2010136103徐铭华复合材料

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1、聚丙烯腈基（PAN）碳纤维复合材料2010136103徐铭华摘要:对PAN基碳纤维的发展历程、现状以及以其为增强体的复合材料进行了综述，并对PAN基碳纤维增强复合材料在航天领域的主要应用情况进行了介绍，最后对我国高性能碳纤维复合材料的现状及发展重点进行了探讨。关键词:PAN基碳纤维;复合材料;航天领域;应用Abstract:Inthisarticle,thedevelopmentofPAN-basedcarbonfiber,itscharacterandcompositesreinforcedbyitisoverviewed.The

2、mainapplicationofcarbonfiberreinforcedcompositesonaerospaceisalsointroducedhere.Finally,thestatusandfuturedevelopmentofPAN-basedcarbonfiberisdiscussed.Keywords:PAN-basedcarbonfiber;composites;aerospace;application1.前言随着科技的发展和进步以及各国对空间光学遥感器的进一步需求，空间遥感器必然向高分辨率、长焦距、大口径、大视

3、场、大体积而质量更轻的方向发展[1]，然而，发展质量更轻的空间光学遥感器，必须采用性能优异的轻质结构材料，碳纤维复合材料(CFRP)的应用是实现这一要求的最好途径之一。CFRP是以树脂为基体，碳纤维为增强体的复合材料[2]碳纤维具有碳材料的固有本征特性，又有纺织纤维的柔软可加土性，是新一代军民两用的增强纤维。它优异的综合性能是任何单一材料无法与其比拟的，现在己经成为先进复合材料的主要增强纤维之一。CFRP是20世纪60年代中期崛起的一种新型结构材料，一经问世就显示了强大的生命力[3,4]。当今，在众多的先进复合材料中，CFRP在技术

4、成熟度与应用范围方面的表现尤为突出，它所具有的高比强度和比模量、性能可设计和易十整体成形等诸多优点，可以满足航天结构高结构效率的要求，易十得到尺寸稳定的结构。自从CFRP被一泛应用十军事、民用各个领域，尤其是航空航天领域后，其所展现出的优异特性使它己经成为一种不可或缺，同时一又不可多得的多功能的特种土程材料。现在，CFRP己经与铝合金、钦合金、合金钢一起成为航空、航天领域的四大结构材料[5]。碳纤维是一种以聚丙烯睛（PAN),沥青、粘胶纤维等人造纤维或合成纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化等过程制得含碳量达90%以上的无机纤维材料，

5、具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、导电导热性好、热膨胀系数小等一系列优异性能，是航空航天等高技术领域不可缺少的原材料。目前，世界碳纤维产业已形成了粘胶基、沥青基和PAN基三大原料体系，其中粘胶基和沥青基碳纤维用途较单一，产量也较为有限，PAN基碳纤维由于生产工艺简单，产品力学及高温性能优异，兼具良好的结构和功能特性，因而发展较快，成为高性能碳纤维发展和应用的最主要和占绝对地位的品种，主要用于高性能结构及功能复合材料，在航天、航空、兵器、船舶、核等国防领域具有不可替代的作用，是世界各国高度重视的战略性基础材料。2.原材料丙烯腈3

6、.PAN基碳纤维的制备方法PAN基碳纤维的生产过程比较繁琐，要经历聚合、纺丝、预氧化、碳化、石墨化等多个过程(图1-1)，其中每个过程都有复杂的物理变化、化学变化及结构转变，并涉及多个工艺参数[6-8]。制备高质量的原丝和控制工艺参数对于研制高性能碳纤维都非常重要，尤其是预氧化和碳化过程的工艺参数，因为在这两个中伴随着大量的非碳元素脱除，因此是决定碳纤维结构和力学性能的关键[8]。(1)聚丙烯腈原丝的制备。纺丝工艺主要分为湿法纺丝纺、干喷湿纺、干纺、熔融纺四种。聚丙烯睛原丝纺丝工艺流程[9-11]如下：蒸馏一聚合一脱单一脱泡一初生丝

7、形成一一牵一二牵一多段水洗一上油一干燥一收丝一成品(2)预氧化过程(又称热稳定化)。预氧化过程是指在180300℃的空气中，原丝受到牵伸力作用，聚丙烯睛线形分子结构转化为耐热的非塑性梯型结构。这也是其在碳化过程中能够耐上千度高温而不熔不燃的原因[11]。预氧化过程主要发生环化、脱氢、氧化和裂解等反应，以脱除非碳元素。预氧化程度程度的表征参量有芳构化指数(又称碳化指数)、预氧化纤维的含水率、密度及极限氧指数[11]。北京化工大学沈曾民等[12]研究结果发现，若预氧化程度过高，则得到的碳纤维的力学性能较差;若预氧化程度较低，则形成的梯形

8、结构不耐热，在碳化时纤维就会因高温而熔断。在预氧化过程，聚丙烯睛线形分子结构转变十分剧烈，极易产生缺陷，如果工艺参数控制不当会对碳纤维力学性能造成很大的影响，因此，控制好预氧化过程对改善碳纤维的结构和提高力学性能意义重大。控制预氧化阶