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1、精选优质文档-倾情为你奉上复合材料基础姓名：梁雨专业：化学 学号：碳纤维复合材料碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。不仅强度高，密度小，并且具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高位等优异性能，是一种很有发展前景的高性能纤。这些优异的性能使得人们对它的重视到了一个很高的高度。那么接下来我就来介绍一下有关碳纤维复合材料在各方面的的一些知识。一、碳纤维复合材料发展史碳纤维复合材料的发展史应包含碳纤维的发展史何其复合材料应用史。碳纤维是碳材料的一种新形式。我们已经知道碳材料结构由四种类型，一是无定形碳、而是石墨、三是金刚石、四是白碳。碳纤维含碳99%以上，主要是石墨和无定形碳，纤维形状是一种新的应用形
2、式。1880年人类制造了第一批电灯泡，那是电灯泡的灯丝就是当时人类研制的第一批碳纤维，直到1901年发明钨丝后才不用它做灯丝了。到1950年美国空军材料研究所由于军工的需求，加紧对碳纤维研究，1959年由联合碳化合物公司实现了高强碳纤维的生产工艺。与此同时，1962年日本旭炭公司在远藤教授研究的基础上实现以聚丙腈纤维为原料，经过预氧化（不熔化）、1300以上高温炭化而得到有实用价值的通用碳纤维的工业生产线。1970年以后东丽公司、东邦公司相继参加聚丙烯腈基碳纤维的生产开发，形成2吨年的规模。1978年产量达1000t。20世纪80年代后期批量生产的M30、M60、T1000等石墨化程度更高的碳
3、纤维。随后碳纤维在全世界需求量随年逐增中国碳纤维的发展我国从1968年开始研究碳纤维，很快研究出碳纤维1#，相当于T200的水平，1976年建成中试线，那是与日本东丽公司的差距为5年。后来碳纤维2#的研究久攻不下。差距已拉大20多年，无竞争可言。同时由于发达国家对我国几十年的技术封锁，至今没能实现大规模工业化生产，工业及民用领域的需求长时间依赖进口，严重影响了我国高技术的发展，尤其制约了航天及国防军工事业的发展，与我国经济社会发展的进程极不相称。所以，研究生产高性能、高质量的碳纤维，以满足军工和民用产品的需求，扭转大量口的局面，是当前我国碳纤维工业发展的迫切任务。国外碳纤维的发展1959年日本
4、发明了用聚丙烯腈原丝生产碳纤维的方法。1962年，日本东丽公司开始生产，之后又积极研制用于生产碳纤维的专用优质原丝，并于1967年成功生产T300PAN-CF。同时，英国皇家航空研究所，对PAN纤维生产技术进行技术改进，随后英国考陶尔公司利用这项技术开始生产高强度、高模量PAN基碳纤维。1969年，日本东丽公司研究成功特殊的单体共聚PAN基碳纤维，结合美国、法国、德国也都引进或开发了PAN原丝基碳纤维的生产。原苏联开始主要研究以人丝为原料制造碳纤维，后转向PAN基碳纤维。另外印度、南斯拉夫、以色列、韩国也在以PAN原丝制取碳纤维方面开展了大量的研制工作。日本东丽公司的碳纤维研发与生产一直处于世
5、界领先水平。二：碳纤维复合材料的原料 1. 碳纤维的常用品种碳纤维品种分类有四种：一是按原丝分子分类，有PAN基、沥青基、黏胶基三类；二是按性能分类，有通用、标准、高强高模、高导热、活性等碳纤维；三是按应用领域分类，有航空用、工业用的碳纤维；四是按应用于复合材料基体分类，有树脂基用、金属基用、陶瓷基用、CC用碳纤维。2.纤维编织布碳纤维编织布适应一些特殊制品的需要而发展起来的，例如导弹的端头帽、飞机的刹车片，它们不能用简单的纤维迭层方法制造，否则有些方向强度太低。一种简易的编制布是X-Y方向正交的方格和斜纹布。更复杂的是三方向、四方向、七方向和九方向的编织物，那是根据特殊设计要求而制造的，没有
6、商品。编制平面部即可用于结构件，优点是制品工艺过程形态稳定，又可用于装饰品，得益于它漂亮的花纹。应用3K斜纹布制作汽车排气筒和汽车控制台面就为美观。3.基体材料由于碳纤维的很多性能是玻璃纤维所不及的，它可以在绝氧气氛下高于3000摄氏度的高温还保持高强度，而玻璃纤维高于700摄氏度的高温下已丧失了强度。所以没有玻璃纤维增强铝、增强陶瓷之类材料。只要工艺得当，碳纤维可以用来增强很多高分子材料、很多金属材料、几乎各种氧化铝、硅酸盐、氧化硅、碳化硅、氧化硅等陶瓷。碳纤维复合材料除了不透明外又扩展了很多材料和工艺的技术领域。其中CFRP树脂基常用树脂、CC复合材料的基体碳、CFRM的常用金属基体和CF
7、RC常用陶瓷基材料。三、碳纤维复合材料工艺简介碳纤维材料硬度高，必须选用硬质很近刀具材料，航空部门在参考国外硬质合金选材基础上经试验认为，用钨钻硬质合金是比较合适的。因为这类硬质合金有较高的抗弯强度和韧性，可以减少切削时崩刀，同时磨削加工性好，适于磨出锋利的刃口。目前材质为Y300的3-8mm的整体式磨花钻头、铰刀，可满足碳纤维复合材料构件的制孔要求。我国已研制出几种人造金刚石大直径套料钻和人造金刚石磨轮，用于加工8mm以上的复合材料构件孔，获得满意的加工质量。长碳纤维聚丙烯复合材料加工工艺：CF长丝送丝架挤出机模头牵引切粒包覆CF粒料二次造粒CFPP复合粒料我国采用国内外通用的电缆包覆式生产
8、工艺PP树脂包覆CF长丝。此工艺的特点是设备简单，操作连续，质量优异。必须注意的是，由于长碳纤维在连续操作过程中，通过穿孔时因受PP树脂返料的阻力作用易断丝，所以在设计模头时，要考虑减少熔融PP树脂因受压进入穿丝孔。CC基本工艺过程碳纤维编织或缠绕浸渍炭化成CC再浸渍、炭化、VI致密化石墨化加工防氧化处理完成CC工艺必须的设备1反应容器和加热装置，这个容器必须是密封的，以便可以抽真空或加压，其加热功率要足够大，当需要时可快速升温；加热方式可以阻抗式或感应式，必须控制加热过程。2.进气系统，浸渍先驱体多是易燃体，必须通氮气保护。3.冷却排气系统，在反应过程中先驱体分解形成的废气需要排除，高温汽化
9、的先驱体需要冷凝聚回流。4.进料系统，由于纤维配体在容器中先加热并抽真空，在保持真空状态下加入已预热的先驱体流体，有利于先驱体进入纤维骨架的中心。预热先驱体需要氮气保护，并随时补充进料。5.测温和控温系统，制备过程中对于成形体的温度必须进行控制，以便控制反应的进程；往往在纤维胚体内不同位置测量温度，掌握温度梯度的全面数据和致密化情况。6.其他附加装置，例如冷热交替脉冲式加热器，对配体施加超声波促进炭化过程的装置。四、碳纤维复合材料的应用1.宇航工业用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层；卫星构架、天线、太阳能翼片底板和无线电天线。2.航空工业用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体
10、；次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，此外还有刹车片。3.交通运输用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件，船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水桨、海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。4.运动器材用作网球、羽毛球和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓竿、滑雪板、雪车等。5.土木建筑幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、假设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。6.其他工业化公用的防腐泵、阀、槽、罐；催化吸附剂和密封制品等。生体和医疗
11、器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盖。编织机用的剑杆头和剑杆防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。五、碳纤维复合材料在各方面的应用原理1，碳纤维复合材料在防腐、密封盒隔热方面的应用在防腐、密封和隔热方面的应用主要在于密封盘跟料，那么这里我就简单介绍一下密封盘跟料制造技术。密封盘跟料的制作工艺为：氧化纤维编织骨架炭化浸渍模压整形四步工序。其主要设备为盘根聊编织机、块状材料绝氧炭化炉、真空设备、加温加压机器。密封盘跟料有很多种，其中可分为高温永和低温用两类。低温用的不用碳化，直接就用预氧化纤维，可在200摄氏度以下使用。高温的也不直接用炭纤
12、维编织，CF太硬，容易起毛。密封件所起作用是组织内部介质外漏，防止外部空气内渗透，起隔离作用的角色。2.碳纤维在机器零件方面的应用碳纤维复合材料在机械方面应用已有很多实例，齿轮、轴承、飞轮、机床底座等.无梭纺织机是近年发展起来的新式织机，它的特点是织布速度快。有幅宽、噪声低。在这里我就简单介绍一下碳纤维在织布机中导布辊的应用原理：辊的结构选定为CFRP管，两头套粘100mm的T2钢轴，以便与原先运动链接。CFRP导布辊的制作过程中应注意到：a取预浸布20000#长3300mm，碳纤维方向顺芯轴方向一致，不能断头或接头，连续包卷25层，中间有3层环向缠绕，总共28层，预计厚度5.66.0mm；b
13、最后缠BOPP带张力应均匀，中间不应换带，一气呵成。如中间环带可导致管表面不平整；c将钢芯垂直挂起来在炉中固化，不能平放；d固化后连同钢芯在大磨床上沙磨罐子表面，中间一定要有托架，以免悬空磨力使管子变形；e管子两头截断脱模量，以保证实际长度3200mm。3.碳纤维材料在建中中的应用建筑物在使用中不断受到损伤而影响安全使用，最有效而经济的方法是对其加固修补。碳纤维复合材料在加固修补混凝土结构中的应用，在国内已经引起重视，并着手研究与开发。建筑加固修补所应用的原材料有四类：一、补缝材料二、打底树脂和腻子三、增强材料四、粘贴树脂由于带修补的建筑几乎都是混凝土，它的风化疏松使新水泥或一般树脂很难粘牢固
14、，所以在粘贴碳纤维以前必须使用打底树脂，起过渡作用。4.碳纤维在汽车飞机行业的应用碳纤维复合材料在飞机和汽车行业中最多的应用相比便是在刹车片上的应用了吧，这里就先来看看其在飞机刹车片中的应用。C/C复合材料用于摩擦材料做飞机的刹车块有如下几个优点：密度小，表观密度最大不超过1.8g/cm，较之烧结粉末冶金金属刹车盘其优势明显在很宽的温度范围内摩擦系数较低，刹车性能稳定，驾驶员容易操作耐热性好，紧急刹车产生高温1500摄氏度也无妨碍，而金属刹车盘超过600摄氏度就不稳定了使用寿命长热容量高如若采用高导率碳纤维，则散热性更好碳纤维的型号选择、基体先躯体的筛选问题、预氧化、碳沉积密度、炭的可石墨化度
15、、C/C界面结合力、炭化过程的温度曲线的设置、炭化压力等都将对C/C材料的性能产生影响六、碳纤维复合材料在现实生活中的应用实例1.哥伦比亚Berkeley小镇有一座长42英尺长，26英尺宽的小桥桥面不能承受正常载重汽车通过，因茨小镇政府提出修补计划，修补的目标是能够经受36t卡车以HS-20的速度安全通过。1997年1月由赫氏和阿莫公司提供原材料，Fyfe公司施工，在桥下面铺粘了720平方英尺的12K炭纤维织物。补强后较原桥强度增加50、桥面变形降低90，其费用仅仅是造一座桥的20。2.我国工业建筑诊断与改造工程技术中心1998年承办项目，某工厂有一个八层建筑，因二层以上原设计为办公室，现二层
16、要放置加工机器，负载增大，需要提高第一层跨度为9.0m的20根大梁的抗弯能力、5根梁的抗剪强度。该梁截面为宽300mm、高950mm。根据强度计算，他们应用补强技术，采用日本进口的FTS-C1-30型建筑碳纤维预制布和配套的胶施工加固，沿梁底粘贴二层30mm宽的碳纤维布，两端用U形箍固定，外贴200mm宽压条进行锚固。使梁的承载能力提高23以上。3.当今卫星的主承力结构件、次承力结构件甚至地面装置，尽量采用复合材料制造。由于卫星上广泛用复合材料，使卫星结构质量与卫星总质量之比降到5以下。这对于当今发展应用技术卫星是很有意义的，因为为了提高应用技术卫星的商业竞争能力，在运载火箭有限的推力下，结构
17、质量减轻了，可增加有效载荷，将可获得更大的利润。例如国际通信卫星五号的中心承力筒原为铝合金结构，后改为碳面板铝蜂窝夹层结构，减重九千克。虽然造价增加30，但由于质量减轻了，是通信电话线增加2000条，卫星寿命以七年计算，仅此一项改进可盈利3000万美元，几乎是该卫星的发射费用。七、碳纤维复合材料的性能及优点1.力学性能碳纤维复合材料拉伸强度高、模量大、密度小、具有较高的比强度和很高的比模量。与传统金属材料相比，碳纤维复合材料质量轻，强度高，韧度高，具有明显的优势。与同为新材料的硅纤维复合材料相比，碳纤维的拉伸强度约为其3-7倍。碳纤维的弹性模量高于硅纤维，所以碳纤维复合材料在相同外载荷下，应变
18、较小，其制件的刚度比硅基纤维复合材料制件高。高模量碳纤维的断裂伸长率约为0.5，高强度碳纤维约为1，硅基纤维约为2.6而环氧树脂的约为1.7，所以碳纤维复合材料中纤维的强度能得到充分的发挥2.热性能碳纤维复合材料的耐高温性能好。在隔绝空气（惰性气体的保护下），2000摄氏度仍有强度，液氮下也不脆断。碳纤维复合材料的导热性能好。导热系数较高，但随温度升高有减小的趋势。碳纤维复合材料沿纤维轴向的导热系数为0.04cal；垂直线为方向的导热系数为0.002cal。碳纤维复合材料的线膨胀系数沿纤维轴向具有负的温度效应，即随温度的升高，碳纤维复合材料有收缩的趋势，尺寸稳定好，耐疲劳性好。3.耐腐蚀性碳纤维复合材料除了能被强氧化剂如浓硝酸、次氯酸及重铬酸盐氧化外，一般的酸碱对它的作用很小，比硅基纤维复合材料具有更好的耐腐蚀性。碳纤维复合材料不像硅基纤维复合材料那样在湿空气中会发生水解反应，具有好的耐水性及耐湿老化特性。此外还具有耐油、抗辐射以及减速中字运动等特性。总之，碳纤维复合材料具有质量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐冲击、耐腐蚀、吸震性好等一系列优点，这些性能都是传统金属材料所不具备的特征，相比于其他类型的新型复合材料也具有较强的性能。这时的碳纤维复合材料可以在很多领域获得广泛的应用，同时促进碳纤维复合材料的进一步研究，以继续提高其使用性能。专心-专注-专业