碳纤维增强材料

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1、新型复合材料及其应用-----碳纤维增强材料前言：1、碳纤维的概述碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温炭化而成的纤维状碳化合物，其含碳量在90％以上。由于碳纤维具有高的比强度和高模量而受到重视，被大量用于复合材料的增强材料。用碳纤维制成的的树脂基复合材料比模量比钢和铝合金高5倍，比强度也高3倍以上除了优异的力学性能外，碳纤维还兼具其他多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性高，非磁体但有电磁屏蔽性等。 作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有特性

2、，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是先进复合材料最重要的增强材料，已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩目。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面，发挥着非常重要的作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义，对国防军工和国民经济有举足轻重的影响。1.1 国内外碳纤维的发展现状1.1.1国外碳纤维的发展现状目前世界各国发展的主要是PAN基

3、碳纤维和沥青基碳纤维。国外PAN基碳纤维的研究与开发开始于20世纪60年代。起初，碳纤维主要用于军工和宇航，经过40余年的发展，其应用领域正在向工业领域和普通民用领域扩大〔1〕。世界PAN基碳纤维生产厂商主要有日本Toray（东丽）、Toho（东邦）、MitsubishiRayon（三菱人造丝），美国Hexcel（赫克塞尔）、Amoco（阿莫科）和Zoltek（卓尔泰克）等公司。沥青基碳纤维主要生产厂商有日本MitsubishiChem（三菱化学）、Kureha（吴羽）、Donac与美国Amoco公司1.1.2 我

4、国碳纤维发展现状从20世纪70年代中期开始，经过30余年的发展，我国碳纤维从无到有，从研制到生产取得了一定的成绩，但总的来说，我国碳纤维的研制与生产水平还较低，目前仅相当于国外20世纪70年代中、末期水平〔4〕。1.2碳纤维主要应用领域 碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热等特性，属典型的高新技术产品，表2.1是几种碳纤维材料的性能比较〔8〕。主要用于制备先进复合材料（ACM），已广泛应用于宇航、体育用品领域、工业领域、交通运输领域及土木建筑领域。鉴于近年军事工业上应用的萎缩、碳纤维

5、成本的降低及先进低成本制造复合材料技术的突破，碳纤维复合材料在建筑、工业、交通运输等方面的应用便成为研究开发的热点，并取得了一定的突破性进展〔9－11〕。1.3、碳纤维的发展趋势自从碳纤维工业化生产以来，世界各国都特别重视其应用开发。随着价格不断降低，其应用范围从满足性能要求高的航空、航天领域逐步向文体和民用领域推广。目前，碳纤维的市场需求在北美、欧洲、亚洲基本上呈鼎足之势。按应用领域划分，世界聚丙烯腈基碳纤维主要用于宇航、文体休闲用品、其它工业等领域，其总体消费比例分别为25.2%，31.4%，43.4%，不同地

6、区各有侧重。由于碳纤维复合材料具有高比强度、设计性好、结构尺寸稳定性好、抗疲劳断裂性好和可大面积整体成型，以及特殊的电磁性能和吸波隐身的特点，目前已大量用于生产军用、民用飞机以及战略导弹和运载火箭上，需求量稳步增长。文体用品方面，目前碳纤维材料已从钓鱼竿和高尔夫球棒推广到网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、冰雪运动器材、水上运动器材等方面，需求量稳步、较快增长。其中高尔夫球杆、网球拍和钓鱼竿是体育用品用碳纤维复合材料的三大支柱产品，约占该类产品的80%。　由此可见，当前世界碳纤维有如下发展趋势：产品性能趋向于高性能化；价

7、格将大幅度降低；航天航空和文体用品领域用量稳定增加，民用工业用量增幅较大，已超过前两者。特别是随着大丝束碳纤维的大规模生产，其价格将不断降低，民用工业用量将继续保持大幅度增加的趋势。 2、碳纤维的分类与制造2.1碳纤维的分类碳纤维一般可根据原丝的类型、碳纤维的性能和用途进行分类。2.1.1根据碳纤维的性能分类：A、高性能碳纤维，高性能碳纤维中有高强度碳纤维（HS）、超高强度碳纤维（VHS）、高模量碳纤维（HM）和中高模量碳纤维（MM）等。B、低性能碳纤维，这类碳纤维有耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。2.1.2根据原

8、丝类型分类：A、聚丙烯腈基碳纤维；B、黏胶基碳纤维；C、沥青基碳纤维；D、木质素纤维基碳纤维；2.1.3根据碳纤维的功能分类:A、受力结构用碳纤维；E、润滑用碳纤维B、耐焰碳纤维；F、耐磨用碳纤维C、活性碳纤维；D、导电用碳纤维2.2碳纤维的制造碳纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材料。它的制造方法可分为两种类型：气相法和有机纤维碳化法。2.2.1气相法是在惰