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1、碳纤维复合材料目录概况 构造 用途 优势概况在复合材料人们族中，纤维增强材料始终是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改善，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来理解一下别具特色的碳纤维复合材料。 构造碳纤维重要是由碳元素构成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有明显的各向异性、柔软、可加工成多种织物，沿纤维轴方向体现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。 碳纤维是
2、由含碳量较高，在热解决过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化解决、碳化解决及石墨化等工艺制成的。 碳纤维是一种力学性能优秀的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的79倍，抗拉弹性模量为2300043000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。 用途碳纤维的重要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成构造材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在既有构造材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性
3、等有严格规定的领域，在规定高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。 碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，目前还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的规定日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继浮现，这在技术上是又一次奔腾，同步也标志着碳纤维的研究和生产已进入一种高档阶段。 由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。由于航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。因此，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有
4、一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推动器的核心部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。 目前的F1（世界一级方程锦标赛）赛车，车身大部分构造都用碳纤维材料。顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和构造强度 碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其她材料。老式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构造材料、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
5、船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。 优势1、高强度（是钢铁的5倍） 2、杰出的耐热性(可以耐受以上的高温) 3、杰出的抗热冲击性 4、低热膨胀系数(变形量小) 5、热容量小（节能） 6、比重小（钢的1/5） 7、优秀的抗腐蚀与辐射性能碳纤维百科名片 碳纤维碳纤维 （carbon fibre），顾名思义，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。与老式的玻璃纤维(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，并且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH
6、溶液中，时间已过去20近年，它至今仍保持纤维形态。目录成分构造 化学性质 碳纤维的制备 碳纤维的强伸性能测试 应用领域 产业现状 国产发展 应用发展 现况成分构造化学性质碳纤维的制备碳纤维的强伸性能测试应用领域产业现状国产发展应用发展 现况展开成分构造碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化解决而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观构造类似人造石墨，是乱层石墨构造。 碳纤维是一种力学性能优秀的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的79倍，抗拉弹性模量为230430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到Mpa/(g/cm3)以
7、上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。 综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优秀性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一种复合材料广泛应用的时代。 碳纤维化学性质碳纤维是含碳量高于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
8、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解决。 碳纤维的制备碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、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MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。强度不小于4000MPa的又称为超高强型；模量不小于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还浮现了高强高伸型碳纤维，其延伸率不小于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基
9、碳纤维。 目前应用较普遍的碳纤维重要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造涉及纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。其间随着的化学变化涉及，脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。 碳纤维的强伸性能测试由于原料、模量、强度和最后的热解决温度不同，产生了特性不同的碳纤维，前者硬而脆的常用于复合材料，软而柔顺的常用于纺织；后者多被用于工程用料。由于碳纤维的应用越来越多兼之其特性，碳纤维强力拉伸性能测试的急切性摆在了我们面前。强伸性能实验属于破坏性的，实验完毕试样没有可恢复性，又由于碳纤维分离成为单纤维后来非常脆弱，因此在每次实验过程中，需要细心、耐心，实验前不要对试样导致损伤。一般实
10、验需要得到的技术指标是CV值、平均值等。 碳纤维的拉伸性能测试分单丝法和复丝法。碳纤维分离成为单纤维后来非常脆弱，剪切强度很低，稍有不慎就会断裂，因此在每次实验过程中，需要细心、耐心，不要对试样导致损伤。单纤维强伸性能实验一般采用纸框法固定试样，固然也不排除其她措施。单纤维强伸性能实验要采用能测试碳纤维的高强高模纤维强力仪。 纸框法固定试样，剪取合适长度的该碳纤维实验样品,用钢针沿着纤维方向将其分离，使实验样品蓬松便于抽取。用取样盘来盛取试样，为保证测得成果的精确性，不能对碳纤维导致任何损伤。采用国外原则制作衬纸很麻烦，在实验过程中我用电脑制图找到一种简朴易行的措施。取0.1mm左右厚的打印纸
11、做基片；按图1尺寸用Word制图，划出一种尺寸合适的框，复制满A4纸打印（图1是25mm隔距拉伸尺寸。若50mm隔距拉伸时，裁切线的长度应增长一倍）；直尺放与裁切线吻合后用刀片沿裁切线将实线部分裁除，然后两端贴上5mm宽的双面胶纸；抽取分离的单根碳纤维实验样品，沿中心虚线放上，并用双面胶纸固定。也可以用融化后的松香，将单根碳纤维 “焊接”在纸框上，其“焊点”起到固定单根碳纤维的作用（实验证明：采用“焊接”方式没有双面胶纸固定方式好用，并且夹持试样时要离开“焊点”）；再用810mm宽的纸条，沿着裁切线宽度方向覆盖双面胶纸和实验样品端头，沿剪切线剪切，分离成固定在单个纸框上的待测试样。注意：碳纤维
12、的取样比较困难，特别解决后的碳纤维，很细，也很难辨别是一根还是两根，根据实验中曲线对比进行判断如果记录下的曲线斜率明显不小于其她试样的很有也许是两根纤维，必要时可以用放大镜配合取样。 应用领域碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其她材料。老式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构造材料、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、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。 碳纤维1994年至左右，随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产
13、品也逐渐进入军用和民用领域。目前国内已有使用长纤碳纤维制作国家电网电缆的使用案例多处。同步，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。 碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的核心材料。此前，以美国为首的巴黎统筹委员会(COCOM)， 对当时的社会主义国家实行禁运封锁政策，1994年3月，COCOM虽然已解散，但禁运封锁的阴影仍笼罩在上空，先进的碳纤维技术仍引不进来，特别是高性能PAN基原丝技术，虽然国内进入WTO，形势也不会发生大的变化。因此，除了国人继续自力更生发展碳纤维工业外，别无其他选择。因此，国外特别是碳纤维生产技术领先的日韩等国对中
14、国的碳纤维材料及制品的出口始终保持相称谨慎的态度，只有为数很少的中国公司可以与其建立合伙关系，拥有其产品的进口渠道。 碳纤维广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天等领域。 产业现状目前世界碳纤维产量达到4万吨/年以上，全世界重要是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司以及美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德国SGL西格里集团，韩国泰光产业，国内台湾省的台塑集团，等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术，并且有规模化大生产。 目前，在祖国大陆还没有一种年产100t的规模化碳纤维工厂，大多还处在中试放大阶段。值得一提的是国内台湾省的台塑集团，在80代年中期从美国Hitc
15、o公司引进百吨级碳纤维生产线，经消化、吸取和配套后得到迅速发展，台塑产量增长不久，但碳纤维质量的提高幅度并不大。 国产发展国内对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。近年来进展缓慢，但也获得了一定成绩。进入21世纪以来发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了500吨/年原丝、200吨/年PAN基碳纤维(只有东丽碳纤维T300水平)，使国内碳纤维工业进入了产业化。随后，某些厂家相继加入碳纤维生产行列。据不完全记录，目前，国内已有12家生产规模大小不一(5800吨/年)的PAN基碳纤维生产厂家，合计生产能力为1310吨/年，产品规格为1K、3K、6K、12K。但由于某些公司没有原丝可烧，实际国内碳纤维的总产量局限性40吨/年，并且产品质量不太稳定，大多数达不到T300水平。 可喜的是，从开始国内碳纤维向技术多元化发展，放弃了本来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前运用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。 碳纤维生产线随着近年来国内对碳纤维的需求量日益增长，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品，成为国内新材料行业研发的热点。据不完全记录，目前拟建和在建的碳
