第章 复合材料的增强体碳纤维.pptVIP

第三章 复合材料的增强体 §3 碳纤维 碳纤维概述 碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。最高强度可达7000MPa，弹性模量可达900GPa，密度约为1.8~2.1g/cm3，并具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温、耐腐蚀等性能。 1．结构与力学性能 　　材料的性能主要决定于材料的结构。结构有两方面的含义，一是化学结构，二是物理结构。 以PAN基碳纤维的结构为例，具有如下结构： 基 本 单 元：是六角平面石墨层； 二级结构单元：由数张至数十张石墨层片组成的石墨微晶； 三级结构单元： 是由石墨微晶组成的狭长带状原纤。原纤沿纤维轴向有较高择优取向，但并不与轴向完全吻合，有一定夹角（约正负10度）。产生夹角的原因是石墨微晶在生长过程中，可能会出现石墨层平面错位，以及杂质导致石墨微晶生长方向改变。 　　碳纤维的结构决定于原丝结构与碳化工艺。 　　对有机纤维进行预氧化、碳化等工艺处理的目的是，除去有机纤维中碳以外的元素，形成聚合多环芳香族平面结构。 　　在碳纤维形成的过程中，随着原丝的不同，重量损失可达10％--80％，因此形成了各种微小的缺陷。 　　但是，无论用哪种原料，高模量碳纤维中的碳分子平面总是沿纤维轴平行地取向。 碳纤维的力学性能与石墨层片的取向度有很大的关系。例如杨氏模量随着石墨层片趋向于纤维轴向而明显增大。 　　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。 乱层石墨结构： 带状原纤沿纤维轴向取向，聚集成直径6~8微米碳纤维； 　　在乱层石墨结构中，石墨层片是基本的结构单元，若干层片组成微晶，微晶堆砌成直径数十纳米、长度数百纳米的原纤，原纤则构成了碳纤维单丝，其直径约数微米。 　　实测碳纤维石墨层的面间距约0.339--0.342 nm，比石墨晶体的层面间距(0.335nm)略大，各平行层面间的碳原子排列也不如石墨那样规整。 　　依据C--C键的键能及密度计算得到的单晶石墨强度和模量分别为180 ＧPa和1000 GPa左右。而碳纤维的实际强度和模量远远低于此理论值。 　　这主要是由于纤维中的缺陷和原丝中的缺陷所造成的。 　　纤维中的缺陷主要是指结构不匀、直径变异、微孔、裂缝或沟槽、气孔、杂质等。 　　纤维中的缺陷来自两个方面，一是原丝中特有的，二是在碳化过程中产生的。　　 　　原丝中的缺陷主要是在纤维成形过程中产生的。而在碳化时，则由于从纤维中会释放出特种气体物质，进而在纤维表面及内部产生空穴等缺陷。 　　碳纤维的应力--应变曲线为一直线，由于伸长小，断裂过程在瞬间完成，所以碳纤维不容易发生屈服。　 　　碳纤维轴向分子间的结合力比石墨大，所以它的抗张强度和模量都明显高于石墨； 　　而碳纤维的径向分子间作用力弱，抗压性能较差，轴向抗压强度仅为抗张强度的10％--30％，而且不能结节。 表 不同品种碳纤维的力学性能 * * 要点回顾 复合材料增强体材料 纤维增强材料 无 机 纤 维 有 机 纤 维 玻璃纤维、 特种玻璃纤维、 碳纤维… 颗粒增强材料 晶须增强材料 芳纶纤维、聚乙烯纤、 尼龙纤维… 碳纤维由高度取向的石墨片层组成，具有明显的各向异性，沿纤维轴向性能高，沿横向性能差。 3.1 发展历史 　　碳纤维（Carbon Fibre, CF或Cf）的开发历史可追溯到19世纪末期，美国科学家爱迪生发明的白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生产的碳纤维，则出现在二十世纪50年代末期。 　　1959年美国联合碳化公司(Union Carbide Corporation，UCC)以粘胶纤维(Viscose firber)为原丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维(Rayon-based carbon firber)。 　　1962年日本炭素公司实现低模量聚丙烯脂基碳纤维(Polyacry lontrile--based carbon firber，PANCF)的工业化生产; 　　1963年英国航空材料研究所(Royal Aircraft Establishment，RAE)开发出高模量聚丙烯脂基碳纤维； 　　1965年日本群马大学试制成功以沥青或木质素为原料的通用型碳纤维； 　　1970年日本昊羽化学公司实现沥青基碳纤维Pitch-based carbon fiber的工业规模生产；　　 　　1968年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol”的酚醛纤维Phenolic fibers; 　　1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维(Fibrous activated carbon)投放市场。 　　1988年，世界碳纤维总生产能力为10054吨/年，其中聚丙烯腈基碳纤维为7840吨