碳纤维及碳纤维增强复合材料.pdf

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1、第四章炭纤维及其复合材料炭纤维就是纤维状的炭，它是一种比强度比钢大，比重比铝轻的工程材料，它在力学，电学，热学等方面有许多特殊性能，在近代工业中.特别是在国防工业中起着十分重要的作用。元素碳即使加热到3000℃以上也不会熔化，不可能把元素碳熔化成液体后再抽成丝。因此，炭纤维不是从煤，焦炭等原料制成的，而是由许多含碳量高的人造纤维或合成纤维在特定的工艺条件下炭化而制得。碳纤维（carbonfibre）最早是爱迪生于1879年用棉丝碳化制成的，用来制做白炽灯泡的灯丝。50年代初，随着空间技术的发展，需要有优良性能的结构

2、材料，许多工业发达国家开始重视碳纤维的研究工作，到60年代获得迅速的发展。目前各国工业用的碳纤维原料主要有聚丙烯腈纤维和沥青纤维。根据使用要求和热处理温度的不同，碳纤维分为耐燃纤维、碳纤维和石墨纤维。例如300～350℃热处理时得耐燃纤维；1000～1500℃热处理时得碳纤维，含碳量为90～95％；碳纤维经2000℃以上高温处理可以制得石墨纤维，含碳量高达99％以上。碳纤维属于无机纤维，主要特点是耐高温、质轻、有很高的抗拉强度和弹性模量，不单独使用，一般是加入到树脂、金属或陶瓷基体中制成复合材料，用于制造宇宙飞船、

3、火箭、导弹、高速飞机及大型客机的外壳，此外，这种复合材料还用于原子能、机电、化工、冶金、运输等工业部门及体育运动器具。炭纤维的种类及商品种类炭纤维是一个总称，按热处理温度不同，可分为三类：1)预氧化纤维：热处理温度200~400℃，2)石墨纤维：热处理温度2500℃以上，3)炭纤维：热处理温度800~1800℃。预氧化纤维是一种中间产品，常用来织布，织带再进行炭化生产炭布，炭带。大量生产的品种为800~1900℃的炭纤维，石墨纤维的使用场合较少，常把它看成炭纤维的一个品种。商品种类1)短纤维：单根D=5~10微米，

4、每股有1000~10000根单丝；2)连续长纤维：D=5~10微米，每股有1000~10000根，长度100~1000米；3)炭带：由炭纤维丝编织而成；碳纤维按性能可以分为高强度、高模量碳纤维、活性炭纤维和离子交换碳纤。大丝束碳纤维是指每束碳纤维的根数等于或大于46000—48000根，即每束≥46K一48K的碳纤维。而1000根、3000根、6000根、12000根以及24000根即1K、3K、6K、12K、24K的碳纤维则称为小丝束碳纤维。大丝束的生产对前驱体要求较低，产品成本低，非常适合一般民用工业领域。而小

5、丝束的生产追求高性能化，代表世界碳纤维发展的先进水平。PAN基短碳纤维和碳绳PAN基碳纤维炭绳由碳纤维编绕而成，具有强度高重量轻，耐热性好，热膨胀系数小等特点，是高温炉隔热材料的必备配料。还可用做导电电极等。4)炭布：分编织炭布和无纬炭布。编织布由原纤维织布再预氧化和炭化；无纬布生产是在专用的织机上对一排平铺的原纤维每隔一段距离加入一根纬线(如涤纶丝)，然后进行连续预氧化和炭化。无纬炭布炭化后一般马上浸以树脂，制成预浸胶无纬布使用。5)炭毡：由粘胶丝织成的毡，在惰性气体中经过受控制的炭化而制得。炭布用PAN基碳纤维

6、编织而成，分为发热体碳布和保温碳布，也作为碳/碳复合材料的增强材料。用于各种真空炉的发热体，是一种性能优异的隔热保温材料。炭毡采用PAN纤维为原料，针刺成毡,经预氧化、碳化等生产过程而得，是新型高温隔热材料，广泛应用于各种真空电阻炉、感应炉、烧结炉内，隔热效果优良。并可用于高温气体及熔融金属的过滤、电解电极、低温工程隔热等方面第一节碳纤维的生产制备碳纤维的前驱体有很多，可以用粘胶纤维、沥青、聚丙烯腈、聚乙烯醇、木质素、聚氯乙烯、酚醛树脂、聚苯并噻唑等为原料，但到目前为止，取得工业规模生产的仅有聚丙烯腈、粘胶和沥青3

7、种，其中聚丙烯睛基碳纤维综合性能最好，产量占90％以上；沥青基碳纤维在强度等性能方面稍差，但成本较低，也有一定的需求；粘胶基碳纤维生产工艺复杂，碳化收率低，成本高，一般仅限于军事领域高技术产品应用。一、聚丙烯腈炭纤维聚丙烯脂基碳纤维最早是在1959年由日本的进藤昭男研制成功，1963年英国皇家航空研究中心在纤维热稳定化过程中施加张力牵伸，打通了制备高性能碳纤维的工艺流程并沿用至今。碳纤维的生产主要分为两步，第一步是聚丙烯腈原丝的生产，类似于腈纶的生产，第二步是原丝的预氧化和碳化。聚丙烯腈原丝的生产，是将单体聚合制成

8、纺丝原液，然后纺丝成形。按聚合和纺丝的连续性分为一步法和两步法；按纺丝方法分为湿法、干法、熔融法和干湿法。原丝生产在整个碳纤维生产过程中至关重要，原丝的质量决定着碳纤维的性能，而且原丝部分的投资约占碳纤维生产的80％。聚丙烯脂原丝经过预氧化、碳化，分子间形成乱层石墨结构，制得碳纤维，或进一步经高温石墨化制得石墨纤维二、沥青基炭纤维(PitchBasedCar