3-5 碳纤维在线视频

同学们大家好

我是主讲老师柴春鹏

今天我们讲碳纤维

首先什么是碳纤维呢

碳纤维

简称CF

是指纤维化学组成中

碳元素占总质量的90%以上的一种

高强度

高弹性 高模量的纤维

碳纤维的微观结构类似于

人造石墨

是乱层石墨结构

碳纤维各层面间的间距约为

3.39到3.42A

各平行层面间的各个碳原子

排列不如石墨那样规整

层与层之间它是靠范德华力连接在一起的

碳纤维的分类

一般可以根据原丝类型

及其性能和用途来分类

如果按照原丝类型来分

主要有

聚丙烯腈基碳纤维

粘胶基碳纤维

沥青基碳纤维

木质素纤维基的碳纤维

和其他有机纤维基的碳纤维

如果按照性能和用途

可分为3种类型

第一种是普通型的

它是指在900～1200℃下

碳化得到的碳纤维

它的强度和弹性模量都比较低

第二种是高强度型的碳纤维

是指在1300～1700℃下

碳化得到的碳纤维

它的强度很高

第三种是高模量型

也称为石墨纤维

这种碳纤维碳化后

要再经2500℃以上的高温

石墨化处理

才能得到的

这种碳纤维 它的强度较高

模量也很高

关于碳纤维的性质

碳纤维兼具有碳材料的

强抗拉力和纤维的柔软可加工性两大特征

是高级复合材料用的重要一种增强纤维

它具有轻质 高强 高模 耐化学腐蚀

热膨胀系数小等一系列优点

首先 它的轻质体现在

碳纤维的密度相当于钢材的l/4

铝合金体的1/2

钛合金的1/3

那么 可见它是非常轻的

碳纤维的拉伸强度

约为2到7GPa

拉伸模量约为200到700GPa

碳纤维的抗拉强度比钢材要大4-5倍

比强度是钢材的10倍左右

高模碳纤维的抗拉强度

是比钢材要大68倍左右

碳纤维的弹性模量比钢材大1.8倍~2.6倍

碳纤维的热膨胀系数比较小

碳纤维的热膨胀系数是具有各向异性的特点

平行于纤维方向为负值

垂直于纤维方向为正值

由它制成的复合材料膨胀系数是比较稳定的

可作为标准衡器具

碳纤维具有很好的导热性

碳纤维的导热性是接近于钢铁的

其热导率随温度升高而下降

耐骤冷 急热

即使从几千度的高温

突然降到常温也不会炸裂

碳纤维还具有良好的导电性能

通常碳纤维的导电性

在25℃时

高模量碳纤维电阻率为

7.75乘10的-2次方欧每米

高强度碳纤维的电阻率

为1.5乘10的-1次方欧每米

碳纤维具有很好的耐化学腐蚀性

碳纤维对一般的有机溶剂

酸 碱都具有良好的耐腐蚀性

它不溶融 也不溶胀

耐蚀性出类拔萃

完全不存在生锈的问题

碳纤维还具有很好的耐磨性

碳纤维与金属对磨的时候

是很少磨损的

用碳纤维来取代石棉

制成高级的摩檫材料

目前是已作为飞机和

汽车的刹车片材料来用的

碳纤维还具有

很好的耐高低温的性能

在3000℃

非氧化环境下它是不熔化的

也不软化

在液氮温度下依旧很柔软

也不会脆化

在600℃高温下它的性能保持不变

在-180℃低温下也是很柔韧 的

碳纤维的疲劳强度很高

碳纤维的结构稳定

制成的复合材料

经应力疲劳数百万次的循环试验后

它的强度保留率仍能达到60%

而相同情况下钢材为40%

铝材为30%

玻璃钢则只有20%-25%

碳纤维可加工性能是很好的

由于碳纤维及其织物的质量轻

又可折可弯

可适应不同的构件形状

成型较方便

可根据受力需要粘贴若干层

而且施工时是不需要大型设备

也不需要采用临时固定

对原结构又没有损伤

所以它的加工性能非常好

加工的工艺也很灵活

除此之外

碳纤维还具有其他的优良性能

比如

碳纤维有耐油

抗辐射

抗放射

吸收有毒气体和减速中子等的特性

碳纤维具有突出的阻尼与优良的透声纳性能

可作为潜艇的结构材料

碳纤维高X射线透射率的特性

已经在医疗器材中得到应用

下面我们来看

如何制造碳纤维

碳纤维不能用熔融法

或者是溶液法直接去纺丝

它只能以有机纤维为原料

采用间接方法来制造

经过多年的发展

目前只有粘胶纤维

沥青纤维和聚丙烯腈纤维

三种原丝制造碳纤维的工艺

实现了工业化

下面我们来具体来看这三种

以粘胶纤维为原丝制造碳纤维

我们看粘胶纤维的分子结构见图

粘胶纤维生产制造碳纤维的过程主要包括

低温碳化

高温碳化

这个高温碳化又称为石墨化

然后进行表面处理

上浆和干燥等五大工艺步骤

粘胶纤维由于具有环状的分子结构

所以可以直接进行碳化或者是石墨化处理

加热不会熔融

不需预氧化处理进行环化

粘胶纤维优点是

瞬间耐烧蚀性能好

可用作火箭的内衬材料

其缺点是粘胶中含有大量的

H O原子

所以碳化理论收率仅为55%

实际它的收率也就是约20～30%

粘胶基碳纤维强度相对较低

性能平衡性差

弹性系数较大

以聚丙烯腈纤维

为原丝制造碳纤维的

基本工艺流程 如图所示

它包括

在制得聚丙烯腈之后

然后拿PAN原丝先要预氧化

然后进行碳化

石墨化 表面处理 深加工

最后才能得到碳纤维系列产品

聚丙烯腈基碳纤维的炭化收率要比粘胶纤维高

可以达到45％以上

而且因为生产流程溶剂回收

三废处理等方面

都要比粘胶纤维简单

成本低

原料来源又丰富

加上聚丙烯腈基碳纤维的力学性能

尤其是抗拉强度

抗拉模量等比其他原丝制造的碳纤维要好

所以是目前应用领域最广

产量也最大的一种碳纤维

以沥青纤维为原丝制造碳纤维

沥青基碳纤维的制备工艺如图所示

工业沥青的种类是很多的

但并不是所有的沥青都适用于生产碳纤维

因此必须进行调制和改性处理

与聚丙烯腈基的碳纤维相比

沥青基碳纤维发展相对要滞后

沥青基碳纤维的炭化收率

比聚丙烯腈基高

原料沥青价格也远比聚丙烯腈要便宜

在理论上

这些差别使沥青基碳纤维的成本

是要比聚丙烯腈基碳纤维低

但是要制得高性能碳纤维

原料沥青中的杂质等必须完全脱除

所以沥青转化为中间相的沥青

这就使得高性能沥青基碳纤维的成本大大增加了

所以实际上

高性能沥青基碳纤维的成本

反而会比聚丙烯腈基碳纤维的要高

故目前仅限于只追求性能

而不太计成本的极少数的碳纤维产品

是用沥青基的来制备的

碳纤维的应用是非常广的

那么首先

在航空航天领域

碳纤维复合材料在军用飞机上的使用已经

占到了30%～40%的用量

中国C919在第二阶段

采用了23%～25%的碳纤维复合材料

在宇航工业上

碳纤维多来用作导弹防热材料及结构材料

如导弹发射筒

固体火箭发动机等

采用碳纤维复合材料能大大减轻

火箭和导弹的重量

节省发射费用

体育用品领域

体育器材是我国碳纤维的主要消费领域

年消耗约5千吨

约占碳纤维市场的18%～20%

碳纤维复合材料在

高尔夫球杆

网球拍

钓鱼竿

自行车

赛车

滑雪板等高档文体用品中

都是广泛应用的

在风电领域

风电设备的叶片

机舱罩 是采用复合材料的主要部位

那么碳纤维复合材料叶片是

风机轻量化

及大型化的必然趋势

一台风机按12吨计算

那碳纤维的用量是0.6吨/片

则风机消耗碳纤维是1.8吨/台

在汽车领域

随着汽车轻量化

发动机高效化

车型阻力减小化的要求下

碳纤维复合材料

就成为了质轻和一体多功能的理想结构材料

主要应用在发动机系统中的推杆

连杆 摇杆 水泵叶轮

传动系统中的

传动轴 离合器

加速装置等

底盘系统中的悬置件 弹簧片 框架 散热器等

车体上的车顶内外衬 地板 侧门等

也都会用到碳纤维复合材料

在建筑补强方面

主要应用在桥梁

海工构筑物

非磁性建筑物等工程

用碳纤维管制作的桁梁构架屋顶

比钢材要轻50%左右

而且 碳纤维做补强混凝土结构时

不需要增加螺栓和铆钉固定

对原有混凝土结构扰动较小

施工简便

所以在建筑领域

碳纤维也会被广泛应用

在医疗卫生领域

碳纤维及其复合材料

可以制成人造假肢

和人工骨骼等

性能稳定

生物相容性好

可与人体细胞共存

那么随着医疗水平的提高

在仪器设备上

采用碳纤维复合材料

也具有较大的应用前景

那么合成纤维这一章就讲到这里

有关合成纤维还有

聚丙烯纤维

聚氯乙烯纤维

聚苯并双噁唑纤维等内容

请同学们课后自学总结

好

今天的课就讲到这里

同学们再见