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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划杭州联众纤维复合材料有限公司碳纤维及其复合材料研究进展摘要：本文在对碳纤维介绍的基础上，简单阐述了碳纤维的结构、特性及分类，并着重介绍了碳纤维复合材料的性质、分类、应用及成型方法，包括手糊成型，树脂传递模塑，喷射成型，注射成型，纤维缠绕成型及拉挤成型工艺。关键词：碳纤维；复合材料；分类；成型ResearchprogressofcarbonfibercompositematerialAbstract:Basedontheintroductionofcarbonfiber,briefly
2、discussesthestructure,characteristicsandclassificationofcarbonfiber,andemphaticallyintroducesthepropertiesofcarbonfibercompositematerials,classification,applicationandmoldingmethod,includinghandlay-upmolding,resintransfermolding,injectionmolding,FormingandpultrusionfiberwindingKeywords:carbonfiber;c
3、ompositematerial;classification;molding0.序言碳纤维(carbonfiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。1碳纤维既可用作结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥
4、作用。作为高性能纤维的一种，碳纤维碳材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩目。1.碳纤维的结构、特性以及分类碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。他的比重不到钢的1/4，比铝还要轻，比强度是铁的20倍。同钛、钢、铝等金属材料相比，碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，可以称为新材料之王。它同样具有一般碳素材料的所具有的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素
5、材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。4碳纤维比重小，因此有很高的比强度。因此，碳纤维可以应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、GOLF球棒等体育休闲领域.1碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向。用x-射线和电子显微镜研究发现，真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构，而是属于乱层石墨结构，如图1-1。构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格，由层晶格组成层平面。在层平面内的碳原子以强的共价键相连，其键长为1nm；在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在之间；层与层之间碳
6、原子没有规则的固定位置，因而层片边缘参差不齐。处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同。层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的，键能高，反应活性低；处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子，活性比较高。2图1-1碳纤维结构示意图碳纤维主要具备以下特性:(1)密度小、质量轻,碳纤维的密度为/cm,这除与原丝结构有关外，3主要决定于炭化处理的温度。一般经过高温(3000)石墨化处理，密度可达/cm3。(2)强度、弹性模量高,其强度比钢大4-5倍,弹性回复为100%；(3)热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂；(4
7、)摩擦系数小,并具有润滑性；(5)导电性好,25时高模量碳纤维的比电阻为775cm,高强度碳纤维则为1500cm；(6)耐高温和低温性好,在3000非氧化气氛下不熔化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软也，不脆化；耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。除此之外，碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。2由于原料及其制法不同,碳纤维可以从以下两个方面进行分类:(1)根据碳纤维的力学性能可分为高模量超高模量高强度和超高强4种。(2)根据原丝的类型可分为聚丙烯晴基碳纤维，纤维素基碳纤维，沥青基碳纤维，黏胶基碳纤维三种。3碳纤维主要经过原料的聚合，纺丝，预氧化，炭化
8、和石墨化之后即可制得。聚丙烯腈溶液聚合、乳液聚合、悬浮聚合和本体聚合，通过湿法纺丝或者是干喷湿纺法纺丝制得原丝。黏胶基碳纤维的制备工艺流程具体如图1-2所示。图1-2生产黏胶基碳纤维的工艺流程示意2.碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料的结构与性能纤维增强基复合材料是由碳纤维织物增强碳或石墨化的树脂碳以及化学气相沉积碳所形成的复合材料，简称碳-碳复合材料。它以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性
9、能和热烧蚀性能三个方面。密度低在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200时可保留室温强度；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象，通过表层材料的烧蚀带走大量的热量，可阻止热流入材料内部，C-C材料是
10、一种升华-辐射型材料。5加工方法及工艺研究碳纤维增强复合材料一直是被区分为长(连续)纤维和短纤维来加工的，从典型的300400米到几个毫米分为不同的品级。过去10年中，人们一直在改进不同种类的碳纤维复合材料的性能和加工方法，从短纤维混料注射加工到层压成型，从预浸料处理到模塑法加工，力求为这种性能优良的材料寻找到最佳的加工方法。手糊成型工艺手糊工艺的最大特色是以手工操作为主，适于多品种、小批量生产，且不受制品尺寸和形状的限制。但这种方法生产效率低、劳动条件差，且劳动强度大；制品质量不易控制，性能稳定性差，制品强度较其他方法低。如图2-1所示：图2-1手糊工艺图树脂传递模塑RTMRTM是一种适宜多
11、品种、中批量、高质量符合材料制品的低成本技术。目前，在发达国家里复合材料工业已由“产量大、消费大”步入“个性化、高级化、产量中等”阶段，这也正适合“个性化、高级化、产量中等”要求的树脂传递模塑(RTM)工艺，从而使其获得蓬勃发展。如图2-2所示：图2-2树脂传递模塑成型工艺复合材料基础姓名：梁雨专业：化学学号：XX122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
12、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、130
13、0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
14、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
15、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
