纤维后，分子仍能保持取向状态，纤维碳化过程的化学反应形成聚合体中-CN相互交联，产生成晶态的六圆环结构。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室193芳纶纤维高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外商品牌号为凯芙拉(Kevlar)纤维(美国杜邦公司1968年开始研究，1973年研制成功)，我国命名为芳纶纤维。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室20（1）不熔融（2）高温能保持高强度与高弹性模量（3）耐热、不易燃烧（4）尺寸稳定、几乎不发生蠕变（5）耐药性好，在有机溶剂及油中性能不下降（6）耐疲劳性，耐磨性好（7）对放射性线的抵抗性大（8）非导电、且诱电性能优越（9）与无机纤维相比振动吸收性好、减衰速度快2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室21(1)压缩性差，压缩强度仅有不到拉伸强度的1/5。(2)紫外线照射时强度大幅下降。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室22芳纶纤维是苯二甲酰与苯二胺的聚合体，经溶解转为液晶纺丝而成。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室234、硼纤维（BoronFibre，BF或Bf）硼纤维（BoronFibre,BF或Bf）是一种将硼元素通过高温化学气相法沉积在钨丝表面制成的高性能增强纤维。它具有很高的比强度和比模量，也是制造金属复合材料最早采用的高性能纤维。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室24通用的制备方法是在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层。•硼纤维的直径有100μm、140μm、200μm几种。硼纤维的特点•硼纤维具有很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响，硼纤维的密度为2.4~2.65g/cm3，拉伸强度为3.2~5.2GPa，弹性模量为350~400GPa。•硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室25硼纤维的缺点•工艺复杂，不易大量生产，其价格昂贵。•由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。•目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度，结果表明，碳心硼纤维比钨丝硼纤维强度下降5%，但成本降低25%。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室26硼纤维在常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反应，因此需在表面沉积SiC层，称之为Bosic纤维。硼纤维主要用于聚合物基和金属基复合材料。工艺复杂，不易大量生产，其价格昂贵。由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室27硼纤维具有很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响。硼纤维的密度为2.4~2.65g/cm3，拉伸强度为3.2~5.2GPa，弹性模量为350~400GPa。硼纤维的优点2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室28硼纤维在空气中的拉伸强度随温度升高而降低。在200℃左右硼纤维性能基本不变；而在315℃、1000小时硼纤维强度将损失70％；而加热到650℃时硼纤维强度将完全丧失。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室29硼纤维的弯曲强度比拉伸强度高，其平均拉伸强度为310MPa，拉伸模量为420GPa。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室30在室温下，硼纤维的化学稳定性好，但表面具有活性，不需要处理就能与树脂进行复合，而且所制得的复合材料具有较高的层间剪切强度2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室31目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度。结果表明，碳心硼纤维比钨丝硼纤维强度下降5%，但成本降低25%。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室32硼纤维在常温下为惰性物质，但在高温下易与金属反应。因此，需在表面沉积SiC层，称之为Bosic纤维。硼纤维主要用于聚合物基和金属基复合材料。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室33硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室34用硼铝复合材料制成的航天飞机主舱框架强度高、刚性好，代替铝合金骨架节省重量44％，取得了十分显著的效果，也有力地促进了硼纤维金属基复合材料的发展。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室351959年美国TELLY首先发表了用化学气相沉积法制造高性能硼纤维的论文，并受到了美国空军材料实验室的高度重视，积极推进硼纤维及其复合材料的研制。美国AVCO、TEXFROU公司是硼纤维的主要生产厂家。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室36现在硼纤维通用的制备方法是在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层。硼纤维的直径有100μm、140μm、200μm几种。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室37硼纤维具有良好的力学性能、强度高、模量高、密度小。硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室385、氧化铝纤维以氧化铝为主要纤维组分的陶瓷纤维统称为氧化铝纤维(AluminiaFibre,AF或(Al2O3)f)。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室39④氧化铝纤维AluminiaFibre，AF•多晶连续纤维，除Al2O3外常含有约15%的SiO2。•优点：具有优良的耐热性和抗氧化性，直到370℃强度仍下降不大。•缺点：在所有纤维中密度最大。•用途：主要用于金属基复合材料。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室40通常情况下，将氧化铝含量大于70％的纤维相称为氧化铝纤维；将氧化铝含量小于70％，其余为二氧化硅和少量杂质的纤维称为硅酸铝纤维。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室41氧化铝纤维的特点(1)耐热性好，在空气中加热到1250℃还保持室温强度的90%，碳纤维通常在400℃以上就氧化燃烧。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室42(2)不被熔融金属侵蚀，可与金属很好地复合。(3)表面活性好，不需要进行表面处理，即能与树肥和金属复合。(4)具有极佳的耐化学腐蚀和抗氧化性，尤其在高温条件这些性能更为突出。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室43(5)用氧化铝增强的复合材料具有优良的抗压性能，压缩强度比GFRP高，是GFRP的三倍以上，耐疲劳强度高，经107次重复交变加载后，强度不低于静强度的70％。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室44(6)电气绝缘、电波透过性好。与玻璃钢相比，它的介电常数和损耗值小，且随频率的变化小，电波透过性更好。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室45氧化铝纤维的应用针对上述特点，氧化铝纤维适合于制造既需要轻质高强又需要耐热的结构件。用它制作雷达天线罩，其刚性比玻璃钢高，透电波性能好，耐高温。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室46若用氧化铝纤维的复合材料制导弹壳体，则有可能不开天线窗，将天线装在弹内。目前，氧化铝纤维的的用途正处于开发阶段，不久的将来将在航空、航天、卫星、交通和能源等部门得到广泛应用。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室47氧化铝纤维不足之处是密度比较大，约为3.20g/cm3，是纤维中最大的一种。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室486、碳化硅纤维碳化硅纤维（SiliconCarbideFibre，SF或SiCf）是以碳和硅为主要组分的一种陶瓷纤维。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室496.1碳化硅纤维的性能SiC纤维是高强度、高模量纤维，有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室50(1)力学性能以在日本碳公司进行中试生产，产品名称尼卡纶为代表，其主要性能如下表所示：2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室51尼卡纶的一般性质从表中可看出，尼卡纶的强度与韧性接近于硼纤维。2020/3/25陕理工材料学院高分子教研室52(2)热性能碳化硅纤维具有优良的耐热性能，在1000℃以下，其力学性能（拉伸强度和弹性模量）基本上不变，可长期使用。当温度超过1300℃时，其性能才开始下降。因此，相比于碳纤维和硼纤维，碳