碳纤维材料性能及应用.doc

1、碳纤维材料的性能及应用碳 纤 维 是 一 种 纤 维 状 碳 材 料 。 它 是 一 种 强 度 比 钢 的 大 、 密 度 比 铝 的 小 、 比 不 锈钢 还 耐 腐 蚀 、 比 耐 热 钢 还 耐 高 温 、 又 能 像 铜 那 样 导 电 ， 具 有 许 多 宝 贵 的 电 学 、 热 学和 力 学 性 能 的 新 型 材 料 。碳 纤 维 的 微 观 结 构 类 似 人 造 石 墨 ， 是 乱 层 石 墨 结 构 。 另 外 ， 碳 纤 维 是 指 含 碳 量高 于 90 的 无 机 高 分 子 纤 维 。 其 中 含 碳 量 高 于 99 的 称 石 墨 纤 维 。性 能 特 点

2、：碳 纤 维 的 比 重 小 ， 抗 拉 强 度 高 ， 轴 向 强 度 和 模 量 高 ， 无 蠕 变 ， 耐 疲 劳 性 好 ， 比 热及 导 电 性 介 于 非 金 属 和 金 属 之 间 ， 热 膨 胀 系 数 小 ， 耐 腐 蚀 性 好 ， 纤 维 的 密 度 低 ， X射 线 透 过 性 好 。 但 其 耐 冲 击 性 较 差 ， 容 易 损 伤 ， 在 强 酸 作 用 下 发 生 氧 化 ， 与 金 属 复 合 时会 发 生 金 属 碳 化 、 渗 碳 及 电 化 学 腐 蚀 现 象 。 因 此 ， 碳 纤 维 在 使 用 前 须 进 行 表 面 处 理 。 总之 ， 碳 纤 维

3、 是 一 种 力 学 性 能 优 异 的 新 材 料 。应 用 领 域 ：用 碳 纤 维 与 塑 料 制 成 的 复 合 材 料 所 做 的 飞 机 不 但 轻 巧 ， 而 且 消 耗 动 力 少 ， 推 力 大 ，噪 音 小 ； 用 碳 纤 维 制 电 子 计 算 机 的 磁 盘 ， 能 提 高 计 算 机 的 储 存 量 和 运 算 速 度 ； 用 碳 纤 维增 强 塑 料 来 制 造 卫 星 和 火 箭 等 宇 宙 飞 行 器 ， 机 械 强 度 高 ， 质 量 小 ， 可 节 约 大 量 的 燃 料 。1999 年 发 生 在 南 联 盟 科 索 沃 的 战 争 中 ， 北 约 使 用

4、 石 墨 炸 弹 破 坏 了 南 联 盟 大 部 分 电 力 供应 ， 其 原 理 就 是 产 生 了 覆 盖 大 范 围 地 区 的 碳 纤 维 云 ， 这 些 导 电 性 纤 维 使 供 电 系 统 短 路 。目 前 ， 人 们 还 不 能 直 接 用 碳 或 石 墨 来 抽 成 碳 纤 维 ， 只 能 采 用 一 些 含 碳 的 有 机 纤 维（ 如 尼 龙 丝 、 腈 纶 丝 、 人 造 丝 等 ） 做 原 料 ， 将 有 机 纤 维 跟 塑 料 树 脂 结 合 在 一 起 ， 放 在 稀有 气 体 的 气 氛 中 ， 在 一 定 压 强 下 强 热 炭 化 而 成 碳 纤 维 是 纤

5、 维 状 的 碳 材 料 ， 其 化 学 组成 中 含 碳 量 在 90%以 上 。 由 于 碳 的 单 质 在 高 温 下 不 能 熔 化 （ 在 3800K 以 上 升 华 ） ，而 在 各 种 溶 剂 中 都 不 溶 解 ， 所 以 迄 今 无 法 用 碳 的 单 质 来 制 碳 纤 维 。 碳 纤 维 可 通 过 高 分 子有 机 纤 维 的 固 相 碳 化 或 低 分 子 烃 类 的 气 相 热 解 来 制 取 。 目 前 世 界 上 产 生 的 销 售 的 碳 纤 维绝 大 部 分 都 是 用 聚 丙 烯 腈 纤 维 的 固 相 碳 化 制 得 的 。 其 产 生 的 步 骤 为

6、A 预 氧 化 ： 在 空气 中 加 热 ， 维 持 在 200-300 度 数 十 至 数 百 分 钟 。 预 氧 化 的 目 的 为 使 聚 丙 烯 腈 的 线 型 分子 链 转 化 为 耐 热 的 梯 型 结 构 ， 以 使 其 在 高 温 碳 化 时 不 熔 不 燃 而 保 持 纤 维 状 态 。 B 碳化 ： 在 惰 性 气 氛 中 加 热 至 1200-1600 度 ， 维 持 数 分 至 数 十 分 钟 ， 就 可 生 成 产 品 碳 纤 维 ；所 用 的 惰 性 气 体 可 以 是 高 纯 的 氮 气 、 氩 气 或 氦 气 ， 但 一 般 多 用 高 纯 氮 气 。 C 石

7、墨 化 ：再 在 惰 性 气 氛 （ 一 般 为 高 纯 氩 气 ） 加 热 至 2000-3000 度 ， 维 持 数 秒 至 数 十 秒 钟 ； 这样 生 成 的 碳 纤 维 也 称 石 墨 纤 维 。 碳 纤 维 有 极 好 的 纤 度 （ 纤 度 的 表 示 法 之 一 是 9000米 长 的 纤 维 的 克 数 ） ， 一 般 仅 约 为 19 克 ； 拉 力 高 达 300KG/MM2； 还 有 耐 高 温 、 耐腐 蚀 、 导 电 、 传 热 、 彭 胀 系 数 小 等 一 系 列 优 异 性 能 。 目 前 几 乎 没 有 其 他 材 料 像 碳 纤 维 那样 具 有 那 么

8、多 的 优 异 性 能 。 目 前 ， 碳 纤 维 主 要 是 制 成 碳 纤 维 增 强 塑 料 来 应 用 。 这 种 增强 塑 料 比 钢 、 玻 璃 钢 更 优 越 ， 用 途 非 常 广 泛 ， 如 制 造 火 箭 、 宇 宙 飞 船 等 重 要 材 料 ； 制 造喷 气 式 发 动 机 ； 制 造 耐 腐 蚀 化 工 设 备 等 。 羽 毛 球 ： 现 在 大 部 分 羽 毛 球 拍 杆 由 碳 纤 维制 成 。 【 碳 纤 维 】 carbon fibre 含 碳 量 高 于 90 的 无 机 高 分 子 纤 维 。 其 中 含 碳 量高 于 99 的 称 石 墨 纤 维 。 碳

9、 纤 维 的 轴 向 强 度 和 模 量 高 ， 无 蠕 变 ， 耐 疲 劳 性 好 ， 比 热 及导 电 性 介 于 非 金 属 和 金 属 之 间 ， 热 膨 胀 系 数 小 ， 耐 腐 蚀 性 好 ， 纤 维 的 密 度 低 ， X 射线 透 过 性 好 。 但 其 耐 冲 击 性 较 差 ， 容 易 损 伤 ， 在 强 酸 作 用 下 发 生 氧 化 ， 与 金 属 复 合 时 会发 生 金 属 碳 化 、 渗 碳 及 电 化 学 腐 蚀 现 象 。 因 此 ， 碳 纤 维 在 使 用 前 须 进 行 表 面 处 理 碳纤 维 可 分 别 用 聚 丙 烯 腈 纤 维 、 沥 青 纤 维

10、 、 粘 胶 丝 或 酚 醛 纤 维 经 碳 化 制 得 ； 按 状 态 分 为 长丝 、 短 纤 维 和 短 切 纤 维 ； 按 力 学 性 能 分 为 通 用 型 和 高 性 能 型 。 通 用 型 碳 纤 维 强 度 为1000 兆 帕 （ MPa） 、 模 量 为 100GPa 左 右 。 高 性 能 型 碳 纤 维 又 分 为 高 强 型 （ 强 度2000MPa、 模 量 250GPa） 和 高 模 型 （ 模 量 300GPa 以 上 ） 。 强 度 大 于 4000MPa的 又 称 为 超 高 强 型 ； 模 量 大 于 450GPa 的 称 为 超 高 模 型 。 随 着 航

11、 天 和 航 空 工 业 的 发 展 ，还 出 现 了 高 强 高 伸 型 碳 纤 维 ， 其 延 伸 率 大 于 2 。 用 量 最 大 的 是 聚 丙 烯 腈 基 碳 纤 维 。 碳 纤 维 可 加 工 成 织 物 、 毡 、 席 、 带 、 纸 及 其 他 材 料 。 碳 纤 维 除 用 作 绝 热 保 温 材 料 外 ， 一般 不 单 独 使 用 ， 多 作 为 增 强 材 料 加 入 到 树 脂 、 金 属 、 陶 瓷 、 混 凝 土 等 材 料 中 ， 构 成 复 合材 料 。 碳 纤 维 增 强 的 复 合 材 料 可 用 作 飞 机 结 构 材 料 、 电 磁 屏 蔽 除 电

12、材 料 、 人 工 韧 带 等 身体 代 用 材 料 以 及 用 于 制 造 火 箭 外 壳 、 机 动 船 、 工 业 机 器 人 、 汽 车 板 簧 和 驱 动 轴 等 。 碳 纤维 由 聚 丙 烯 腈 纤 维 、 沥 青 纤 维 或 粘 胶 维 等 经 氧 化 、 炭 化 等 过 程 制 得 的 含 碳 量 为 90%以 上 的 纤 维 。 碳 纤 维 目 前 在 替 代 采 暖 材 料 核 心 发 热 体 上 也 有 新 的 贡 献 ， 国 外 ， 在 很 多 节 能 采 暖 设备 的 核 心 发 热 体 上 已 经 由 以 前 普 遍 采 用 的 金 属 材 料 逐 步 升 级 到

13、碳 纤 维 材 料 ， 碳 纤 维 材 料在 采 暖 方 面 的 应 用 主 要 考 虑 利 用 了 材 料 的 耐 腐 蚀 ， 抗 氧 化 （ 金 属 容 易 氧 化 造 成 局 部 击 穿 ）， 高 稳 定 性 ， 寿 命 更 长 （ 很 多 产 品 在 300 摄 氏 度 下 普 遍 能 够 达 到 稳 定 工 作 100000小 时 的 时 间 ） ， 热 转 换 率 高 （ 97 以 上 ） 等 特 点 。 由 于 我 国 在 碳 纤 维 材 料 生 产 研 发 方面 相 对 还 处 在 落 后 的 境 况 ， 高 质 量 的 碳 纤 维 材 料 还 是 依 靠 日 韩 进 口 ，

14、所 以 价 格 居 高 不 下 ，但 随 着 国 内 合 资 、 合 作 形 式 的 出 现 ， 以 碳 纤 维 为 核 心 技 术 的 产 品 却 已 经 走 入 了 寻 常 消 费者 的 家 中 。碳 纤 维 产 品 在 采 暖 方 面 的 应 用 分 了 不 少 形 式 ， 比 如 短 纤 ， 短 切 纤 维 通 常 用 在 如“碳 晶 ”“地 暖 膜 ”等 采 暖 产 品 上 ， 石 墨 类 产 品 在 早 起 的 采 暖 膜 中 应 用 比 较 广 泛 ， 膜 类 产 品除 了 在 采 暖 上 有 所 应 用 ， 在 热 水 器 ， 工 业 设 备 恒 温 环 境 保 障 方 面 应

15、 用 也 是 十 分 广 泛 。碳 纤 维 可 加 工 成 织 物 、 毡 、 席 、 带 、 纸 及 其 他 材 料 。 传 统 使 用 中 碳 纤 维 除 用 作 绝热 保 温 材 料 外 ， 一 般 不 单 独 使 用 ， 多 作 为 增 强 材 料 加 入 到 树 脂 、 金 属 、 陶 瓷 、 混 凝 土等 材 料 中 ， 构 成 复 合 材 料 。 碳 纤 维 增 强 的 复 合 材 料 可 用 作 飞 机 结 构 材 料 、 电 磁 屏 蔽 除 电材 料 、 人 工 韧 带 等 身 体 代 用 材 料 以 及 用 于 制 造 火 箭 外 壳 、 机 动 船 、 汽 车 、 体 育 器 材 、工 业 机 器 人 、 汽 车 板 簧 和 驱 动 轴 等 。 碳 纤 维 也 广 泛 应 用 于 军 用 和 民 用 领 域 ， 比 如 ，碳 纤 维 发 热 产 品 ， 碳 纤 维 采 暖 产 品 ， 碳 纤 维 远 红 外 理 疗 产 品 也 越 来 越 多 的 走 入 寻 常 百 姓家 庭 。 此 外 ， 国 家 的 电 网 电 缆 也 应 用 到 碳 纤 维 材 料 。