碳纤维及其在领域中应用ppt课件.ppt

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1、第七章碳纤维（CarbonFiber）7.1概述CF是有机纤维在惰性气氛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。7.2CF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

2、<140GPa高性能CF按碳纤维的功能分类受力结构用CF耐焰用CF导电用CF润滑用CF耐磨用CF活性CF按制造条件和方法分类碳纤维：碳化温度1200～1500oC，碳含量95％以上。石墨纤维：石墨化温度2000oC以上，碳含量99％以上。活性碳纤维：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。7.3CF的制造碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤维为原料，采用间接方法来制造。碳元素的各种同素异形体(金刚石、石墨、非晶态的各种过渡态碳)，根据形态的不同，在空气中在350

3、℃以上的高温中就会不同程度的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中(常压下)，元素碳在高温下不会熔融，但在3800K以上的高温时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。原丝的选择条件：强度高，杂质少，纤度均匀，细旦化等。基本条件：加热时不熔融，可牵伸，且CF产率高。常用的CF原丝：聚丙烯腈纤维、粘胶纤维、沥青纤维一般以有机纤维为原料制造CF的过程：有机纤维预氧化处理高温碳化原丝7.3.1以粘胶纤维为原料制造CF粘胶纤维由于具有环状分子结构，所以可以直接进行碳化或石墨化处理，加热不会熔融，不需予氧化处理进行环化。缺点：粘胶中含有大量的H、O原子，所以碳化理

4、论收率仅55%，实际收率约20～30%；粘胶基CF强度较低，性能平衡性差，弹性系数较大。优点：瞬间耐烧蚀性能好，可用作火箭的内衬材料。热处理过程：①25～150℃，脱去粘胶纤维的吸附水(脱去物理吸附的水)②150～240℃，纤维素环的脱水(脱去化学吸附的水)③240～400℃，自由基反应，C—O键及C—C键断裂，放出H2O、CO、CO2等气体④400℃以上，进行芳香化，放出H2在整个处理过程中，为使CF性能优良，产率高，所以要求加热速度较慢，而且不同的过程中，加热速度也不同。7.3.2以PAN为原丝制造CF1)基本工艺流程CF制造过程中最主要环节：原丝制备；原丝予氧化；予氧化丝

5、碳化或进一步石墨化目前生产的高强、高模CF主要是用PAN纤维为原料来制造的。2)原丝的制备a.聚合加入共聚单体的目的：①使原丝予氧化时既能加速大分子的环化，又能缓和纤维化学反应的激烈程度，使反应易于控制；②并可大大提高予氧化及碳化的速度；③有利于预氧化过程的牵伸。共聚单体的种类：在众多的共聚单体中，不饱和羧酸类：如甲基丙烯酸、丙烯酸、丁烯酸、顺丁烯二酸、甲基反丁烯酸等占有重要位置。b.纺丝通常采用湿法纺丝，而不用干法纺丝？（干纺生产的纤维中溶剂不易洗净。在予氧化及碳化过程将会由于残留溶剂的挥发或分解而造成纤维粘连及产生缺陷。）湿法：纺丝原液→喷丝头→凝固浴(溶剂的水溶液)→水洗

6、、拉伸等干法：纺丝原液→喷丝头→纺丝甬道(热空气，溶剂在此受热蒸发)→冷却、拉伸等原丝纺丝过程中水洗时间与产品碳纤维性能之间关系水洗时间（s）36101227原丝残留溶剂（％）4.462.930.240.100.01强度（CN/dtex）3.333.824.214.675.25模量（CN/dtex）91.7107117126141碳纤维强度（Gpa）1.101.451.832.652.85模量（Gpa）1.01.401.802.402.60近年来发展起来的纺制高强度和高取向度原丝的新方法：干湿法纺丝干喷湿纺示意图干湿法纺丝的特点：喷丝孔孔径较大(0.1～0.3mm),可使高粘度

7、纺丝液成纤；可提高纺丝速度；易得到高强度高取向的原丝，且原丝结构均匀致密；强度比湿纺原丝提高50%以上。为了保证碳纤维性能的优良，原丝应具备高纯度、高强度和高取向度、细旦化等性能。高纯度：原丝中所含各类杂质和缺陷将“遗传”给碳纤维。可从以下几方面采取措施：原料的精密过滤充分洗涤无尘纺丝高强度和高取向度：采用干湿法纺丝细旦化：原丝细旦化已成为提高原丝强度和生产高强度碳纤维的主要技术途径之一。3)预氧化在200~300℃下氧化气氛中（空气）受张力的情况下进行。预氧化的目的：使线型分子链转化成耐热