碳纤维及其复合材料地发展及应用

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1、实用标准学年论文题　　目：碳纤维及其复合材料的发展及应用学生姓名：李昂学生学号：11306023学院名称：化学与生命科学学院专业名称：化学指导教师：朱永春教授二○一三年九月文档实用标准碳纤维以及复合材料的发展及应用李昂摘要：叙述了碳纤维的定义、分类以及性能,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、应用和存在的问题。Abstract:Describesthedefinition,classificationandperformanceofcarbonfiber,thispap

2、erintroducesthecharacteristicsofcarbonfiberreinforcedcomposites,emphaticallyexpoundsthecarbonfiberreinforcedresinmatrixcompositesintheclassification,selectionandapplicationofmatrix,andpointsoutthefurtherdevelopmentofcarbonfibersandcomposites,applicationandexistingproblems.关键词：碳纤维复合材料发展

3、应用航天航空Keywords:carbonfibercompositematerialsdevelopmentapplicationaerospace引言比铝还要轻,比钢还要硬,密度是铁的1/4,强度是铁的10倍,这就是我国前绝大部分依赖进口的高技材料碳纤维。　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]。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

4、复合材料领域的应用等内容进行介绍。1.碳纤维定义、分类及性能1.1碳纤维定义碳纤维(CarbonFiber,CF)是一种碳含量在90％(质量分数)以上的新型高性能的纤维材料，由纤维状有机化合物(原丝)经过预氧化、碳化和石墨化等一系列工艺程制得。高性能碳纤维的性能有：高比强度、高比模量等良好的力学性能；低膨胀、耐高温、耐烧蚀、耐疲劳、抗蠕变等良好的稳定性；良好的导电、导热等优良性能。此外，其质量轻、低密度更使它成为了航天航空中一种不可替代的结构材料和功能材料，常作为先进结构复合材料最重要的增强材料[2]。1.2碳纤维的分类纤维的分类有多种方法，可以按原料、力学性能等进

5、行分类(1).按原料分类可分3种。按原料分主要有：聚丙烯腈基(PAN)碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维均由原料纤维高温碳化成，成分基本都是碳元素，其主要性能见表1，目前结构复合材料中大多数使用PAN碳纤维。此外木质素和酚醛树脂等也有少量应用，目前还没有形成大规模的研究和生产。文档实用标准(2).按力学性能可分为2类碳纤维有通用级和高性能两种，其中高性能碳纤维又可按高强（HS）和高模（HM）进行分级。20世纪80年代，日本东丽公司还开发出了高强高模的聚丙烯腈基碳纤维(MJ系列碳纤维)，这标志着碳纤维的发展又上了一个新的台阶。(3).按用途可分为2类24K以下为宇航级

6、小丝束碳纤维（1K为1000根单丝）；48K以上为工业级大丝束碳纤维。1.3碳纤维的主要性能①强度高。其抗拉强度在3500MPa以上。②模量高。其弹性模量在230GPa以上。③密度小，比强度高。碳纤维的密度是钢的1/4，是铝合金的1/2，其比强度比钢大16倍，比铝合金大12倍。④能耐超高温。在非氧化气氛条件下，碳纤维可在2000℃时使用，在3000℃的高温下不融熔软化。⑤耐低温性能好。在-180℃低温下，钢铁变得比玻璃脆，而碳纤维依旧很柔软。⑥耐酸性能好。能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀。将碳纤维放在浓度为50%的盐酸、硫酸和磷酸中，200d后其弹性模量、

7、强度和直径基本没有变化；在50%浓度的硝酸中只是稍有膨胀，其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。此外，碳纤维的耐油、耐腐蚀性能也很好。⑦热膨胀系数小，导热系数大。可以耐急冷急热，即使从3000℃的高温突然降到室温也不会炸裂。⑧防原子辐射，能使中子减速。⑨导电性能好（5～17μΩm）。⑩轴向抗剪切模量较低，断裂延伸率小，耐冲击差，并且后加工较为困难。2.碳纤维发展历程及现状2.1国外碳纤维的发展碳纤维的研制及工业化始于20世纪50年代。50年代中期，Abott以人造丝为原料制造出纤维状碳丝，随后美国联合碳化物公司发展了这个方法，并于1959年首先在世界上开始制造和销售CF，