碳纤维材料发表-江苏科技大学教材课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《碳纤维材料发表-江苏科技大学教材课件.ppt》由用户(三亚风情)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 碳纤维 材料 发表 江苏 科技大学 教材 课件
- 资源描述:
-
1、碳纤维材料机械工程材料机械工程材料目 录1碳纤维的性质2碳纤维的加工3碳纤维的应用碳纤维性质缺点特性化学性质分类成分结构 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79倍,抗拉弹性模量为230430Gpa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。材料的比强度愈高,则构件自重愈小,比模量愈高,则构件的刚度愈大,从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。 聚丙烯腈(PAN)基碳纤维(用量最大)粘
2、胶基碳纤维沥青基碳纤维木质素纤维基碳纤维其他有机纤维基碳纤维碳纤维分类 受力结构用碳纤维 耐焰碳纤维 活性碳纤维 导电用碳纤维 润滑用碳纤维 耐磨用碳纤维根据原丝类型分类根据碳纤维的性能分类根据功能分类高性能碳纤维:高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等低性能碳纤维:耐火纤维、碳资纤维、石墨纤维等 碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维 。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高,无蠕变,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小,耐腐蚀性好,纤维的密度低,X射线透过性好。但其耐冲击性较差,容易损伤,在强酸作用下发生氧化,与金属复合时会发生金属碳化、渗碳
3、及电化学腐蚀现象。因此,碳纤维在使用前须进行表面处理。化学性质碳纤维是高级复合材料的增强材料,具有轻质、高强、高模、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点。一、轻质、高强度、高模量 碳纤维的密度是1.6-2.5g/cm3,碳纤维拉伸强度在2.2Gpa以上。因此,具有高的比强度和比模量,它比绝大多数金属的比强度高7倍以上,比模量为金属的5倍以上。由于这个优点,其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材等。二、热膨胀系数小 绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数,室内为负数(-0.5-1.6)10-6/K,在200400时为零,在小于1000时为1.510-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较
4、稳定,可作为标准衡器具。三、导热性好 通常无机和有机材料的导热性均较差,但碳纤维的导热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。四、耐化学腐蚀性好 从碳纤维的成分可以看出,它几乎是纯碳,而碳又是最稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外,对酸、碱和有机化学药品都很稳定,可以制成各种各样的化学防腐制品。我国已从事这方面的应用研究,随着今后碳纤维的价格不断降低,其应用范围会越来越广。五、耐磨性好 碳纤维与金属对磨时,很少磨损,用碳纤维来取代石棉制成高级的摩檫材料,已作为飞机和汽车的刹车片材料。六、耐高温性能好 碳纤维在400以下性能非常稳定,甚至在1000时仍无太大变化。
5、复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性,树脂基复合材料其长期耐热性只达300左右,陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航空航天工业。七、突出的阻尼与优良的透声纳 利用这二种特点可作为潜艇的结构材料,如潜艇的声纳导流罩等。碳纤维的缺点1、复杂的应力计算 碳纤维的特点是拉伸强度强,但剪断强度弱,加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、横刚性),根据计算把碳纤维片重叠成型。2、难于更改尺寸 由于作好模具后成型,难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。 3、老化很多使用者发现碳纤维产品放置在阳光下时会逐渐变白。因此最好不要放置在阳光下。
6、4、价格较高原因有两个:1. 生产原材料的厂家不多,产量有限。2.工艺复杂,开模的费用较高,机械价格也较贵。 聚丙烯腈基碳纤维加工表面处理技术碳化工艺预氧化工艺纺丝工艺PAN原丝的共聚组成设计上浆工艺 为了使纤维具有一定的耐热性,单体AN摩尔分数( )应在95以上,否则前驱的耐热性不足,得到的碳纤维的构造不完全,在碳化时聚合体显著软化,弹性率低下的同时强度低下,难以得到高强度碳纤维。 含有羧基、磺基、氨基、胺基等亲水性官能团的乙烯系化合物,作为PAN的共聚单体在纺丝时能促进凝固丝沉淀构造细微化,可以使前驱体纤维的孔隙构造减少,从而提高碳纤维的拉伸强度,但含有羧基的乙烯化合物能同时赋予前驱体纤维
7、必要的预氧化促进性和亲水性,这一、PAN原丝的共聚组成设计x类乙烯化合物主要为有机酸和它们的碱金属盐、铵盐以及其烷基酯类,丙烯酰胺,甲基丙烯酰胺等,其中丙烯酸、甲基丙烯酸,衣康酸较好,但衣康酸仅以少量进行聚合就能提高聚合体的亲水性,同时有促进预氧化的效果。 含有羧基的乙烯化合物的共聚合 在0.3-5.0较好,不足0.3,共聚合体的亲水性不足,超过5.0,共聚合体的耐热性低下。 羧酸本身赋予亲水性的效果极低,所以在聚合后用氨气中和羧基的一部分或全部,形成铵盐能进一步提高共聚体的亲水性,从而形成致密的纤维结构。如果不中和羧酸,则在拉伸时可能会有取向度的提高不明显,耐热性不足,碳化时单丝问的并丝显著
8、发生。 在预氧化时有促进氧元素透过性的乙烯化合物主要为不饱和羧酸酯类,如衣康酸,当这类在预氧化中具有促进氧透过性的乙烯化合物的为0.5-5.0时,共聚合不足0.5,氧元素透过性难以发挥,超过5.0,共聚合体的耐热性低下。二、纺丝工艺 1.纺丝方法 PAN原丝的纺丝方法主要有熔融纺丝、干式纺丝、湿式纺丝、干湿式纺丝等方法。 干式纺丝 干式纺丝方法是将纺丝原液经喷丝板从喷丝孔挤出于高温的气体氛围中,使溶剂蒸发浓缩、固化的方法,牵引速度受溶剂的蒸发速度制约。另外,采用干法生产的纤维溶剂不容易洗净,如果纤维中残留少量溶剂,在预氧化及碳化等一系列热处理过程中,溶剂挥发或分解会使纤维粘结,并产生缺陷,所得
9、碳纤维发脆或毛丝多、强度低。 湿式纺丝湿式纺丝方法是纺丝原液从喷丝孔挤出之后直接进行凝固,随着 牵引速度的增加,纺丝牵伸的倍率提高,在喷丝孔处易产生断丝,所以提高纺丝速度是有限度的。目前,国内大多采用湿式纺丝方法,控制适宜的凝固速度和拉伸方法等也可以得到高强度的碳纤维。 干湿式纺丝 干湿式纺丝方法是纺丝原液经喷丝板喷出之后先经过一小段(3-l0cm)空气层,然后再进入凝固浴。实质的纺丝牵伸在空气层内以原液流形式被吸收。所以在高速牵引方面比湿法纺丝较容易,该法的特点是喷丝孔孔径较大(0.100.30mm),可使高粘度纺丝液成纤。空气层是有效的拉伸区,不仅可提高纺丝速度,而且容易得到高强度、高取向
10、的原丝,原丝的结构均匀致密,强度可达到7.62一l0.88cNdtex,比湿法原丝的强度为4.96.53cN/dfex高50以上,因此要得到高强度的碳纤维采用干湿法较好。 2.纺丝工艺2.1 纺丝原液及凝固成型条件 供给纺丝用的纺丝原液中共聚合体质量分数( )越高,在凝固过程中和沉淀剂的置换量越少,因而会更致密,对于提高碳纤维的强度是有效的。聚合体的为2235,更好为24一30”,如超过35,纺丝原液的粘度过高,易产生凝胶化,纺丝拉伸性和可纺性下降。不足22,则纤维致密性低下,即使拉伸也不能提高纤维的取向度,且耐热性不足。所以相对分子质量低时以高w、相对分子质量高时以低w进行纺丝较好。在45时
11、,纺丝原液粘度设定在30-100 Pas的范围内”,聚合物的可纺性和纤维的品质都较好。通过调节聚合物的相对分子质量来控制纺丝原液的 和粘度,可以在不降低可纺性的条件下,细微凝固构造,易得到致密性较高的纤维。凝固成型,就是纺丝原液的共聚合体在凝固浴中进行相分离形成初生纤维的过程,因此,凝固成型条件对前驱体纤维、碳纤维的构造形成以及拉伸特性有很大的影响。凝固溶剂通常采用DMSO、DMF、DMAc、NaSCN、zncl2等的水溶液,从可纺性考 虑,凝固速度快的DMSO、DMF、DMAc较好。但DMSO特别好。为得到孔隙构造少,致密性高的凝固丝,可以控制适宜的凝固速度和拉伸方法。降低凝固速度,在纤维表
12、面形成皮层很薄,形成的纤维结构致密。但凝固速度过于缓慢,提高纺丝速度的难度增大,另一方面,加快凝固速度,则凝固丝的内部构造变粗,不能得到高强度的碳纤维。凝固浴的温度也尽量保持低温较好,一般为20以下,l0以下最好。2.2 拉伸工艺 制取高强度的碳纤维,拉伸工艺起着关键性作用。纤维水洗后应进行拉伸,以便使原丝中PAN分子链沿纤维轴取向排列,可以进一步提高其取向度,改善纤维的力学性能。原丝中加入共聚组分及提高拉伸温度都有利于PAN分子链的移动,并使纤维的拉伸倍数得到提高。但一次拉伸的倍数有限,通常采用二次或多次拉伸来达到。一次拉伸一般在干燥致密化前于热水浴中进行,通常在50-98的拉伸浴中进行拉伸
13、2-6倍。二次拉伸一般在干燥致密化后于过热蒸汽中进一步拉伸。 蒸汽牵伸通常将蒸汽通入到拉伸管中进行拉伸较好,在拉伸管内部采用有丝条通过口的密封材料分割成预热区和加热区,分别控制各区的温度进行拉伸,这样可以改善拉伸的稳定性。在拉伸时,一般加热区的压力比预热区高0.024.9MPa,若此压力差低于0.2MPa,预热区的丝条易产生伸 张力斑和毛丝。若压力差超过4.9MPa,在拉伸时易发生丝条的熔断现象。 蒸汽拉伸倍率通常控制在4-6倍,总拉伸倍率为7-16倍,往往取决于蒸汽拉伸之前的拉伸倍率,两段以上的多段拉伸有利于强度的提高。 在蒸汽牵伸过程中应保证牵伸环境具有一定的湿度,使丙烯腈丝条含有少许水分
14、可改善丝条的可塑化效果,从而提高纤维的拉伸性。若丝条中的水分过低,塑化效果不好,拉伸性低下,从而引起单丝断裂或产生毛丝;丝条的水分率过高,则在后续的干燥过程中水分蒸发负荷增大。所以,一般拉伸后丝条水的 控制在2一30这一范围内。 拉伸时丝条的张力保持在0.088-0.883cN/dtex较好,0.177-0.706cN/dtex范围更好。拉伸张力低于0.088cN/dtex,则蒸汽压力过高(温度过高)会因熔断发生拉伸断裂的现象。拉伸张力超过0.883cN/dtex则蒸汽压力过低(温度过低)易发生拉伸断裂问题。 为了使原丝在预氧化过程中不产生烧结斑,纤维的纤度控制在0.11-1.1ldtex最好
15、,这样可使碳纤维的强度大幅度提高2.3 干燥致密化 为了制得高强度的碳纤维制备致密性高的原丝是极为必要的,日本专利对原丝结构致密化及其烧成碳纤维的质量之间的关系进行了研究,数据表明,原丝致密化程度越高,烧成碳纤维的机械性能越好。干燥致密化一般在上油后用热辊或热风进行干燥致密化。干燥致密化温度越低越好,但过低,油剂不能浸入,孔隙不能削减,长时间进行干燥致密化也不好,实质上千燥致密化温度在110-190的温度范围较好。东丽公司采用逐步升温的分段致密化工艺,先将水的 w为100-150的溶胀态纤维在100-300的热辊上干燥到水 w30以下,然后再用110-140的热辊将纤维干燥至水 w2以下,这样
16、对纤维进行缓慢的致密化,可防止产生皮芯结构,并可防止单丝间并丝。 2.4 上油工艺 为了改善纤维的集束性,须给前驱体纤维上油,一般分两次,分别在干燥致密化前和干燥致密化后进行上油。 在向水膨润丝条付与油剂时,若有油剂浸入到纤维表层部会阻碍纤维的致密化,从而在表层部产生微小孔隙,影响碳纤维强度的提高。目前的技术想充分抑制油剂的浸入还很困难的,如制丝技术中减少前驱体纤维的微小孔隙技术,优化凝固条件对未拉伸丝条进行致密化的技术、尽量提高拉伸浴温度对拉伸丝进行致密化的技术等,但这些技术对抑制油剂向表层浸入的效果不充分。为了抑制油剂的浸透,日本专利提出分两个阶段进行上油,可以减少微小孔隙的发生,控制油剂
17、的浸入,从而得到高强度的碳纤维。第一次上油采用Si元素的 w为0.01-0.1的硅酮系化合物构成的油剂,进行干燥致密化后,第二次上油采用Si元素的w 为0.02-5.0的硅酮油剂。 在上油过程中,硼元素化合物和硅元素化合物同样具有极高的耐热性,存在于纤维的表面,有防止单丝间粘结的效果,但单独使有因缺乏脱膜性,不能发挥高耐热性的效果。一方面,水溶性的硼元素化合物即使浸入到纤维内部,也不能阻碍致密化,所以和脱膜性优异的硅酮系油剂混合使用,可以有效地防止单丝间粘结,且能够得到么三小(孔隙小)的前驱体纤维。付着纤维中硼元素的 w通常控制在0.01-0.5这一范围内,低于0.01时,难以发挥防止单丝间粘
展开阅读全文