第七章碳纤维课件.ppt

1、1第七章 碳纤维2标题添加点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容总体概述点击此处输入相关文本内容标题添加点击此处输入相关文本内容3主要内容碳纤维的制备与性能碳纤维的表面结构与性能碳纤维的应用及发展4概 述碳纤维的定义：是由90%以上的碳元素组成的一种高性能增强纤维。是有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。碳纤维结构近乎石墨结构，比金刚石结构规整性稍差。5碳纤维的发展 碳纤维的开发历史可追溯到1919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5050年代末期。19591959年美国联合碳化公司以粘胶纤维(

2、Viscose firber)Viscose firber)为原丝制成商品名为“Hyfil Thornel”Hyfil Thornel”的。19621962年日本炭素公司实现低模量(PANCF)PANCF)的工业化生产;19631963年英国航空材料研究所开发出高模量；6碳纤维的发展19651965年日本群马大学试制成功以沥青或木质素为原料的；19681968年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol”Kynol”的;19701970年日本昊羽化学公司实现的工业规模生产；19801980年以酚醛纤维为原丝的投放市场。7碳纤维的发展19881988年，世界总生产能力为1005410054吨/年，

3、其中为78407840吨，占总量的7878。日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力约34003400吨/年，占总量的4343。两次技术飞跃：第一次：19641964年以后，英美开发出热牵伸法，使聚丙烯腈碳化纤维性能突破性提高。u 第二次：日本东丽公司发明聚合催化环化原纤维，改变传统工艺，周期短、产量高。8碳纤维的特点碳纤维具有重量轻、比强度大、模量高、耐热性高；化学稳定性好，除硝酸等少数强酸外，几乎对所有药品均稳定；另外，碳纤维对碱也稳定。9碳纤维的特点碳纤维制品具有非常优良的X射线透过性，阻止中子透过性，还可赋予塑料以导电性和导热性。以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢强、比铝轻的特性，

4、是一种目前最受重视的高性能材料之一。它在航空航天、军事、工业、体育器材等许多方面有着广泛的用途。10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CFCF分类方法碳纤维的分类11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碳纤维的分类12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140GPa高性能CF碳纤维的分类13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碳纤维的分类14按制造条件和方法分类碳纤维：碳化温度120

5、01500oC，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6001200oC，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。碳纤维的分类15第一节 碳纤维的制备与性能 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350350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3800K3800K以上的高温时不经液相，直接

6、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。16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CFCF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17CH2OHOOHOHOCH2OHOHOHOO纤维素的分子结构式分子式(C6H10O5)n 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。以粘胶纤维为原料制造碳纤维18缺点：粘胶中含有大量的H H、O O原子，所以碳化理论收率仅55%55%，实际收率约20203

7、0%30%；粘胶基CFCF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。以粘胶纤维为原料制造碳纤维19以粘胶纤维为原料制造碳纤维20（1 1）前处理：水洗：用40604060的去离子水洗掉黏胶纤维表面的油剂。油剂 的存在有碍下一工序的催化浸渍；同时油剂进入到预氧化炉时热解挥发物污染纤维表面，或产生焦油造成更严重的污染。因此，在浸渍催化剂之前需把它们洗掉。酸洗：以求洗净黏胶中所含的碱、碱土金属和铁离子，这些金属杂质离子浓度的降低，有利于提高黏胶基碳纤维的力学性能，也有利于提高其抗氧化性能和耐烧蚀性能。以粘胶纤维为原料制造碳纤维21（2 2）催化处理：其目的是

8、促进黏胶纤维中的羟基脱水，尤其是活性高的伯羟基脱水，防止其向左旋葡萄糖转化，以提高碳纤维的性能及炭化收率。黏胶纤维碳含量低，炭化收率低，通过浸渍催化剂，可使黏胶纤维的实际炭化收率由1820%1820%提高到30%30%以上。催化剂和催化处理是生产黏胶基碳纤维的核心技术，研究和开发新的高效催化剂仍是当前研究的热点之一。以粘胶纤维为原料制造碳纤维22（3 3）热解过程：2525150150，脱去粘胶纤维的吸附水(脱去物理吸附的水)150 150240240，纤维素环的脱水(脱去化学吸附的水)240 240400400，自由基反应，COCO键及CCCC键断裂，放出H H2 2O O、COCO、COC

9、O2 2等气体 400400以上，进行芳香化，放出H H2 2 和甲烷等。在整个处理过程中，为使CFCF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。以粘胶纤维为原料制造碳纤维23（4 4）黏胶纤维的炭化：有机热固性黏胶纤维经过一系列的工序转化为无机碳纤维，原有的杂环直链结构被彻底破坏，建立起新的乱层石墨结构，黏胶纤维经浸渍催化剂处理后单丝直径由10m10m溶胀到14.8m14.8m；经热氧化处理后，直径又回落到原来的水平；再经过炭化处理，直径收缩到7.2m7.2m左右。以粘胶纤维为原料制造碳纤维24以粘胶纤维为原料制造碳纤维25目前生产的高强、高模CFCF主要是用

10、PANPAN纤维为原料来制造的。CFCF制造过程中最主要环节：原丝制备；原丝预氧化；预氧化丝碳化或进一步石墨化以PAN（聚丙烯腈）为原料制造碳纤维261 1、原丝的制备a.a.聚合丙烯腈的聚合：聚合方法很多。自由基聚合主要有溶液聚合、乳液聚合、悬浮聚合和本体聚合。按聚合单体的配比可分为共聚和均聚；按聚合所用的溶剂可分为有机溶剂和无机溶剂；按聚合和纺丝工艺又可分为一步法和二步法。271 1、原丝的制备a.a.聚合丙烯腈的聚合：一步法：是使用的溶剂既能溶解单体又能溶解聚合树脂，聚合后的溶液可以直接用来纺丝，聚合和纺丝是一条完整的生产线。二步法：采用的溶剂含有水，丙烯腈在水中有一定的溶解度，但聚丙烯

11、腈在水中不溶。随着聚合的进行，聚合物呈絮状沉淀析出，经分离、干燥制成PANPAN粉料，纺丝时，溶解在溶剂中制成纺丝液再进行纺丝，因此聚合和纺丝分开进行。281 1、原丝的制备b.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。在预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、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29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30干湿法纺丝的特点：喷丝孔孔径较大(0.10.3mm),可使高粘度纺

12、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。31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。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。322 2、预氧化 在200300200300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梯形六元环结构，以使PANPAN纤维在高温碳化时不熔不燃，保持纤维形态，热力学处

13、于稳定状态，最好转化为具有乱层石墨的碳纤维，从而得到高质量的CFCF。预氧化过程的重要现象：纤维颜色变化（白黄棕褐色黑色）33施加张力的作用：限制纤维收缩，使环状结构在较高温度下择优取向（相对纤维轴），可显著提高CFCF的模量。预氧化过程中可能发生的反应：环化反应 脱氢反应 吸氧反应34环化反应C C C C CN N N N NC C C C CN N N N N梯形，六元环耐热35脱氢反应CCCCCNNNN 未环化的聚合物链或环化后的杂环可由于氧的作用而发生脱氢反应，形成以下结构：36吸氧反应氧可以直接结合到预氧化丝的结构中，主要生成OH，COOH，CO等，也可生成环氧基。CCCCCNNN

14、NOOHOOOOOCCCCCHCHCHCHCHCCCCCNNNNOOCCCCCHCHCHCHCHCCCCCNNNN或37预氧化过程中的技术关键：预氧化过程中反应热的瞬间排除。采取措施：通入预氧化炉中流动空气。预氧化程度主要由处理温度和处理时间两个参数决定的。38预氧化时间：最佳预氧化时间要由条件实验评选，也可根据有关经验式进行计算。对于常用的PANPAN原丝：预氧化温度愈高，所需时间愈短；纤度愈细，时间愈短；共聚原丝所需预氧化时间要比均聚的短；改变预氧化气氛(如空气中加入SOSO2 2等)可促进预氧化反应的进行，缩短预氧化时间。此外，传热方法对预氧化时间也有影响。39预氧化程度：指在预氧化过程

15、中腈基环化的程度。如果纤维充分氧化，预氧化丝中的氧含量可达16162323，一般控制在6 61212。低于6 6，预氧化程度不足，在高温碳化时未环化部分易分解逸出。高于1212，大量被结合的氧会在碳化过程中以COCO2 2、COCO、H H2 2O O等逸出，导致纤维密度、收率、强度下降。403 3、炭化 在30018003001800的惰性气氛中进行。施加张力？不仅使纤维的取向度得到提高，而且使纤维致密化并避免大量孔隙的产生，可制得结构较均匀的高性能碳纤维。一般采用高纯氮气N N2 241炭化过程中的反应：在炭化过程中，纤维中非C C原子（如N N、H H、O O）被大量除去，预氧化时形成的

16、梯形大分子发生脱N N交联，转变为稠环状，形成了CFCF。炭化后含碳率：达95%95%左右炭化产率：约404045%45%42炭化过程的技术关键：非碳元素的各种气体(如COCO2 2、COCO、H H2 2O O、NHNH3 3、H H2 2、HCNHCN、N N2 2)的瞬间排除。如不及时排除，将造成纤维表面缺陷，甚至断裂。解决措施：一般采用减压方式进行炭化。434 4、石墨化 是指在高的热处理温度下由无定形、乱层结构的碳材料向三维石墨结构转化。碳材料分为难石墨化类和易石墨化类，前者为硬碳，后者为软碳。黏胶丝属于硬碳，中间相沥青属于软碳，PANPAN介于两者之间。石墨化的目的：为了获得高模量

17、的石墨纤维或者高强高模的高性能碳纤维。对碳纤维来说，石墨化时间较短，一般为几秒到几十秒，预氧化时间为近百分钟，炭化时间为几分钟。444 4、石墨化 2500300025003000 施加张力 保护气体 （多使用高纯氩气ArAr，也可采用高纯氦气He He）密封装置（水密封，水银密封，保护气体正压密封等）45 聚合 PAN 纺丝 湿纺 干湿纺 PAN 纤维 预氧化 空气介质 200-300oC 数十至数百分钟 OF 碳化 惰性气氛 1200-1500 oC 数分至数十分钟 石墨化 惰性气氛 2000-3000 oC 数秒至数十秒 CF 丙烯腈 共聚单体 引发剂 表面处理 GrF 深加工 CF 系

18、列产品 基本工艺流程4647优点：沥青资源丰富，成本可降低。在民用方面有很大潜力。沥青：除天然沥青外，一般将有机化合物在隔绝空气或在情性气体中热处理，在释放出氢、烃类和碳的氧化物的同时，残留的多环芳烃的黑色稠状物质称为沥青。其含碳量大于7070，平均分子量在200200以上，化学组成及结构千变万化，它们是结构变化范围极宽的有机化合物的混合物。以沥青为原料制造碳纤维48 1965 1965年日本群马大学的大谷衫郎研制沥青基碳纤维，并获得成功。从此，沥青成为生产碳纤维的新原料，它成为目前碳纤维生产仅次于PANPAN的第二大原料。沥青多种多样，由以下指标来确定：元素组成，以H/CH/C、O/CO/C

19、来表示；软化点；分子量范围大小。以沥青为原料制造碳纤维49沥青基碳纤维目前主要有两种类型：力学性能较低的所谓通用级沥青基碳纤维各向同性沥青碳纤维；拉伸强度特别是拉伸模量较高的中间相沥青基碳纤维各向异性沥青基碳纤维。50常用沥青基碳纤维的制备方法：离心纺丝具有调控黏度的熔融纺丝具有凸柱体的喷丝板纺丝 涡流纺丝51沥青基碳纤维的制备：离心纺丝是纺制通用级短纤维的常用方法，离心纺丝机的构造如下：52沥青基碳纤维的制备：具有调控黏度的熔融纺丝 特点是：吹入空气量是单位体积沥青的2070020700倍，吹喷到沥青上，使其聚合，聚合温度控制在280360280360，沥青聚合后的软化点约为25029025

20、0290，纺丝温度较聚合温度低210210，纺丝头的冷却筒温度为250300250300。其中，关键技术是调控空气的吹入量，使沥青聚合后的黏度控制在10.040.0Pas10.040.0Pas。5354沥青基碳纤维的制备：具有凸柱体的喷丝板纺丝 其特征是：喷丝板板组件的圆柱形凸体可稳定、连续纺丝。55沥青基碳纤维的制备：具有凸柱体的喷丝板纺丝 56沥青基碳纤维的制备：涡流纺丝 其特点是：在喷丝板组件外围设置至少3 3个热空气喷射嘴（内插直柄冲头状件）。熔融沥青通过一螺旋圆通道进入喷嘴入口后，由喷嘴喷出，同时设置在喷丝板的旋流气体喷嘴以直线、快速喷射出热空气流，可纺制细直径沥青纤维。57沥青基碳

21、纤维的制备：涡流纺丝58沥青纤维在炭化之前必须经过不熔化处理，如果不经过不熔化处理直接炭化将会软化熔融，无法保存纤维形状。不熔化处理可采用气相氧化，也可采用液相氧化。另外卤素也可以用来提高沥青纤维的熔点，代替氧进行不熔化处理。不熔化处理的具体条件随原料的不同而变化。一般含碳量高，有侧链及脂肪氢时，只用空气氧化即可；反之，含碳少时，要求更特殊的处理条件。沥青在不熔化处理后便可在惰性气体中进行炭化。注意：591 1、力学性能 研究表明，影响碳纤维弹性模量的直接因素是晶粒的取向度，而热处理条件的张力是影响这种取向的主要因素。碳纤维的强度()、弹性模量(E)(E)与材料的固有弹性模量(E(E0 0)、

22、纤维的轴向取向度()、结晶厚度(d)(d)、碳化处理的反应速度常数(K)(K)之间的关系：110)1()1(dKEE根据阿累尼乌斯公式，反应速度常数K是温度T的函数 取向度越高，纤维的弹性模量越大 反应速率常数主要取决于反应温度，提高温度可以提高反应速率。在提高温度的同时提高牵伸率，则可提高纤维的强度。碳纤维的性能60几种纤维的应力应变曲线比较图碳纤维的应力应变曲线是一条直线，纤维在断裂前是弹性体，断裂是瞬间开始和完成的。碳纤维的力学性能除取决于纤维的结构外，与纤维的直径等有关。一般作为结构材料用的碳纤维直径为6 6m m1111m m。612 2、物理性能碳纤维的物理性能耐热性热膨胀系数比热

23、热导率导电性密度润滑性其他62耐热性：在不接触空气或氧化性气氛时，碳纤维具有突出的耐热性，在高于15001500o oC C下强度才开始下降。热膨胀系数：CFCF的热膨胀系数具有各向异性的特点。平行于纤维方向为负值 垂直于纤维方向为正值 63热导率：热导率具有方向性 平行于纤维方向：16.74 16.74 W/(mK)垂直于纤维方向：0.837 0.837 W/(mK)温度升高，热导率下降。密度：在1.52.0g/cm1.52.0g/cm3 3之间 密度与原丝结构、碳化温度有关。643 3、化学性能 的化学性能与很相似。它除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。在中，当温度高于400 时，则

24、会出现明显的氧化，生成CO和CO2。在不接触或时，碳纤维具有突出的。当碳纤维在高于1500 时，才开始下降；而其它类型材料包括A12O3晶须在内，在此温度下，其性能已大大下降。653 3、化学性能另外，碳纤维还有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化。它还有耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。66第二节 碳纤维的表面结构与性能一、碳纤维的结构石墨：六方晶系碳纤维：乱层石墨结构最基本的结构单元：石墨片层二级结构单元：石墨微晶(由数张或数十张石墨片层组成)三级结构单元：石墨微晶组成的原纤维。直径在50nm50nm左右，弯曲，彼此交叉的许多条带状组成的结构。67理想的石墨点阵结构属

25、六方晶系，真实的碳纤维结构属于乱层石墨结构。石墨的六方晶体结构68石墨层片的缺陷及边缘碳原子石墨微晶最基本的结构单元碳纤维的二级结构单元69原纤维碳纤维的三级结构单元：石墨微晶组成原纤维，直径50nm左右，长度数百纳米。原纤维呈现弯曲、彼此交叉的许多条带状结构组成，条带状的结构之间存在针形空隙，大体沿纤维轴平行排列。最后由原纤维组成碳纤维的单丝70第二节 碳纤维的表面结构与性能一、碳纤维的结构碳纤维由皮层、芯层及中间过渡区组成。皮层：微晶较大，排列有序。芯层：微晶减小，排列紊乱，结构不均匀。71第二节 碳纤维的表面结构与性能一、碳纤维的结构碳纤维的皮层结构：碳纤维由表皮层和芯子两部分组成，中间

26、是连续的过渡区。皮层的微晶较大，排列较整齐有序，占直径的1414，芯子占3939，由皮层到芯子，微晶减小，排列逐渐紊乱，结构不均匀性愈来愈显著。72沥青基石墨纤维端口，石墨片从芯部向外经向辐射，纤维表面有较浅的沟槽。73沥青基石墨纤维切面的透射电镜图。结晶完整的石墨片属平行于纤维轴向排列，内部存在少量微孔相和无定形碳74第二节 碳纤维的表面结构与性能一、碳纤维的结构碳纤维中的缺陷主要来自两方面：原丝带来的缺陷 碳化过程中可能消失小部分，但大部分将保留下来，变成碳纤维的缺陷。碳化过程带来的缺陷 碳化过程中，大量非C C元素以气体形式逸出，使纤维表面及内部形成空穴和缺陷。75第二节 碳纤维的表面结

27、构与性能一、碳纤维的结构 碳纤维中缺陷的观察研究手段：扫描电镜(SEM)(SEM)：纤维表面缺陷 透射电镜(TEM)(TEM)：纤维内部结构76第二节 碳纤维的表面结构与性能二、碳纤维的表面处理目的：清除表面杂质，在碳纤维表面形成微孔和刻蚀沟槽，从类石墨层面改性成碳状结构以增加表面能，或者引进具有极性或反应性的官能团以及形成可与树脂起作用的中间层，以增加物理吸附与化学键合的概率，从而改善碳纤维和基体之间的粘结，提高复合材料的力学性能。77第二节 碳纤维的表面结构与性能二、碳纤维的表面处理方法：高温热处理法化学氧化法电聚合气相沉积法等离子法化学涂层78第二节 碳纤维的表面结构与性能化学氧化法（1

28、 1）气相氧化法 此法设备简单，反应时间短，易和碳纤维生产线衔接进行连续处理，如果反应条件缓和，处理后碳纤维的抗拉强度可基本保持不变或稍有增加。79第二节 碳纤维的表面结构与性能化学氧化法（1 1）气相氧化法气相氧化法的处理效果：CFCF表面积增大、活性官能团增多 空气氧化 臭氧O3氧化法80（1）空气氧化法 空气氧化一般在管式炉中进行，反应温度控制在350600350600之间，反应时间可根据CFCF种类及所需氧化程度决定。优点：设备简单，反应时间短，容易和CFCF生产线衔接起来，无污染，可连续处理。缺点：反应较难控制，易使纤维纵深氧化，使CFCF强度损失严重。沿纤维径向，向纤维内部氧化81

29、（2 2）臭氧O3臭氧表面处理碳纤维的流程示意图1.1.碳纤维；2.2.表面处理炉；3.3.气体出口；4.4.臭氧入口；5.5.臭氧发生器；6.6.干燥塔；7.7.氧气或空气；8.8.浸胶槽；9.9.干燥炉；10.10.收丝机臭氧浓度：一般为0.1-5.0%(V)0.1-5.0%(V)处理温度：室温至250250o oC C左右 82优点：工艺简单，参数易于控制，设备造价低，处理时间短，处理效果显著，并已得到实际应用。缺点：臭氧对人体有害，对含臭氧废气的处理应采取有效措施。83过度氧化危害：使碳纤维强度损失严重；碳纤维增强复合材料（CFRPCFRP）弯曲强度下降；碳纤维和基体过分粘结甚至可使复

30、合材料变脆，并对缺陷的敏感性增大。措施：少量金属杂质，如铜(Cu)(Cu)，铅(Pb)(Pb)等过渡金属的盐。在空气氧化时，可适当加入SOSO2 2或卤素或卤代烃。84第二节 碳纤维的表面结构与性能化学氧化法（2 2）液相氧化法 液相氧化的效果比气相氧化法好，条件适当时，复合材料的剪切强度可增加1 1倍以上，而纤维的强度仅略有下降。85第二节 碳纤维的表面结构与性能化学氧化法（2 2）液相氧化法原因：液相时只氧化纤维表面，而气相氧化剂可能渗透较深，尤其在表面有微裂和缺陷处。但液相氧化多为间歇操作，处理时间长，操作繁杂，难以和碳纤维生产线直接相连接。86碳纤维的液相氧化剂有：硝酸、硫酸、高锰酸钾

31、、重铬酸钾、次氯酸钠等。硝酸法是常用的液相氧化法，经处理后的碳纤维其表面积和官能团均增加。硝酸处理石墨纱时表面官能团的变化87碳纤维CFCF经HNOHNO3 3表面处理后，有下列变化：比表面积增加 表面被刻蚀，表面粗糙度增加 表面官能团增加 主要是COOH COOH 液相氧化对碳纤维表面性能的影响处理条件酸性基团 （eq/geq/g）比表面积 (m(m2 2/g)/g)未处理3 30.380.38硝酸（24h24h）21211.401.4088液相氧化法的缺点：由于大量废酸废液产生，所以环境污染较大；液相氧化多为间歇操作，所需处理时间较长，与CFCF生产线相匹配有困难。所以多用于间歇表面处理和

32、研究表面处理的机理。近年来已逐渐被淘汰。NoteNote：液相氧化时，纤维处理后一定要清洗干净，否则将影响CFCF与基体的粘结强度。89第二节 碳纤维的表面结构与性能等离子法等离子体：随着物质能量的增加，物质的状态将发生由固液汽的转变，进一步增加气体能量，则气体原子中的电子可以脱离原子而成为自由电子，原子成为正离子，这种含电子、正离子和中性粒子的混合体，称为等离子体。90第二节 碳纤维的表面结构与性能等离子法通过等离子体处理，可产生以下效果：使碳纤维表面的沟槽加深，粗糙度增加 并在纤维的表面产生了一些活性基团 如COOHCOOH，COOCOO，OHOH，C CO O等 91第二节 碳纤维的表面

33、结构与性能等离子法等离子法是碳纤维连续通过等离子发射腔进行处理，纤维在减压和存在射频放电的氧气氛中进行等离子氧化，以活化纤维表面。92第二节 碳纤维的表面结构与性能等离子法93第二节 碳纤维的表面结构与性能表面清洁法杂质来源 碳纤维吸收的水分，纤维空隙中残留的有机热解产物以及从环境中沾染的杂质。如何处理？将CFCF在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温一定时间，可以去除吸附水，并使其表面得到净化。94第二节 碳纤维的表面结构与性能电化学氧化法 以碳纤维为阳极，镍板、石墨板、铜板、白金板、白钢板等为阴极，在电解质溶液中于一定电流密度下，靠电解作用产生的初生态氧对CFCF进行氧化刻蚀，并形成含氧官

34、能团。95第二节 碳纤维的表面结构与性能电化学氧化法96阳极电解氧化法的实验装置图（1 1）纺丝卷筒；（2 2）电解槽；（3 3）石墨电极；（4 4）导电辊；（5 5）水洗槽；（6 6）干燥炉97电化学氧化法的影响因素：电解质种类；电流大小；处理时间 等经过电化学处理后可达到的效果：表面刻蚀形成沟槽，使CFCF的表面积增加；表面官能团数量，可在CFCF表面引入OHOH，COOH COOH 等电化学氧化法的优点：处理条件缓和、反应易控、操作简便；处理时间短，可以直接与CFCF生产线相连。98第二节 碳纤维的表面结构与性能表面涂层法表面涂层法：即将某种聚合物、表面处理剂、偶联剂或金属涂覆在CFCF

35、表面。表面涂层法有以下几种方法：气相沉积法、表面电聚合、偶联剂涂层、晶须生长法等。99气相沉积法：在碳纤维表面沉积无定型碳、金属涂层等。表面电聚合：在电场的引发作用下使物质单体在碳纤维表面进行聚合反应，生成聚合物涂层。偶联剂涂层：用偶联剂处理低模量碳纤维晶须生长法：在碳纤维表面通过化学气相沉积生成碳晶须、SiCSiC晶须等，改善碳纤维表面状态、成分及性能。100真正有实用价值的表面处理方法应具备的条件：处理效果好，处理后CFCF强度基本不变或略有下降，最好升高；处理时间短，可与CFCF生产线相匹配；能够连续长时间处理，且操作简单、生产成本低。等离子体处理法臭氧气相氧化法电化学氧化法101第三节

36、 碳纤维的应用及发展一、碳纤维及其复合材料的应用1 1、航空航天领域的应用由于碳纤维增强复合材料的比强度高，因此是维持机翼的扰流片和方向舵气动外形的理想材料，再结合高强度，这类复合材料可用于飞机机翼、尾翼以及直升机桨叶。102CF雷达天线罩103碳纤维制卫星天线104CF制轻质机驾驶舱及机舱105第三节 碳纤维的应用及发展一、碳纤维及其复合材料的应用2 2、汽车及交通运输中的应用采用碳纤维复合材料制造汽车构件不仅可使汽车轻量化，还可以使其具有多功能性。例如，用碳纤维增强树脂基复合材料制造的发动机挺杆，利用其阻尼减振性能，可降低振动和噪声，行驶有舒适感。106碳纤维全外壳轿车107碳纤维汽车弹簧

37、片108第三节 碳纤维的应用及发展一、碳纤维及其复合材料的应用3 3、土木建筑上的应用比如，短切碳纤维增强水泥基复合材料可以制造各种幕墙板，实现建材的轻量化，特别是沿海建筑显示出优异的耐蚀性。利用碳纤维的导电性能可用来制造采暖地板。109碳纤维增强混凝土高楼110第三节 碳纤维的应用及发展一、碳纤维及其复合材料的应用4 4、医疗器械和医用器材上的应用碳纤维与生物具有良好的组织相容性继而血液相容性，可作为生体植入材料。同时发现，碳纤维具有诱发组织再生功能，促进新生组织的再生并在植入碳纤维周围形成。在医用器材方面，可应用于外伤包扎带、医疗加热毯、灭菌除臭褥等。111第三节 碳纤维的应用及发展一、碳

38、纤维及其复合材料的应用5 5、体育娱乐器材上的应用世界碳纤维总量的三分之一是用来制造体育娱乐器材。高档的羽毛球拍、网球拍、钓鱼竿、高尔夫球棒和赛车等几乎都是用碳纤维复合材料制备的。112碳纤维制高级网球拍113碳纤维制高尔夫球杆114Q&A问答环节敏而好学，不耻下问。学问学问，边学边问。He is quick and eager to learn.Learning is learning and asking.115添加标题添加标题添加标题添加标题此处结束语点击此处添加段落文本 .您的内容打在这里，或通过复制您的文本后在此框中选择粘贴并选择只保留文字116谢谢聆听THANK YOU FOR LISTENING演讲者：XX 时间：202X.XX.XX