碳纤维复合材料

碳纤维复合材料------2013.4.16碳纤维复合材料概括结构-性能应用发展前景4123社会一旦有技术上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进.———恩格斯5制备工艺概括--碳纤维碳纤维（carbonfiber）它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。此外，还具有纤维的柔曲性和可编性。碳纤维既可用作结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用。因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速。结构和性能化学性能物理性能碳纤维具有稳定价态，具有稳定的化学性质！耐强酸，耐强碱等优异性能！耐高温、耐摩擦、导电、导热比重不到钢的1/4抗拉强度是钢的7~9倍人生最重要的不是努力，不是奋斗，而是抉择。碳纤维特点(1)密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5-2g/cm3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2；(2)强度、弹性模量高,其强度比钢大4-5倍,弹性回复为100%；(3)热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂；(4)摩擦系数小,并具有润滑性；(5)导电性好,25℃时高模量碳纤维的比电阻为775Ω·cm,高强度碳纤维则为1500Ω·cm；(6)耐高温和低温性好,在3000℃非氧化气氛下不熔化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软也，不脆化；耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。除此之外，碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。碳纤维用途混凝土结构物、桥梁及建筑物的梁、柱、面板加固。隧道、港湾设施、烟囱、仓库、厂房的加固。受盐害的混凝土、桥梁以及河川构造物的防护和加固。碳纤维应用碳纤维加固碳纤维布碳纤维棒碳纤维管碳纤维加固法碳纤维加固法可用于混凝土结构抗弯、抗剪加固，同时广泛用于各类工业与民用建筑物、构造物的防震、防裂、防腐的补强。碳纤维布飞机一次构造件：主翼、尾翼、机体二次构造件：辅助翼、方向舵、升降舵内装材：地板、间隔、梁、洗面所、座席火箭助推器、防护罩、发动机罩、高频传送器人造卫星天线、太阳能电池板、结构件钓具钓鱼杆、卷线器高尔夫杆、头、面板、鞋球拍网球、羽毛球、壁球自行车车架、车轮、龙头汽车传动轴、赛车、尾翼、引擎盖、整流罩摩托车头盔、排气管罩、后视镜壳火车列车列车车体、磁悬浮列车、座席.航空航天国防用碳纤维布体育娱乐器材用碳纤维布工业用碳纤维布表面光滑、重量轻、高强度、高摸量；耐腐蚀、抗紫外线不易老化；机械性能优良等优良特点。用碳纤维制造的钓竿具有轻、坚实、抗拉强度高的特点，但在使用时应特别注意防电。钓竿管道Vision02Vision04碳纤维管抗拉强度大，弹性模量高，轻质，耐久性能好，耐磨损，抗腐蚀。用于鱼杆的配尖、风筝骨架、账棚撑杆、运动器材等。高比强、高比模、耐疲劳、抗蠕变、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、尺寸稳定、导电、导热、热膨胀系数小、自润滑和吸能抗震等碳纤维的另一重要特性就是比重小。碳纤维棒碳纤维的制备碳纤维根据原料不同，可以分为聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维和沥青基碳纤维三种。碳纤维主要经过原料的聚合，纺丝，预氧化，炭化和石墨化之后即可制得。聚丙烯腈溶液聚合、乳液聚合、悬浮聚合和本体聚合，通过湿法纺丝或者是干喷湿纺法纺丝制得原丝。黏胶基碳纤维的制备工艺流程具体如图所示。碳纤维增强复合材料•纤维增强基复合材料是由碳纤维织物增强碳或石墨化的树脂（包括沥青）碳以及化学气相沉积碳所形成的复合材料，简称碳-碳复合材料。它以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。碳复合材料的特性碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。（1）密度低（1.7g/cm3左右）在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200℃时可保留室温强度；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。(2)热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。(3)耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象，通过表层材料的烧蚀带走大量的热量，可阻止热流入材料内部，C-C材料是一种升华-辐射型材料。碳纤维复合材料加工工艺•碳纤维增强复合材料一直是被区分为长(连续)纤维和短纤维来加工的，从典型的300～400米到几个毫米分为不同的品级。过去10年中，人们一直在改进不同种类的碳纤维复合材料的性能和加工方法，从短纤维混料注射加工到层压成型，从预浸料处理到模塑法加工，力求为这种性能优良的材料寻找到最佳的加工方法。目前常见的生产工艺有手糊成型工艺、树脂传递模塑、RTM喷射成型工艺、注射成型、纤维缠绕成型、拉挤成型手糊成型工艺•手糊工艺的最大特色是以手工操作为主，适于多品种、小批量生产，且不受制品尺寸和形状的限制。但这种方法生产效率低、劳动条件差，且劳动强度大；制品质量不易控制，性能稳定性差，制品强度较其他方法低。如图放个视频先！教你如何手工制作碳纤维树脂传递模塑RTM•RTM是一种适宜多品种、中批量、高质量符合材料制品的低成本技术。目前，在发达国家里复合材料工业已由“产量大、消费大”步入“个性化、高级化、产量中等”阶段，这也正适合“个性化、高级化、产量中等”要求的树脂传递模塑(RTM)工艺，从而使其获得蓬勃发展。如图。树脂传递模塑RTM工艺流程喷射成型工艺喷射成型是通过喷枪将短切纤维和雾化树脂同时喷射到开模表面，经辊压、固化制取复合材料制件的方法。它是为改进手糊成型而创造开发的一种半机械化成型技术。喷射成型对原材料有一定的要求。如树脂体系的黏度应适中(0.3～0.8Pa·s)，容易喷射雾化、脱除气泡、润湿纤维而又不易流失以及不带静电等。制品纤维含量控制在28%～33%，纤维长度25～50mm。其优点是生产效率比手糊提高2～4倍，劳动强度低，可用较少设备投资实现中批量生产，材料成本低；制品整体性好，制件的形状和尺寸不受限制；可自由调节产品壁厚、纤维与树脂比例。主要缺点是现场污染大，树脂含量高，制件的承载能力低。注射成型工艺反应注射成型(RIM)和增强反应注射成型(RRIM主要是热塑性塑料的注塑成型。近年来又发展新的注射成型。RIM的基本原理是将两种反应物(高活性的液状单体或齐聚物)精确计量，经高压碰撞混合后充入模内，混合物在模具型腔内迅速发生聚合反应固化成型。其突出特点是生产效率高、能耗低。RRIM是短切纤维或片状增强材料增强的RIM，它是在RIM基础上发展起来的，在单体中加入增强材料，即反应单体与增强材料一同通过混合头注入模具型腔制备复合材料制品。纤维缠绕成型•纤维缠绕成型是将浸渍树脂的纤维丝束或带，在一定张力下，按照一定规律缠绕到芯模上，然后在加热或常温下固化成制品的方法。纤维缠绕成型的主要特点是，纤维能保持连续完整，制件线形可按制品受力情况设计即可按性能要求配置增强材料，结构效率高，制品强度高；可连续化、机械化生产，生产周期短，劳动强度小；产品不需机械加工，但设备复杂，技术难度高，工艺质量不易控制。拉挤成型工艺•拉挤成型是一种连续生产固定截面型材的成型方法。如图主要过程是将浸有树脂的纤维连续通过一定型面的加热口模，挤出多余树脂，在牵引条件下进行固化。拉挤成型的最大特点是连续成型，制品长度不受限制，力学性能尤其是纵向力学性能突出，结构效率高，制造成本低，自动化程度高，制品性能稳定，生产效率高，原材料利用率高，不需要辅助材料。它是制造高纤维体积含量、高性能低成本复合材料的一种重要方法。如图所示！！再放个视频•关于拉挤成型工艺！•科普视频--西格里集团的航空航天碳纤维复合材料制造技术ps:西格里集团（SGLGroup-TheCarbonCompany）是全球领先的碳素石墨材料以及相关产品的制造商之一，拥有从碳石墨产品到碳纤维及复合材料在内的完整业务链。西格里集团在全球拥有47个生产基地。其中分布于欧洲26个、北美洲12个、亚洲9个。生产基地的不断拓展，我们的全球化步伐也在逐步加快。拉挤成型工艺图示碳纤维增强基复合材料的分类尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能,然而，它属于脆性材料,只有将它与基体材料牢固地结合在一起时,才能利用其优异的力学性能,使之更好地承载负荷。因此,碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷。其分类大致有碳纤维增强陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料碳纤维增强陶瓷基复合材料•陶瓷具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性,广泛应用于工业和民用产品。它的弱点是对裂纹、气孔和夹杂物等细微的缺陷很敏感。碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性,改变陶瓷的脆性断裂形态,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,因其具有优良的高温力学性能,在高温下服役不需要额外的隔热措施,因而在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域具有广泛应用。•其主要制备方法有：泥浆浸渗和混合工艺，化学合成工艺（溶胶-凝胶及聚合物先驱体工艺），熔融浸渗工艺，原位化学反应（CVD、CVI反应烧结等）等。碳/碳复合材料•碳/碳复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称,也是一种高级复合材料。它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成。碳/碳复合材料主要由各类碳组成,即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种完全由人工设计、制造出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能,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。特别是在高温环境中,强度高、不熔不燃,仅是均匀烧蚀。这是任何金属材料无法与其比拟的。因此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高科技领域。碳纤维增强金属基复合材料碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维,金属为基体的复合材料。碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比,具有高的比强度和比模量;与陶瓷相比,具有高的韧性和耐冲击性能,金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等,其中,碳纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟。制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层,以防止在复合过程中损伤碳纤维,从而使复合材料的整体性能下降。目前,在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等,但因其过程复杂、成本高,限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用。主要制备工艺方法有：固相法、液相法和原位复合法。固相法主要有粉末冶金、固态热压法、热等静压法；液态法主要有真空压力浸渍法、挤压铸造法；原位复合法主要包括共晶合金定向凝固、直接金属氧化物法、反应生成法。碳纤维增强树脂复合材料•碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是目前最先进的复合材料之一。它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料,是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。•碳纤维增强树脂复合材料所用的基体树脂主要分为两大类,一类是热固性树脂,另一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预集体或带有活性基团高分子量聚合物组成;成型