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1、复合材料第三章复合材料第三章第1页，共21页，编辑于2022年，星期六石英纤维的具有五个方面的性能石英纤维的具有五个方面的性能：软化温度高软化温度高软化温度高软化温度高 一般玻璃纤维的软化温度只有一般玻璃纤维的软化温度只有550-580，而石英纤维而石英纤维的软化温度可达的软化温度可达1250 以上。以上。膨胀系数小膨胀系数小膨胀系数小膨胀系数小 室温下，石英纤维的膨胀系数为室温下，石英纤维的膨胀系数为5 10 7/，当温度升高到当温度升高到1200 时、仅增大为时、仅增大为11 10-7/，为普通玻璃纤维的为普通玻璃纤维的1/10-1/20。石英纤维石英纤维加热到加热到800-1000 后，
2、用水冷却，性能无损伤。后，用水冷却，性能无损伤。第2页，共21页，编辑于2022年，星期六 电性能好电性能好电性能好电性能好石英纤维石英纤维石英纤维石英纤维在高温下的电绝缘性能良好，其导电率只有在高温下的电绝缘性能良好，其导电率只有 10-16 -1.cm 1，为一般纤维的干分之一至万分之一。为一般纤维的干分之一至万分之一。石英纤维能耐石英纤维能耐石英纤维能耐石英纤维能耐100-200100-200浓酸的浸蚀，但耐碱及碱性盐的能力差浓酸的浸蚀，但耐碱及碱性盐的能力差浓酸的浸蚀，但耐碱及碱性盐的能力差浓酸的浸蚀，但耐碱及碱性盐的能力差些些些些。石英纤维在石英纤维在石英纤维在石英纤维在250-47
3、00 250-4700 umum的光谱区内，有较高的透光率。的光谱区内，有较高的透光率。的光谱区内，有较高的透光率。的光谱区内，有较高的透光率。石英纤维石英纤维石英纤维石英纤维广泛用在电机制造、光通讯、火箭及原子反应堆工程等方广泛用在电机制造、光通讯、火箭及原子反应堆工程等方面。面。第3页，共21页，编辑于2022年，星期六()铝硅酸盐玻璃纤维铝硅酸盐玻璃纤维铝硅酸盐玻璃纤维铝硅酸盐玻璃纤维铝铝铝铝硅硅硅硅酸酸酸酸盐盐盐盐玻玻玻玻璃璃璃璃纤纤纤纤维维维维是是以以高高岭岭土土、铝铝矾矾土土、蓝蓝晶晶石石等等为为原原料料，在在高高频频炉炉、电电弧弧炉炉或或其其它它高高温温炉炉中中熔熔化化，用用吹吹
4、吹吹制制制制法法法法制制成成的的玻玻璃璃纤纤维。维。吹制法制吹制法制吹制法制吹制法制成的纤维较短，可以捻丝成线，但强度较低。成的纤维较短，可以捻丝成线，但强度较低。第4页，共21页，编辑于2022年，星期六铝铝铝铝硅硅硅硅酸酸酸酸盐盐盐盐玻玻玻玻璃璃璃璃纤纤纤纤维维维维的的化化学学组组成成特特点点是是A12O3占占50以以上上，其其熔熔化化温度为温度为1760，最高使用温度为，最高使用温度为1260。铝铝硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃纤纤维维的的主主要要用用途途是是作作绝绝绝绝缘缘缘缘材材材材料料料料和和隔隔隔隔热热热热材材材材料料料料，多多用于火箭、喷气发动机、原子反应堆等用于火箭、喷气发动机、原子反
5、应堆等。第5页，共21页，编辑于2022年，星期六 2.3 空心玻璃纤维空心玻璃纤维空心玻璃纤维空心玻璃纤维空心玻璃纤维空心玻璃纤维是采用是采用铝硼硅酸盐玻璃铝硼硅酸盐玻璃铝硼硅酸盐玻璃铝硼硅酸盐玻璃原料，用特制拔丝炉原料，用特制拔丝炉拔丝制成。拔丝制成。空心玻璃纤维空心玻璃纤维空心玻璃纤维空心玻璃纤维呈中空状态，质轻、刚性好，制成玻璃钢制呈中空状态，质轻、刚性好，制成玻璃钢制品比一般的轻品比一般的轻10以上，而且弹性模量较高，适用于航空以上，而且弹性模量较高，适用于航空与海底装备。与海底装备。第6页，共21页，编辑于2022年，星期六3、碳纤维碳纤维3.1 3.1 概概概概 述述述述碳纤维碳
6、纤维碳纤维碳纤维（Carbon Fibre,CF或或Cf）的开发历史可追溯到）的开发历史可追溯到19世纪末期世纪末期1860年年,斯旺制作碳丝灯泡斯旺制作碳丝灯泡;1878年年,以棉纱试制碳丝以棉纱试制碳丝1879年年,美美国国科科学学家家爱爱迪迪生生以以油油烟烟、焦焦油油、棉棉纱纱、竹竹丝丝试试制制碳碳丝丝，持续照明持续照明45小时小时而而真真正正作作为为有有使使用用价价值值并并规规模模生生产产的的碳碳纤纤维维，则则出出现现在在二二十十世世纪纪50年代末期。年代末期。第7页，共21页，编辑于2022年，星期六 碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合是由有机纤维经固
7、相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。物碳，是一种非金属材料。碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维不属于有机纤维范畴，但从制备方法上看，它又不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。同于普通无机纤维。第8页，共21页，编辑于2022年，星期六碳纤维性能碳纤维性能碳纤维性能碳纤维性能:a.重量轻重量轻重量轻重量轻、比强度大比强度大比强度大比强度大、模量高模量高模量高模量高、耐热性高耐热性高耐热性高耐热性高；b.化学稳定性化学稳定性化学稳定性化学稳定性好，除硝酸等少数强酸外，几乎对所有药好，除硝酸等少数强酸外，几乎对所有药 品均稳定；碳纤维对品均稳定；碳纤维对碱碱碱碱也稳定也
8、稳定;c.c.碳纤维制品具有非常优良的碳纤维制品具有非常优良的碳纤维制品具有非常优良的碳纤维制品具有非常优良的X X射线透过性，阻止中子透射线透过性，阻止中子透射线透过性，阻止中子透射线透过性，阻止中子透 过性，还可赋予塑料以导电性和导热性过性，还可赋予塑料以导电性和导热性过性，还可赋予塑料以导电性和导热性过性，还可赋予塑料以导电性和导热性;d.d.以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢强、比铝轻的特以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢强、比铝轻的特以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢强、比铝轻的特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。它在航空性，是
9、一种目前最受重视的高性能材料之一。它在航空性，是一种目前最受重视的高性能材料之一。它在航空性，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广泛的用途航天、军事、工业、体育器材等许多方面有广泛的用途航天、军事、工业、体育器材等许多方面有广泛的用途航天、军事、工业、体育器材等许多方面有广泛的用途第9页，共21页，编辑于2022年，星期六3.2.2碳纤维的分类碳纤维的分类碳纤维的分类碳纤维的分类(1)(1)根据碳纤维的性能分类根据碳纤维的性能分类根据碳纤维的性能分类根据碳纤维的性能分类 A.高性能碳纤维高性能碳纤维在高性能碳纤维中，有在高性能碳纤维中，有高强度
10、高强度高强度高强度碳纤维、碳纤维、高模量高模量高模量高模量碳纤碳纤 维、维、中模量中模量中模量中模量碳纤维等。碳纤维等。B.低性能碳纤维低性能碳纤维耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。第10页，共21页，编辑于2022年，星期六(2)(2)根据原丝类型分类根据原丝类型分类根据原丝类型分类根据原丝类型分类 A.聚丙烯腈基纤维；聚丙烯腈基纤维；B.粘胶基碳纤维；粘胶基碳纤维；C.沥青基碳纤维；沥青基碳纤维；D.木质素纤维基碳纤维；木质素纤维基碳纤维；E.其他有机纤维基其他有机纤维基(各种天然纤维、再生纤维、
11、缩各种天然纤维、再生纤维、缩 合多环芳香族合成纤维合多环芳香族合成纤维)碳纤维。碳纤维。第11页，共21页，编辑于2022年，星期六(3)(3)根据碳纤维功能分类根据碳纤维功能分类根据碳纤维功能分类根据碳纤维功能分类 A.受力结构用碳纤维受力结构用碳纤维 B.耐焰碳纤维耐焰碳纤维 C.活性碳纤维活性碳纤维(吸附活性吸附活性)D.导电用碳纤维导电用碳纤维 E.润滑用碳纤维润滑用碳纤维 F.耐磨用碳纤维耐磨用碳纤维第12页，共21页，编辑于2022年，星期六 3 3.3.3碳纤维的制造碳纤维的制造碳纤维的制造碳纤维的制造碳碳碳碳纤纤纤纤维维维维是是一一种种以以碳碳为为主主要要成成分分的的纤纤维维状
12、状材材料料。它它不不同同于于有有机机纤纤维维或或无无机机纤纤维维，不不能能用用熔熔融融法法或或溶溶液液法法直直接接纺纺丝丝，只只能能以以有机物为原料，采用有机物为原料，采用间接方法间接方法间接方法间接方法制造。制造。碳纤维制造方法碳纤维制造方法碳纤维制造方法碳纤维制造方法可分为两种类型，即可分为两种类型，即气相法气相法气相法气相法和和和和有机纤维碳化法有机纤维碳化法有机纤维碳化法有机纤维碳化法。第13页，共21页，编辑于2022年，星期六气相法气相法气相法气相法:在惰性气氛中，在惰性气氛中，小分子有机物小分子有机物小分子有机物小分子有机物(如烃或芳烃等如烃或芳烃等)在在 高温下沉积成纤维。高温
13、下沉积成纤维。用这种方法只能制造晶须或短纤维，不能制造连用这种方法只能制造晶须或短纤维，不能制造连 续长丝。续长丝。第14页，共21页，编辑于2022年，星期六有机纤维碳化法有机纤维碳化法有机纤维碳化法有机纤维碳化法:将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤 维；在惰性气氛中，于高温下进行焙烧碳维；在惰性气氛中，于高温下进行焙烧碳维；在惰性气氛中，于高温下进行焙烧碳维；在惰性气氛中，于高温下进行焙烧碳 化，使有机纤维失去部分碳和其它非碳原化，使有机纤维失去部分碳和其它非碳原化，使有机纤维失去部分碳和
14、其它非碳原化，使有机纤维失去部分碳和其它非碳原 子，形成以碳为主要成分的纤维状物。子，形成以碳为主要成分的纤维状物。子，形成以碳为主要成分的纤维状物。子，形成以碳为主要成分的纤维状物。可以制造连续长纤维可以制造连续长纤维可以制造连续长纤维可以制造连续长纤维第15页，共21页，编辑于2022年，星期六制备碳纤维的条件制备碳纤维的条件制备碳纤维的条件制备碳纤维的条件:加热时不熔融，可牵伸，且碳纤加热时不熔融，可牵伸，且碳纤 维产率高。维产率高。制作碳纤维的主要原材料：制作碳纤维的主要原材料：制作碳纤维的主要原材料：制作碳纤维的主要原材料：人造丝人造丝(粘胶纤维粘胶纤维)；聚丙烯腈聚丙烯腈(PAN)
15、纤维；纤维；沥青。沥青。制造碳纤维的过程：制造碳纤维的过程：制造碳纤维的过程：制造碳纤维的过程：拉丝拉丝牵伸牵伸稳定稳定碳化碳化石墨化石墨化第16页，共21页，编辑于2022年，星期六A.拉丝拉丝 湿法、干法或者熔融状态法均可湿法、干法或者熔融状态法均可B.牵伸牵伸在室温以上，通常是在室温以上，通常是100-300 范围内进行。范围内进行。W.Watt首先发现结晶定向纤维的拉伸效应，而且这种首先发现结晶定向纤维的拉伸效应，而且这种 效应控制着最终纤维的模量。效应控制着最终纤维的模量。第17页，共21页，编辑于2022年，星期六牵伸：在纺纱中把纤维集合体（如条子、粗牵伸：在纺纱中把纤维集合体（如
16、条子、粗纱等）有规律地牵长变细，是梳理以后进纱等）有规律地牵长变细，是梳理以后进一步松解和集合的过程一步松解和集合的过程 牵伸机牵伸机第18页，共21页，编辑于2022年，星期六C.稳定稳定通过通过400 加热氧化的方法。加热氧化的方法。400 的氧化阶段是的氧化阶段是A.Shindos 最近在工艺上做出的贡最近在工艺上做出的贡 献。它显著地降低所有的热失重，并因此保证高度石墨献。它显著地降低所有的热失重，并因此保证高度石墨 化和取得更好的性能。化和取得更好的性能。D.碳化碳化:在在1000-2000 范围内进行。范围内进行。E.石墨化石墨化:在在2000-3000 范围内进行。范围内进行。第
17、19页，共21页，编辑于2022年，星期六 3.4 3.4 碳纤维的结构与性能碳纤维的结构与性能碳纤维的结构与性能碳纤维的结构与性能(1)(1)结构与力学性能结构与力学性能结构与力学性能结构与力学性能材料的材料的性能性能性能性能主要决定于材料的主要决定于材料的结构结构结构结构。结构有两方面的含义，一。结构有两方面的含义，一是是化学结构化学结构化学结构化学结构，二是，二是物理结构物理结构物理结构物理结构。第20页，共21页，编辑于2022年，星期六碳纤维的结构碳纤维的结构碳纤维的结构碳纤维的结构决定于决定于原丝结构原丝结构原丝结构原丝结构与与碳化工艺碳化工艺碳化工艺碳化工艺。对对有有机机纤纤维维进进行行预预预预氧氧氧氧化化化化、碳碳碳碳化化化化等等工工艺艺处处理理的的目目的的是是，除除去去有有机纤维中碳以外的元素，形成机纤维中碳以外的元素，形成聚合多环芳香族聚合多环芳香族聚合多环芳香族聚合多环芳香族平面结构。平面结构。在碳纤维形成的过程中，随着原丝的不同，重量损失可在碳纤维形成的过程中，随着原丝的不同，重量损失可达达10-80，因此形成了各种微小的缺陷。，因此形成了各种微小的缺陷。但是，无论用哪种原料，高模量碳纤维中的碳分子平面总是沿但是，无论用哪种原料，高模量碳纤维中的碳分子平面总是沿纤维轴平行地取向。纤维轴平行地取向。第21页，共21页，编辑于2022年，星期六