碳纤维复合材料
碳纤维的研究现状与发展
摘要：碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，分子结构界于石墨和金刚石之间，含碳体积分数随品种而异，一般在0.9以上。
关键词：碳纤维复合材料性能与应用
正文
一、碳纤维的性能
1.1分类
根据原丝类型分类可分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基和粘胶基3种碳纤维，将原丝纤维加热至高温后除杂获得。目前，PAN碳纤维市场用量最大；按力学性能可分为高模量、超高模量、高强度和超高强度4种碳纤维；按用途可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维，其中小丝束初期以1K、3K、6K（1K为1000根长丝）为主，逐渐发展为12K和24K，大丝束为48K以上，包括60K、120K、360K和480K等。
1.2性能
碳纤维的主要性能：(1)密度小、质量轻，密度为1.5～2克/立方厘米，相当于钢密度的l/4、铝合金密度的1/2；(2)强度、弹性模量高，其强度比钢大
4-5倍，弹性回复l00%；(3)具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂；(4)导电性好，25。C时高模量纤维为775μΩ/cm，高强度纤维为1500μΩ/cm；(5)耐高温和低温性好，在3000。C非氧化气氛下不融化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，也不脆化；(6)耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。
通常，碳纤维不单独使用，而与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料，该复合材料也具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质，已在现代工业领域得到了广泛应用。
1.3应用领域
由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性，因此被广泛应用于土木建筑、航空航天、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域。此外，碳纤维在电子通信、石油开采、基础设施等领域也有着广泛的应用，主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极，在生化防护、除臭氧、食品等领域种也有出色的表现。碳纤维复合材料片。碳纤维复合材料片是采用常温固化的热固性树脂（通常是环氧树脂）将定向排列的碳纤维束粘结起来制成的薄片。把这种薄片按照设计要求，贴在结构物被加固的部位，充分发挥碳纤维的高拉伸模量和高拉伸强度的作用，来修补加固钢筋混凝土结构物。日本、美国、英国将该材料用于加固震后受损的钢筋混凝土桥板，增强石油平台壁及耐冲击性能的许多工程上，获得了突破性进展。碳纤维复合材料片具有轻质（比重是铁的1/4～1/5），拉伸模量比钢高10倍以上，耐腐蚀性能优异，可以手糊，工艺性好等优点。因此，碳纤维复合材料片在修补加固已劣化的钢筋混凝土结构物（约束裂纹发展、防止混凝土削落）和提高结构物耐力以及对用旧标准设计建成的钢筋混凝土结构物的补强、加固应用将越来越多。
二、生产工艺
通常用有机物的炭化来制取碳纤维，即聚合预氧化、炭化原料单体—原丝—预氧化丝—碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝，其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料，干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法。
2.1干喷湿纺法
干喷湿纺法即干湿法，是指纺丝液经喷丝孔喷出后，先经过空气层(亦叫干段)，再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条，纺出的纤维体密度较高，
表面平滑无沟槽，且可实现高速纺丝，用于生产高性能、高质量的碳纤维原丝。与纯湿纺相比，干喷湿纺可纺出较高密度且无明显皮芯结构的原丝，大幅提高了纤维的抗拉强度，可生产细特化和均质化的高性能碳纤维。
2.2 射频法
PAN原丝经过预氧化、碳化到石墨化，主要受到牵伸状态下的温度控制。在这一形成过程中达到纤维定型、碳元素富集，分子结构从聚丙烯腈高分子结构—乱层的石墨结构—三维有序的石墨结构。国内有自主知识产权的“射频法碳纤维石墨化生产工艺”开辟了碳纤维生产的创新之路，它采用射频负压软等离子法预氧化PAN原丝，接着用微波加热法碳化，最后用射频加热法石墨化形成小丝束碳纤维。
三、碳纤维的发展
3.1国外发展
以PAN碳纤维为例，该纤维国际上研发已有30年左右，目前世界碳纤维的生产能力在3.4～3.8万吨左右，主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家和我国台湾省。日本三家以腈纶纤维为主要产品的公司（东丽、东邦以及三菱人造丝公司）依靠其先进的纺丝科学技术，形成了高性能原丝生产的优势，大量生产高性能碳纤维，使日本成为碳纤维大国，无论质量还是数量上都处于世界前三位，三大集团占据了世界75%以上的产量。
3.2国内发展
我国聚丙烯腈基碳纤维的研究开发始于20世纪60年代，当时由于碳纤维作为重要的军工产品，国外对我国进行严格技术封锁，使得当时我国聚丙烯腈基碳纤维基本上以自主研究开发为主。吉林石化公司在采用硝酸一步法生产原丝的基础上，研究开发出性能基本接近T300的碳纤维，但该法对环境污染较大，因而现已放弃。由于种种原因我国碳纤维发展缓慢，表现为生产规模小、产品质量不稳定、产品规格少、品种单一、没有高性能产品、技术设备落后，大多没有形成规模效益，这些成为制约我国碳纤维发展的瓶颈。
近些年来，随着我国整体实力的不断提升，对碳纤维的需求量也与日俱增，而我国碳纤维现阶段大部分依赖进口，2004年全国碳纤维用量为4000吨，国内实际产量仅为1O多吨，而且无论是质量还是规模与国外相比差距都很大。另据估测2009年我国碳纤维需求将达到7500吨，这表明我国碳纤维严重供不应求。尽管目前国际社会碳纤维的制造技术与产品对华出口有所松动，通用级碳纤维进口渠道已经开通，但高性能碳纤维对我国依然限制。由于我国对碳纤维需求的日益增加，聚丙烯腈基碳纤维又成为国内新材料业研发的热点。
3.3存在问题和差距
一是国内PAN碳纤维总生产能力较小，实际生产量仅30～40吨/年，远远不能满足国内的需要，目前我国95%的碳纤维依靠进口；二是与国际先进水平相比，国产碳纤维强度低，均匀性、稳定性差，毛丝多，品种单一且价格昂贵，发展水平总体落后发到国家近20～30年；三是厂家、装置规模小，技术设备落后，经济效益差。
四、产业分析
4.1世界碳纤维市场
4.1.1世界碳纤维扩产加速
2003年以前碳纤维基本供大于求，属于买方市场，当时工业用普通模量级12K碳纤维价格仅12美元/公斤，但到了2004年形势突变，碳纤维一下子由买方市场变为卖方市场，价格一路攀升，2005年翻了好几倍，2006年更是处于有价无市的情况，这给碳纤维厂家带来了难得的发展机遇。从2004年开始全球碳纤维厂家兴起了一轮扩产热潮。
日本三菱集团也加快了扩产步伐，从2005年到2007年，3年内碳纤维产能将增加72%，接近或赶上东邦的产能。
美国Hexcel公司2005年11月16日宣布在西班牙马德里附近建碳纤维厂，另外美国犹塔工厂也增加碳纤维生产线，产能增加大约50%，即从2270吨/年增
加到3300吨/年，2006～2007年完成。目标很明确，针对A380、A350和B787对碳纤维的大量需求。Zoltek公司2006年1月3日报告，希望碳纤维产能从2006年的4080吨/年增加到2007年8620吨/年。
综上所述，从2005年到2008年全球PAN基碳纤维产能将从34050 吨/年增加到61500吨/年，增长80.6%，平均年增长率20%，详见表8。如此显著的增长速度，将会对供需矛盾产生影响。
4.1.2碳纤维供需状况将趋于缓和
2005年全球碳纤维供小于求，按Chris Red的预测缺口约2000吨，Toray 预测缺口近3000吨，中国台湾台塑预测缺口也有约1000吨，这就是2005年碳纤维紧张的说明。2006年虽然碳纤维厂家纷纷扩产，其供应量应较需求量大，但是扩产部分要到2006年底或2007年初才能上市供应，且超过部分有限，仍不能满足用户要求。因此2006年碳纤维供应仍然紧张。2007年以后全球碳纤维产量将明显增加，扩量部分陆续上市，供应量显著超过需求量，供需矛盾得到缓解，紧张状况将会所改变。
4.2中国碳纤维市场
（1）需求增长快。我国碳纤维现阶段绝大部分依赖进口，2004年全国碳纤维用量为4000吨，2005年用量约5000吨，年增长率在20%以上，到2009年将达到7500吨/年，而国内现有产量仅约40吨左右，无论质量和规模与国外相比差距都很大。
（2）产能瓶颈明显。我国除了华皖碳纤维及少数科研院所具有完整的产业链外，绝大部分企业仅仅具有部分碳纤维及其制品的生产工艺。安徽华皖碳纤维有限公司目前已经顺利完成200吨碳纤维及500吨碳纤维原丝的生产装置的安装，2007年还计划开工建设800吨碳纤维及1800吨碳纤维原丝二期项目。
（3）生产效益大。如果按丙烯腈1.3万元/吨的销售价格计算，大体可以测算出碳纤维原丝及碳纤维的生产成本，分别为4.4万元/吨、18万元/吨。一般
情况下，军工级碳纤维（3～6K）的售价在200万元/吨左右，民用碳纤维（12K）售价为55万元/吨，可见碳纤维的盈利空间还是非常可观的。
五、发展对策和措施
近年来，中国复合材料产业有了很大的进步，已成为碳纤维复合材料应用大国。但是我国大陆碳纤维长期依赖进口，受治于人，面对当前严峻的形势，必须采取行之有效的措施。
（1）坚持自主创新是发展我国碳纤维的唯一出路。碳纤维是军需战略物资，是国防建设、先进武器不可或缺的关键材料，不可能也不应该长期依赖进口。15年前美国国防部就下决心民用碳纤维可以从国外进口，国防工业所需的碳纤维必须国内自行生产。中国更不能长期从国外进口国防工业所需要的碳纤维。德国、法国虽然也生产碳纤维，但是碳纤维的核心原丝技术牢牢掌握在日本人手中，至今德国和法国得不到PAN原丝技术。因此中国不可能引进国外先进的碳纤维制造技术，只能自力更生，依靠自己，别无出路。
（2）坚持应用中改进提高是碳纤维发展的科学规律。
（3）产、研、用密切配合是提高国产碳纤维性能的有效途径。
（4）采取替代材料、混杂技术等措施渡过难关。
参考文献
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碳纤维材料的性能
碳纤维材料的性能及应用 摘要：介绍了碳纤维及其增强复合材料，详细介绍了碳纤维复合材料的分类和特性,着重阐述了碳纤维及其复合材料在高新技术领域和能源、体育器材等民 用领域的应用，并对未来碳纤维复合材料的发展趋势进行了分析。 关键词：碳纤维性能应用 0引言 碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料，不仅在国防战略武器建设中具有不可替代性，在绿色能源建设、节约能源技术发展和促进能源多样化过程中也将发挥极其重要的作用。若将先进碳纤维复合材料在国防领域的应用水平和规模视作国家安全的重要保证，则碳纤维复合材料在交通运输、风力发电、石油开采、电力输送等领域的应用将与有效减少温室气体排放、解决全球气候变暖等环境问题密切相关。随着对碳纤维复合材料认识的不断深化，以及制造技术水平的不断提升，碳纤维复合材料在相关领域的应用研究与装备不断取得进展，借鉴国际先进的碳纤维复合材料应用经验，牵引高性能碳纤维及其复合材料的国产化步伐，对于改变经济结构、节能减排具有重要的战略意义。 1碳纤维材料 1.1何为碳纤维材料 碳纤维是一种含碳量在9 2% 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不仅是21 世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。碳纤维分为聚丙烯睛基、沥青基和粘胶基 3种, 其中90 % 为聚丙烯睛基碳纤维。聚丙烯睛基碳纤维的生产过程主要包括原丝生产和原丝碳化两部分。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料, 广泛应用于航空航天领域体育休闲领域以及汽车制造、新型建材、
《碳纤维复合材料》阅读练习及答案
阅读文章，回答问题。 碳纤维复合材料 ①2018年11月6日，两年一度的珠海航展上，中俄合作研制的280座远程宽体客机CR929，以1：1的展示样机首次亮相国际航展。在这款最新一代的大型飞机上，复合材料的使用比例有望．．超过50%。同样，在去年5月5日首飞的C919大客机上，使用的复合材料占到飞机结构重量的12%。这里的复合材料，主要就是碳纤维复合材料。 ②碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必 不可少的战略基础材料。它不存在腐蚀生锈的问题。由于使用碳纤维材料可以大幅降低结构重量，因而可显著提高燃料效率。采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的卫星、火箭等宇宙飞行器，噪音小，质 量小，动力消耗少，可节约大量燃料。 ③碳纤维还是让大型民用飞机、汽车、高速列车等现代交通工具 实现“轻量化”的完美材料。航空应用中对碳纤维的需求正在不断增多，新一代大型民用客机空客A380和波音787使用了约为50%的碳纤维复合材料。这使飞机机体的结构重量减轻了20%，比同类飞机可节省20%的燃油，从而大幅降低了运行成本、减少二氧化碳排放。碳 纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻、强度大。它的重量仅相当 于钢材的20%到30%，硬度却是钢材的10倍以上。所以汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化取得突破性进展，并带来节省能源的社会效益。 ④随着航空航天、汽车轻量化、风电、轨道交通等行业领域对碳
纤维的需求爆发，碳纤维工业应用开始进入规模化生产。业内预测， 预计到2020年，全球碳纤维需求量将超过16万吨，到2025年，将超过33万吨。面对如此巨大而重要的市场，国内企业既要通过掌握 关键技术来实现碳纤维的稳定批量生产和大规模工程化应用，同时也要瞄准国产新一代碳纤维及其复合材料及早研发和布局，2016年2月15日，中国突破日本管制封锁研制出高性能碳纤维。2018年2月，中国完全自主研发出第一条百吨级T1000碳纤维生产线，这标志着我国已经牢牢站稳全球高端碳纤维市场的一席之地。 101．阅读选文第①段和第③段，回答问题。 （1）选文第①段加点词“有望”能删去？请说出理由。 （2）选文第③段画线句运用了哪些说明方法？有何作用？ 102．随着科学技术的发展，请你设想一下生活中将会有哪些碳纤维 复合材料的产品。 【答案】 101．（1）不能删去，“有望”是有希望的意思，说明“在这款最新 一代的大型飞机上，复合材料的使用比例”未来有希望超过“50%”，该词体现了说明文语言的准确性和科学性。 （2）列数字、作比较，具体准确地说明了碳纤维作为汽车材料，最 大的优点是质量轻、强度大。 102．碳纤维复合材料制成的羽毛球拍、登山器械等体育休闲用品； 汽车、地铁等交通工具；以及碳纤维复合材料制成的衣服、家具等日
碳纤维复合材料结构设计要点
强度与刚度 既然是结构部件，那么设计者首先要考虑的是强度和刚度。部件在外力载荷的作用下，有抵 抗变形与破坏的能力，但是这个能力又是有限度的。 如何4定部件的使用载荷，不会超出部件的能力极限，是通过材料力学计算得出。而部件的 这个能力极限，就是碳纤维复合材料结构设计者需要考虑的问题。 通过合理的搭配纤维和树脂，优化纤维排布，用最少的材料，满足设计需求，体现了复合材 料设计者精湛的技巧。不过决定复合材料强度与刚度的因素，不但与纤维和树脂的种类有关，还与碳纤维的铺层方向以及层与层之间结合搭配有关。 所以，设计者在设计碳纤维复合材料结构部件时，需要考虑三个层级结构的力学性能。 由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各 相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能。 由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的 厚度、铺设方向、铺层序列) 。 最顶层结构是指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结 构几何。 稳定性 除了强度与刚度要求，设计者还需考虑复合材料部件的失稳，尤其是对一些细长杆结构，在 受压时，应该能够保证其原有的直线平衡状态。对于一些框架结构部件，如果铺层不均匀， 也会产生翘曲失稳，所以在制造过程中尤其注意。最好采用对称铺层，以防变形不均匀。 一般情况下，在部件没有达到极限载荷之下，不允许产生失稳现象。但是如果对于一些特殊 要求，可以产生失稳现象，那么设计过程中，要考虑失稳过程不会因此影响极限载荷。 铺层结构 铺层结构是碳纤维复合材料结构设计的关键，如何把单层结构的优异性能传递到复合材料结 构部件上，铺层结构起到承上启下的作用。关于复合材料铺层应注意以下几点： 1. 树脂是碳纤维复合材料力学性能的短板，所以尽量避免将载荷直接加到层间或者树脂之间。也就是说，0°、±45°、90°的纤维都要有，否则载荷会将部件从没有纤维排布的方向撕裂。 2. 为了防止层合板边缘开裂，尽量避免重复单一方向的铺层，设计时最多不超过5层。 3. 为了防止最外层铺层的剥离，在部件的主载荷方向，应铺放±45°纤维，而不能铺放0°和90°纤维。另外，避免最外层铺层间断或不完整。 4. 若使用非对称铺层，每层因同方向上热膨胀系数不同会出现翘曲，因此，一般要采用对称 铺层。 5. 当增加补强铺层时，每层阶梯最少要3.8- 6.4mm，附加铺层也应尽量采用对称铺层。
碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势
国内外碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势 自上世纪60年代碳纤维首次商业化以来，产业规模不断扩大，产品品质不断提高，2014年全球碳纤维产能（365天连续生产12K/24K 碳纤维丝束计算）已达到12.6万吨。尽管碳纤维与传统的玻璃纤维在价格上仍不能相比，但高性能碳纤维以其高比强度、高模量、可设计、防腐蚀和抗疲劳等突出特点，具有玻璃纤维所不能比拟的优势，已成为发展先进武器装备的关键材料，并在航空航天、国防军工、风能产业、土木工程、体育休闲等领域得到了广泛应用。 当前，国际复合材料产业呈现蓬勃发展态势，据估计，未来5年，先进复合材料将以每年5%的增速发展，而随着民用航空、汽车工业等领域的快速发展，全球高性能碳纤维需求量的年增幅可达10%，亚太地区将会有更高的增长率，即碳纤维及其复合材料产业将面临前所未有的发展空间和机遇。 因此，在目前碳纤维产业快速发展的关键时期，我们更应该认清国际碳纤维产业的发展形势、对照国外先进企业找差距找问题，通过理性思考寻求解决途径，适时把握发展机遇，落实行动、注重实效，努力推进国内碳纤维及其复合材料产业的健康快速发展。 1、国外碳纤维产业现状及发展趋势 1）产业方面 根据前躯体原料的不同，碳纤维可分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基和粘胶基碳纤维等。由于粘胶基碳纤维在制备过程中会释放出毒
性物质二硫化碳，且工艺流程长、生产成本高、整体性能不高，因此目前，国际碳纤维产业领域，前两种碳纤维获得了更大规模的生产和应用。其中，PAN基碳纤维又占据绝对优势，国际市场占有率超过90%。PAN基碳纤维的九大生产商包括：日本东丽、东邦、三菱丽阳、美国赫氏（Hexcel）、氰特（Cytec）、卓尔泰克（Zoltek，已被东丽收购）、台塑、土耳其阿克萨（AKSA）和德国西格里（SGL）。沥青基碳纤维的生产和应用居其次，主要生产企业三家，分别是Cytec、三菱塑料和日本碳素纤维。 PAN基碳纤维分为小丝束（1-24K）和大丝束（36K及以上）两类。全球小丝束碳纤维市场主要被日本东丽、东邦、三菱丽阳三家公司所垄断，而来自中国、土耳其和韩国的企业，正不断扩充小丝束的全球产能，同时也降低了三家日本公司的市场份额。 大丝束碳纤维生产商主要有Zoltek、SGL和三菱丽阳三家。另外，中国国企蓝星集团英国分公司拥有大丝束碳纤维原丝的供应能力，Cytec于2014年与德国腈纶企业合作开展低成本大丝束碳纤维的研制开发。预计在未来10年中，其它制造商也会陆续加入大丝束碳纤维生产领域。 为满足高速发展的航空航天与汽车市场对碳纤维的需要，几乎所有的碳纤维巨头都宣布了扩产计划。例如，日本东丽拥有以日本本土为核心的日美法韩4个生产基地，目前已形成11000～12000吨/年的T700S和4500吨/年的T800碳纤维生产能力，并宣布PAN基碳纤维的总产能于2015年达到27100吨，2020年扩大至50000吨。另外，Hexcel
碳纤维及其复合材料的发展及应用_上官倩芡
第37卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.37,N o.3 2008年6月J ou rnal of ShanghaiNor m alUn i versity(Natural S ci en ces)2008,J un 碳纤维及其复合材料的发展及应用 上官倩芡,蔡泖华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘要:叙述了碳纤维的结构形态、分类以及在力学、物理、化学方面的性能,介绍了碳纤维增强复合材料的特性,着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择和应用,指出了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势. 关键词:碳纤维;复合材料 中图分类号:O636文献标识码:A文章编号:1000-5137(2008)03-0275-05 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.此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1~3].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作用.因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速.本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍. 1碳纤维特性、结构及分类 碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000e以上的高温下碳化形成,且含碳量在90%以上的高性能纤维材料.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1.5~2g/c m3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;o强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复为100%;?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;?摩擦系数小,并具有润滑性;?导电性好,25e时高模量碳纤维的比电阻为775L8/c m,高强度碳纤维则为1500L8/c m;?耐高温和低温性好,在3000e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[4~7].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. 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、电子衍射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[8],如图1所示.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0.1421n m;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360~0.3440n m之间;层与层之间碳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 收稿日期:2008-01-04 基金项目:上海市教委科研基金项目(06D Z034). 作者简介:上官倩芡(1974-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.
2016-2020中国碳纤维复合材料行业发展前景预测分析报告
深圳中企智业投资咨询有限公司
2016-2020年中国碳纤维复合材料行业发展前景 预测分析 (最新版报告请登陆我司官方网站联系) 公司网址: https://www.sodocs.net/doc/718895466.html, 1
目录 2016-2020年中国碳纤维复合材料行业发展前景预测分析 (3) 第一节2016-2020年中国碳纤维复合材料行业发展预测分析 (3) 一、未来碳纤维复合材料发展分析 (3) 二、未来碳纤维复合材料行业技术开发方向 (3) 2、自动化生产 (3) 3、大规模生产 (3) 4、碳纤维复合材料废旧部件的再生回用技术 (4) 三、总体行业“十三五”整体规划及预测 (4) 第二节2016-2020年中国碳纤维复合材料行业市场前景分析 (4) 一、产品差异化是企业发展的方向 (4) 二、渠道重心下沉 (5) 2
2016-2020年中国碳纤维复合材料行业发展前景预测分析 第一节2016-2020年中国碳纤维复合材料行业发展预测分析 一、未来碳纤维复合材料发展分析 碳纤维复合材料作为新兴的非金属材料具有广阔的应用前景。首先其广泛的应用于航空、航天等军事领域，并随着在军事领域应用的不断深入，相关的制造及使用技术日臻成熟，从而带动了碳纤维复合材料在民用领域应用的极大发展，主要应用在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等方面，并正在快速的取代传统金属材料成为结构用材的首选。 二、未来碳纤维复合材料行业技术开发方向 1、3D打印成型技术 3D打印技术技术是有望成为高效低成本制备各种碳纤维复合材料结构部件的创新工艺，为此近年来企业界、大学、科研院所、政府机构等，都在安排研发和改进3D打印技术，并取得了产业化成果。以往制备塑料和金属的3D打印机部件，能耗较高，尺寸有限，而应用于碳纤维复合材料时，不仅部件强度与刚性可提高，还可提高导热性和降低热膨胀系数，因此无需使用炉子，可消除所有尺寸限制。 2、自动化生产 汽车生产厂家现都采用机器人组装相对小和固定形状的部件，但这些机器人并不能加工大型碳纤维复合材料部件，因为这些部件缺乏形状固定性，因而多采用手铺制造和热压罐固化。如何加工大型碳纤维复合材料是未来重要的技术开发方向之一。 3、大规模生产 5年前日本公司在市场上导入了“Sereebo”长碳纤维增强热塑性树脂（CFRTP），并与GM汽车公司等合作开发其潜在市场。其中碳纤维的分布和取向是可控的，基材的各向同性可保持到最终部件，成型时间只有60s，它比铝合金轻20%～30%，并具有更好的耐疲劳性和抗冲击性而价格略高些，适用于汽车结 3
大丝束碳纤维复合材料力学性能研究
第２８卷第６期２００３年１２月高斟拉纤维与应用 Ｈｊ妇ｈ Ｆｉｂｅｒ＆ＡｐｐＪｉｃ州ｏｎ Ｖ０１．２８．Ｎｏ．６ Ｄｅｃ。２００３ 大丝束碳纤维复合材料力学性能研究 刘宝锋１，陈绍杰‘，李佩兰１ （１．北京航空材料研究院，北京１０００９６；２．沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳ｌｌ００３５） 摘要：本文研究了大丝柬碳纤维（４８Ｋ）复合材料的常规力学性能及耐湿热性能，并与小韭束碳纤维（髓００。３Ｋ）复合材料进行了对比，研究结果可为太丝束复合材料在航空器的次承力件或非承力件的应用提供技术基础．关键词：大丝束碳纤维（４８Ｋ）：复合材料；力争】生能 中图分类号：Ｔ０３”３文献标识码：Ａ文章编号：１００７－９８１５（２００３）０６删８．０４ 刖舌 由于大丝束碳纤维（≥４８Ｋ）具有价格低、来源容易、性能与１２Ｋ碳纤维相当等优点，其复合材料在钓鱼竿、高尔夫球杆、建筑补强、天然气储罐、医疗器械等方面应用广泛”…，随着大丝束碳纤维价格的进一步降低，其应用领域将不断扩大。 目前，航空航天领域所用复合材料主要使用３Ｋ—１２Ｋ碳纤维，还未见有大丝束碳纤维在此领域应用的报道。它能否在航空航天领域应用的关键决定于其复合材料的力学性能及其稳定性。 本文结合实际科研工作，利用自行研制的高温固化（１８０℃）树脂体系５２２２Ｂ和国外进口的４８Ｋ碳纤维制成预浸料，并对复合材料层合板力学性能进行了研究。测试了大丝束复合材料单向板和多向板的拉伸、压缩、弯曲、剪切性能及湿热老化性能，并与小丝束碳纤维（Ｔ３００—３Ｋ）复合材料的相应性能进行了对比，将为大丝束碳纤维复合材料在航空航天领域的应用提供技术依据。 １实验部分 １．１主要原材料 ５２２２Ｂ高温固化改性环氧树脂体系，浅黄色粘稠体，靠为２２２℃，北京航空材料研究院自行 研制。 ＰＡＮＥｘ３３．４８Ｋ碳纤维，性能见表ｌ，美国ｚｏＬＴＥＫ公司制造。 １．２试验方法 （１）预浸料树胎含量或面密度，按ＧＢ厂ｒ７１９２．１９８２进行。 （２）拉伸性能，按ＧＢ厂ｒ３３５４—１９８２进行。 （３）压缩性能，按ＧＢ／Ｔ３８５６－１９８３进行。 “）面内剪切强度、模量，按ＧＢ厂ｒ３３５５．１９８２进行。 （５）弯曲性能，按ＧＢ厂ｒ３３５６．１９８２进行。 （６）层问剪切强度，按ＪＣ厂ｒ７７３．１９８２（１９９６）进行。 １．３制备大丝束碳纤维预浸料 先用１．２２ｍ热熔胶膜机制备３２０ｍｍ幅宽、外观均匀平整的５２２２Ｂ树脂胶膜，然后将胶膜再与４８Ｋ碳纤维在１．２２ｍ热熔预浸机上进行复合浸渍，通过调整预浸温度、压力、速度、纤维张力等工艺参数，制出幅宽３００ｍｍ的４８Ｋ碳纤维预浸料，其纤维面密度为（１３０±５）ｇ，秆，预浸料树脂质量分数。为（３８±３）％，预浸料外观均匀、平整、无干纱。 １．４制备大丝束复合材料层压板 将１６层的４８Ｋ碳纤维预浸料按Ｏ。方向铺贴成单向板；将２０层４８Ｋ碳纤维预浸料按ｆ４５。／Ｏ。＾４５。／９０。／４５。／０。／－４５。／０。／４５。／－４５。ｌ。铺贴成多向板后，分别在热压机上模压成型。所制 收稿日期：２００３－ｌｌ—１２；修定日期：２∞３－１２一０５ 作者简介：刘宝锋【１９６７一），男，高级工程师，主要从事复合材料树脂基体及预浸料研制开发工作．
碳纤维增强复合材料概述
碳纤维增强复合材料概述 摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituent materials），它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8 μm 内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、
碳纤维复合材料在新能源汽车行业中的应用
近几年来，随着低碳环保意识、高新技术的不断发展，尤其是当前汽车轻量化的发展环境中，碳纤维复合材料（CFRP）凭借其超强韧性、能量吸收性能、轻柔性、结构稳定、耐腐蚀与耐高温等特性，成为了当下汽车产业的原材料首选，在汽车上的应用日渐普及。本文将对碳纤 维复合材料（CFRP）所具有的特性、及其在汽车行业的运用情况进行了深入探讨，力求为碳纤维复合材料（CFRP）的未来运用提供一定的参考。 0 引言 随着社会经济的快速发展，低碳节能、高效低成本已经成为各个行业市场竞争的必然选择，低碳环保、节能减排也是当前政府非常重视与强调的，尤其是工业生产与汽车产业。在政府、社会相关宣传与个人环保意识不断提升的推动下，汽车等相关领域不断创新与发展，为新型 低成本三维复合材料带来发展契机。碳纤维复合材料不仅具有良好的性能，诸如：超强韧性、能量吸收性能、轻柔性、结构稳定、耐腐蚀与耐高温等，在提升性能方面具有不可替代作用，还能降低车身的总体成本，非常有利于汽车赢得消费者的青睐并抢占更多的市场份额。碳纤 维复合材料在汽车车身中的运用已经成为世界各国争相发展的一门关键技术，尤其是具有成 熟汽车产业市场的欧美国家与日本，这些国家各大车厂在进行汽车生产的过程中都大量选用 了碳纤维材料，实现优化车体结构、降低汽车车身生产成本以及提高汽车性能的目标。 本文将深入探讨碳纤维复合材料的特性及其在汽车行业运用现状，结合碳纤维复合材料在 汽车行业中的运用实例，分析碳纤维复合材料所具有的优势，展望碳纤维复合材料在汽车行 业中的运用前景。 1 碳纤维复合材料《CFRP）介绍 1.1碳纤维复合材料概念 碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新 型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处 理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且 具有耐腐蚀、高模量的特性。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可 加工性，是新一代增强纤维。碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成的结构材料简称 碳纤维复合材料。 1.2碳纤维复合材料的特征 （1）超强抗拉弹性 碳纤维复合材料具有超强抗拉弹性，通常情况下高于3 500 MPa、这种强度是钢铁的7倍。另外，不但抗拉弹性远远高于钢，其比模量也远远高于钢。 （2）耐高温、耐腐蚀 相较于其他的材料而言，CFRP具有轻量化、刚强、柔韧性外，还具有耐高温、耐腐蚀、 耐疲劳等超强性能。除此之外，独特的碳结构让其拥有大面积的整体成型特征，同时，它还 拥有良好的稳定性与设计可塑造性，正是这些独有的特征让其可以在车轻量化实现线性增长。 （3）能量吸收性能优越 优越的能量吸收性能是CFRP材料在汽车中被广泛运用的主要原因。CFRP材料是同类的 钢质零部件质量的一半不到，是同类铝制零部件质量的70％左右，质量轻，还能抵抗更大的 冲击，足见CFRP材料的优越性。 1.3碳纤维复合材料发展历史与发展现状 从20世纪70年代开始，CFRP材料开始受到世界各国相关研究人员的关注。在国内的发
碳纤维复合材料
碳纤维复合材料 编辑本段概况 在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。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，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。 编辑本段结构 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。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。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。 碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。 碳纤维是一种力学性能优异的新材料，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7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa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2000Mpa/(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。 编辑本段用途 碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、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，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。
碳纤维及其复合材料的发展和应用(精)
·开发与创新· Development and Applications of Carbon Fiber and Its Composites GAO Bo ,XU Zi-Li (Wuhan Textile University ,Wuhan Hubei 430073,China Abstract:This paper introduces performance and features of carbon fiber,briefly overviews the history,including both foreign and domestic.And analyses the properties and applications of carbon fiber composite material,emphasizes the related performance that carbon fiber adds to the metal matrix composites and points out its research prospects.Key words:carbon fiber ;composite ;metal matrix 0引言 碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,是由有机母体纤维(聚丙烯睛、粘胶丝或沥青等采用高温分解法在1000~3000℃高温的惰性气体下碳化制成的。它是一种力学性能优异的新材料,比重不到钢的1/4,能像铜那样导电,比不锈钢还耐腐蚀,而其复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa 以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa ,也高于钢。碳纤维按其原料可分为三类:聚丙烯腈基(PAN 碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维三类。其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广,需求也最大[1]。 1碳纤维的发展史 1.1国外碳纤维的发展历史 20世纪50年代美国开始研究粘胶基碳纤维,1959 年生产出了粘胶基纤维Thormel-25,这是最早的碳纤维产品。同一年,日本发明了用聚丙烯腈基(PAN 原丝
碳纤维复合材料
碳纤维复合材料 碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料。 碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。 (1)密度低(1.7g/cm3左右)在承受高温的结构中，它是最轻的材料;高温的强度好，在2200oC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。 (2)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。 (3)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材料是一种升华-辐射型材料。 复合原理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。 碳纤维增强尼龙的特色 碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特色，与玻璃纤维比较，模量高3?5倍，因而是一种取得高刚性和高强度尼龙资料的优秀增强资料。碳纤维复合资料可分为长（接连）纤维增强和短纤维增强两大类。纤维长度可从300~400m 到几个毫米不等。曩昔10年中，大家在改善不一样品种的碳纤维复合资料加工办法和功能方面投入了许多的研讨。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型，在碳纤维复合资料及制品制造方面积累了许多成功的经历。当前普遍认为，长（接连）纤维有高强、高韧方面的优越性，短切纤维有加工性好的特色。因而，长碳纤维复合资料在加工上完善成型技术、短碳纤维复合资料进一步进步力学功能是碳纤维复合资料开展的方向。 依据碳纤维长度、外表处理方式及用量的不一样，还能够制备归纳功能优秀、导电功能各异的导电资料，如抗静电资料、电磁屏蔽资料、面状发热体资料、电极资料等。碳纤维增
国内外碳纤维企业大汇总
国内外碳纤维企业大汇总 分享到：0分享到微信朋友圈打开微信。点击“发现”， 使用“扫一扫”即可将网页分享至朋友圈。 发布日期：2016-08-09 17:59 来源：碳纤维资讯世界碳纤维的生产主要集中在日本、英国、美国等少数发达国家和我国的台湾省。 碳纤维原丝原料主要有三种：粘胶丝、聚丙烯腈、沥青。 其中，以聚丙烯腈为原料的碳纤维占市场份额75%，技术主要集中在日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝，美国的ZOLTEK、阿克苏、ALDILI 等手中。 国际上，碳纤维最大生产商东丽、东邦人造丝、三菱人造丝的产量合计占全球产量的一半。 今天为大家盘点一下国内外的碳纤维企业。 1. 日本东丽工业株式会社 日本东丽株式会社设立在日本东京中央区日本桥，创立于1926年1月，是一家以合成纤维，合成树脂起家，现设计涵盖各种化学制品，信息相关素材的大型化学企业。 公司主要生产尼龙、聚氨酯、长丝纱丙烯酸纤维、短纤维、聚酯纤维、丙烯酸纤维、人造纤维与塑料产品原材料、碳纤维、碳纤维合成材料以及注塑产品等。 2. 日本东邦人造丝公司 东邦人造丝公司成立于1950年7月，本部位于东京都中央区日本桥3-3-9西川大厦，主产丙烯酸、人造丝，PAN系碳纤维等。 3. 日本三菱丽阳株式会社 三菱丽阳株式会社是日本最大的腈纶纤维生产商，该公司主要生产化学品，塑料和纤维。除了主要acryrilic纤维外，三菱人造丝也是一种高尔夫球杆顶部材料。 4. 美国卓尔泰克公司 美国卓尔泰克公司（Zoltek）是世界领先的碳纤维生产厂家，年产13000吨碳纤维，及4000吨予氧丝。 碳纤维广泛应用于风力发电，基础设施等。公司还生产碳纤维予浸料，多轴布，符合各种工程塑料用的短切碳纤维，预氧丝。 5. 台湾塑料工业股份有限公司 公司成立于１９５４年，在纤维制品方面，包括亚克力棉、碳素纤维，其中亚克力棉年产能
国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向
--] 诺贝尔学术资源网->材料资源->《转》国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向[打印本页] 登录->注册->回复主题->发表主题 romanceliu 2008-01-15 17:37 查看完整版本: [-- 《转》国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向 一．国外情况 １９９６年世界碳纤维生产能力１５０００ｔ，实际产量约１００００ｔ左右，其中日本约占６０％。日本有三家大公司从事碳纤维的生产、研究和开发，东丽公司、东邦人造丝公司和三菱人造丝公司是世界著名的碳纤维生产企业，它们都在积极扩展碳纤维生产，继续加强其在世界市场上的主导地位，并纷纷实现从原丝到下游复合材料一体化的配套生产体制，碳纤维及其下游产品己成为这些公司的支柱产业和新的经济增长点。 随着航空航天飞行器各项性能的不断提高，对结构件用材料的性能要求也越来越高。今后日本先进复合材料的发展方向是：在增强材料方面，进一步提高碳纤维的强度和模量，降低成本；在树脂基体方面，主要提高树脂的冲击后压缩强度和耐湿热性；在复合材料成型技术方面，进一步实现整体成型技术、固化监控、自动化技术及三维复合材料技术，从而同时提高复合材料性能降低制造成本。 美国是碳纤维生产大国，更是消费大国，世界碳纤维４０％以上的市场在美国。美国１９９６年碳纤维生产能力约为４５００ｔ，其中卓尔泰克（ＺＯＬＴEＫ）公司１９９７年在美国德克萨斯州的亚平伦城和匈亚利的布达佩斯附近建了５条碳纤维生产线，１９９７年的总生产能力达３０００ｔ左右，一跃成为世界上生产碳纤维的最大集团之一。 它的产品有许多特色，最主要是低成本、低价格、大丝束、采用纺织用的丙烯酸原丝和开发工业级碳纤维等。该公司生产的碳纤维价格已降至１７.６４＄/ｋｇ，而日本东丽同类产品大约３０＄／ｋｇ。在应用方面，美国摩里逊（Ｍｏｒｉｓｏｎ）公司为达纳（Ｄｃｎａ）公司生产汽车传动轴，供通用汽车公司用；采用碳纤维复合材料可使原来由两件合并成一个传动轴简化成单件，与钢材料相比，可减重６０％。美国斯道顿复合材料公司（Ｓｔｏｕｇｈｔｏｎ）开发碳纤维复合材料集装箱，重量轻、耐磨，在碳纤维价格降至１７.６＄/ｋｇ时，此集装箱的价格可与金属集装箱竞争。
碳纤维及复合材料的种类、制备和应用
碳纤维及复合材料的种类、制备及应用 杨晨材研0906 （北京化工大学材料学院，100029） 摘要：本文主要陈述总结了复合材料及其碳纤维的种类、制备及应用方面的相关知识。 关键词：碳纤维；复合材料；种类；制备；应用 1.复合材料 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。具有比强度高，比模量高，剪切强度和剪切模量高，高温性能高，耐热性高等特性广泛应用于各个领域。 1.1种类 复合材料按其性能高低可分为常用复合材料和先进复合材料；根据其用途可分为结构复合材料和功能复合材料；按照复合方式可分为宏观复合材料和微观复合材料。根据不同增强体形式可分为纤维复合材料、颗粒复合材料、片材复合材料和叠层复合材料。还有，可以根据基体材料的不同细分为：聚合物基复合材料、金属基复合材料和无机非金属基复合材料。本文主要以基体材料的细分方式介绍复合材料的制备及其应用。 其生产流程见图1.1。 图1.1 复合材料制品的生产流程图 1.2聚合物基复合材料 聚合物基复合材料是聚合物或俗称树脂作为基体与粒状、片状、纤维状填充组分作为增强体的复合材料。按基体的不同还可以分成热固性树脂基、热塑性树脂基和橡胶基。
1.2.1制备 其主要制备方法有：预浸料、手糊成型工艺、喷射成型、袋压成型、模压成型、纤维缠绕成型、拉挤成型、熔融流动成型、增强反应注射成型和树脂传递模塑。 1.2.2应用 聚合物基复合材料在建筑、化学、交通运输、机械电器、电子工业及医疗、国防、航天航空及火箭等领域都有广泛应用。如手糊成型制得的广播卫星抛物面天线、太阳能电池帆板；纤维缠绕成型可制得雷达罩、火箭发动机壳、压力容器；模压成型制得的整体浴室和汽车保险杠等等。 1.3金属基复合材料 金属基复合材料是以金属、合金和金属间化合物为基体，以无机纤维和金属间化合物等为增强体，通过浸渗、固结工艺制成的复合材料。根据其基体的种类可细分为轻金属基、高熔点金属基和金属间化合物基。 1.3.1制备 金属基复合材料的主要制备工艺方法有：固相法、液相法和原位复合法。固相法主要有粉末冶金、固态热压法、热等静压法；液态法主要有真空压力浸渍法、挤压铸造法；原位复合法主要包括共晶合金定向凝固、直接金属氧化物法、反应生成法。 1.3.2应用 金属基复合材料主要可应用于航天、航空、汽车、医疗、体育用品等领域。如航天飞机中段主机身的B/Al关键桁架、臂状支柱；齿轮；高尔夫球杆击球头及各种支架等等。 1.4无机非金属基复合材料 无机非金属复合材料主要有陶瓷基复合材料、水泥基复合材料和碳基复合材料。 1.4.1陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料是以陶瓷材料为基体，并以陶瓷、碳纤维和难熔金属的纤维、晶须、晶片和颗粒为增强体，通过适当的复合工艺所构成的复合材料。主要可细分为高温陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料和玻璃陶瓷基复合材料。 其制备工艺主要有：粉末冶金法(颗粒）、浆体法（液体法）、热压烧结法、液态浸渍法、直接氧化法、溶胶-凝胶法、化学气相浸渍法（CVI）、先驱体转化和反应熔融浸渗（RMI）等。 陶瓷基复合材料可应用于切削工具方面及航空航天领域的研究。如刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强炭化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。
碳纤维复合材料连接技术研究
碳纤维复合材料连接技术研究 发表时间：2019-04-19T14:49:10.037Z 来源：《基层建设》2019年第6期作者：陈鹏朱波[导读] 摘要：本文综述了碳纤维复合材料的各种连接方式、连接技术优缺点及国内外学者对连接技术的研究现状。 贵州航天天马机电科技有限公司贵州遵义 563000 摘要：本文综述了碳纤维复合材料的各种连接方式、连接技术优缺点及国内外学者对连接技术的研究现状。未来新型连接技术的研究及计算材料学（有限元法、有限差分法等）在碳纤维复合材料连接中的应用是该领域研究的主要内容。相信随着技术的不断发展进步，轻量化、高可靠性、耐高温、低成本的碳纤维复合材料连接技术也会应运而生。 关键词：碳纤维复合材料；连接技术；应用 1碳纤维复合材料的常用连接方法 复合材料零部件之间以及复合材料和金属零部件之间通常用三种连接方式：胶接、机械连接、混合连接等。简介如下： 1．1胶接 胶结是通过胶粘剂将两个或者多个构件的结合面进行连接在一起。它是复合材料连接中较普遍采用的一种连接方式。［2］其主要优缺点如下：胶结的优点：（1）可避免因制孔而引起的应力集中，层压板强度受影响；（2）连接效率高、结构轻，连接件成本较低；（3）抗疲劳、减振、密封及绝缘性能好；（4）可获得光滑的气动表面；（5）无不同材料间的电化学腐蚀问题。胶结的缺点：（1）缺少可靠的检测方法，胶结质量难以控制，且可靠性不高；（2）胶结强度分散大，剥离强度较低，难以传递较大载荷；（3）胶结前对表面处理的要求比较严格；（4）胶结是不可拆卸的永久连接，材料回收难度大；（5）不适用于较厚的结构和传递较大的载荷；（6）胶结固化会产生较大的残余应力。 1．2机械连接 机械连接主要是用紧固件将两个零部件连接在一起，比如螺栓、铆钉和特殊紧固件等。其中螺栓连接属于可重复拆卸式连接，其承载能力比铆钉连接高，一般用于主要承力结构的连接。铆钉属于不可重复拆卸连接，虽然承载能力较小，但是可以采用沉头铆钉的形式得到表面更光滑的连接件。［3］对于某些特殊要求，比如结构不开闭、难以接触、表面曲率大、密封要求高等情况，可视情采用合适的特殊紧固连接。以下以螺栓连接为例介绍机械连接的优缺点。机械连接的优点是：（1）便于检查质量、有效保证检查的可靠性；（2）对于螺栓连接来讲，在使用过程中可进行重复拆卸和安装；（3）对连接件表面的制备和处理精度要求较低；（4）可避免胶接固化引起的残余应力，尤其对剥离应力不敏感；（5）对连接件的厚度要求没有限制。机械连接的缺点是：（1）制螺栓孔时，会导致孔周的应力集中，降低连接性能；（2）为减小制孔对层压板强度的影响，通常需要增加局部层压板厚度，再加上紧固件的使用，导致连接件整体重量增加；（3）部分钢质和几乎全部铝合金紧固件和复合材料接触会产生电化学腐蚀；（4）制孔过程会对复合材料产生不同程度的损伤；（5）与之配合的金属件易于疲劳。 1．3混合连接 混合连接是采用至少两种连接方式将两个或两个以上的构件连接起来。通常是贯穿层合板厚度的机械连接与胶接同时使用，例如螺栓连接与胶接、铆钉连接与胶接等。若从工艺上严格保证连接质量，使两者变形一致，同时受载，则可以起到阻止或延缓胶层损伤的扩展，提高抗剥离、抗冲击、抗疲劳和抗蠕变等性能的作用。同时，混合连接也会带来诸如孔应力集中、增加结构重量和成本的不利影响。 1．4连接方式的选择 在复合材料连接中，采取何种连接方式要视情况而定。通常来讲，对于需要传递较大的集中载荷和强调可靠性的部位，多采用机械连接方式。对于需要传递均布载荷或承受剪切载荷的部位，多采用连接效率较高的胶接连接。［3］混合连接则适用于要求多余度连接的部位，如中等厚度板的连接。 2碳纤维复合材料连接形式 2．1胶接的连接形式 从结构强度的观点考虑，胶接连接设计应遵循以下基本原则：选择使胶层在最大强度方向受剪力的连接形式，尽量避免胶层在法向受力，以防发生剥离；尽量避免连接端部层压板发生层间剥离；在高温工作时，所选胶粘剂和连接件的热膨胀系数尽量一致；尽量增大胶结面积，增大受载能力。以上原则的目的是使接头强度高于或不低于被连接件。因此，为满足基本要求，应从连接形式、接头几何参数的选择等方面入手。综合以上，碳纤维复合材料胶接的连接主要有单搭接、双搭接、阶梯形连接、斜面连接四种形式。选择采用何种连接方式时，要考虑构件的强度要求。当胶接件比较薄（小于1．8mm）时，可采用单搭接。但是当两个胶接件刚度不等时，单搭接的偏心效应较大，应尽量避免使用单搭接。对于中等厚度板（3至6．35mm），采用双搭接或双搭接板连接比较合适。当胶接件很厚时（大于6．35mm），由于偏心载荷产生的偏心力矩增大，须选用斜面或阶梯形连接。 2.2机械连接的连接形式 碳纤维复合材料的机械连接形式，根据受力形式可以分为单剪和双剪两种，按照有无起连接作用的搭接板，主要有对接和搭接两类，其中每类又分为等厚度和变厚度连接两种情况。选择复合材料的连接形式时，应注意以下原则：单剪连接会产生附加弯曲，从而造成接头承载能力的减小和连接效率的降低，因此连接设计尽可能选择。双剪连接，尽可避免选用单剪连接； 若采用单剪连接等不对称的连接形式，则应采用排距尽可能大的多排紧固件，使偏心加载引起的弯曲应力降低的最小； 由于碳纤维复合材料的塑形较差，会造成多排紧固件连接载荷分配不均匀，因此，设计多钉连接形式时，应尽可能选用不多于两排紧固件的连接形式。紧固件尽可能选用平行排列，避免交错排列，以提高连接强度。 3碳纤维复合材料连接方法研究进展 3．1固相扩散连接 固相扩散连接是在高温高压下，中间层材料发生原位化学反应，界面处元素相互扩散，结果是在连接界面处形成稳定的界面层，从而获得高温高强接头。中间层材料多采用高温合金和陶瓷粉体，或者是陶瓷的有机前体。国内外诸多专家研究了分别使用硼和石墨混合粉、金属钨粉和碳粉、钨改性酚醛树脂和钨粉混合物等作为中间层材料，在不同压力和温度下对碳纤维复合材料进行反应扩散连接，结果表明连接件在1500摄氏度以上高温环境中，最大剪切强度可以达到16Mpa以上。