碳纤维及其复 合材料 碳纤维概念 碳纤维种类 碳纤维的结构和性能 2、碳纤维复合材料的应用 3、碳纤维复合材料的生产方法 1、概述 概述 CF是有机纤维在惰性气体中经高温碳化而成的 纤维状碳化合物。 或：纤维化学组成中碳元素占总质量90以上的纤 维。 Notes： 只有在碳化过程中不熔融，不剧烈分解的有机纤维 才能作为CF的原料。 有些纤维要经过予氧化处理后才能满足这个要求。 CF分类 按原丝类型 按碳纤维性能 按碳纤维的功能 按制造条件和方法 CF分类方法 按原丝类型分类 聚丙烯腈基 粘胶基 沥青基 木质素纤维基 其他有机纤维基:天然 纤维、再生纤维、缩合多 环芳香族等合成纤维. 按碳纤维 性能分类 高强度CF （HS） 高模量CF （HM） 超高强CF （UHS） 超高模CF （UHM） 高强高模CF 中强中模CF 等 通用级CF：拉伸强度1.4GPa，拉伸模量140GPa 高性能CF 按制造条件 及方法分类 碳纤维：碳化温度12001500oC，碳含量95以上。 活性炭纤维：气体活化法，CF在600 1200oC, 用水蒸汽、CO2、空气等活化。 气相生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有机物在高温 下沉积成纤维晶须或短纤维。 ： 石墨纤维：石墨化温度2000oC以上，碳含量99以上。 石墨：六方晶系 碳纤维：乱层石墨结构 最基本的结构单元：石墨片层 二级结构单元：石墨微晶(由数张或数 十张石墨片层组成) 三级结构单元：石墨微晶组成的原纤维 。直径在50nm左右，弯曲，彼此交叉的 许多条带状组成的结构。 结构和性能 CF由皮层、芯层及中间过渡区组成。 皮层：微晶较大，排列有序。 芯层：微晶减小，排列紊乱，结构不均匀 。 皮芯层结构 结构和性能 化学性能物理性能 碳纤维具有稳定价态 ，具有稳定的化学性 质！ 耐强酸，耐强碱等优 异性能！ 耐高温、耐摩擦 、导电、导热 比重不到钢的1/4 抗拉强度是钢的 79倍 碳纤维的最为突出的主要性能是强度大、模量高和密 度低。此外，还有耐高温可在2000下使用，3000 非氧化气氛中不熔不软；耐疲劳、热膨胀系数小、 摩擦系数小和热传导性好；耐腐蚀方面能耐浓盐酸、 硫酸、磷酸、苯、丙酮等介质的浸蚀；与其它材料相 容性高、与生物的相容性好；又兼备纺织纤维的柔软 可加工性，易于复合，设计自由度大。 由于碳纤维有许多性能上的优势，所以碳纤维 的复合材料现已广泛应用于航空航天、军事、 能源交通、信息通讯和建材等领域。例如，在 航天和军事领域，碳纤维被用来制造航天飞机 的轨道器、火箭和导弹的轻质用材、人造卫星 的各种结构；在航空高新技术应用领域，则被 用来制造电子对撞机的构件、铀的分离与浓缩 、先进客机制造（15%用材）、战斗机轻量化、 制动材料等。 碳纤维布 又称碳素纤维布,碳纤布,碳布,碳纤维织 一 按碳纤 维原丝不同主要可以分为: 1,PAN基碳纤维布(市场上90%以 上为该种碳纤维布);2,黏胶基碳纤维布;3,沥青基碳纤维布 . 二 按碳纤维规格不同主要可以分为: ,1K碳纤维布;,3K碳纤 维布,6K碳纤维布;12K碳纤维布;24K及以上大丝束碳纤维布 。 单向碳纤维布主要用于建筑桥梁加固，提高建筑桥 梁抗震度，市场用的广泛日本东丽UT70-20， 200g/m2,UT70-30，300g/M2。 澳航A380的经济航班碳纤 维如果您有机会去到一澳 航航班的A380飞机上，您 会发现经济舱座位都是碳 纤维！我们收集了几张澳 航的新A380飞机的碳纤维 部件图片和碳纤维的爱好 者一起分享。 有什么比法拉利 F430和兰博基尼 Murcielago LP640 超级跑车快？ Lucra的名字说了很 多。但是，这个代号 为LC470品牌，为碳 纤维汽车爱好者创造 了更多精彩。 伦敦科学博物馆展出碳纤“F1方程式”自行车试想一 下，当我们让F1方程式赛车的设计者来重新设计一 辆自行车的话，那将是什么样子呢？ 现在BERU f1systems，F1方程式价值100万美元赛 车的设计者确实为我们带来一辆出自他们之手的自 行车，名为Factor 001，每辆售价3.4万美元。 碳纤维广泛应于体育用品方面有曲棍球杆、高尔夫球杆、碳纤维滑 雪板、冰壶杆、碳纤维山地自行车等。 碳纤维复合材料在电线电缆中的应用 和同样直径的ACSR电缆相比，可以提供双倍的载流容量。 有效解决电缆下垂问题。 可以在更高的温度下工作，最高可达200摄氏度。 线芯可以抗腐蚀，而且没有双金属间腐蚀问题。 因为可以提供更高的载流容量，所以同时也有效的降低了工程成本。 与相同直径传统电缆相比可以多容纳28%的导体。 高强度线芯可以有效减少电缆架的数量，或降低电缆架的高度。 有效减少电缆下垂，使地面生物更加安全 。 3.碳纤维复合材料的生产方法碳纤维复合材料的生产方法 成型方法： 拉挤法 模压法 缠绕法 目前常见的碳纤维管、碳纤维板等制品，多数为 拉挤法或模压法。 拉挤成形工艺（pultrusion process） 送纱浸胶预成形固化成形牵引恒定截面 型材 设备价低，生产率高，原料利用率高 制品方向性强，剪切强度低 适用于不同界面形状的长条状、板状等型材。 拉挤工艺制品 工艺简单，属经牵引、挤压而固化成材，优点是 可规模化生产，成本较低，一般按照每米、每公 斤来定价；缺点是制品强度不高，只能用于一般 的展示或装饰用途。如需得到高强度的碳纤维制 品，就只能通过模压法、卷制加缠绕等工艺来实 现了。 模压成型工艺（press moulding） 模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活 力的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入 金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。 模压成型工艺按增强材料物态和模压料品种 可分为如下几种 : 短纤维料模压法、 毡料模压法、 碎布料模压法、 层压模压法、 缠绕模压法、 织物模压法、 定向铺设模压法、 预成形坯模压法、 片状模塑料模压法等 。 模压成型工艺的主要优点：生产效率高，便于 实现专业化和自动化生产；产品尺寸精度高， 重复性好；表面光洁，无需二次修饰；能一 次成型结构复杂的制品；因为批量生产，价格 相对低廉。 模压成型的缺点在于模具制造复杂，投资较大， 加上受压机限制，最适合于批量生产中小型复合 材料制品。 树脂配制纤维烘干浸胶胶纱烘干缠绕 固化检验、加工制品 缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、 预浸纱）按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模 ，获得制品。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状 态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。 缠绕成型工艺 1）干法缠绕 干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕 机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。（制品质量稳定，生产率 高；但投资大，层间剪切强度低） （2）湿法缠绕 湿法缠绕是将纤维集束（纱式带）浸胶后，在张力控 制下直接缠绕到芯模上。（劳动条件差，强度大，质量不易控制，不 易自动化；） （3）半干法缠绕 半干法缠绕是纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中， 增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除去，与干法相比，省却了预 浸胶工序和设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。 三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高 性能、高精度的尖端技术领域。 纤维缠绕成型的优点 ： 强度优异 比强度高 可靠性高 生产效率高 成本低 缺点 缠绕成型适应性小，不能缠 任意结构形式的制品。 缠绕成型需要有缠绕机，芯 模，固化加热炉，脱模机及熟 练的技术工人，需要的投资大 ，技术要求高，因此，只有大 批量生产时才能降低成本，才 能获得较的的技术经济效益。