【碳材料】第三章－高性能炭纤维及其复合材料－碳纤维复合材料.pdf

1 1 第三讲第三讲 碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料 第三章第三章 高性能碳纤维高性能碳纤维 及复合材料及复合材料 2 1. 各向异性各向异性 碳纤维增强复合材料特点碳纤维增强复合材料特点 力学力学、、物理性能除了由物理性能除了由 纤维纤维、、基体的种类和含基体的种类和含 量而定外量而定外，，还与纤维的还与纤维的 排列方向排列方向、、铺层序列等铺层序列等 有关；有关； 可根据工程结构的载荷可根据工程结构的载荷 分布及使用条件的不同，分布及使用条件的不同， 选择相应的材料及铺层选择相应的材料及铺层 设计来满足既定的要求设计来满足既定的要求 3 将纤维沿受力方向排列，并将压力转化成拉力将纤维沿受力方向排列，并将压力转化成拉力 4 2.2.多样性多样性 （（1 1））耐高温性耐高温性、、耐烧蚀性好碳耐烧蚀性好碳/ /碳碳、、碳碳/ /陶陶 5 （（2）良好的摩擦性能）良好的摩擦性能碳碳/碳碳 6 制动用的制动用的2DC/C2DC/C复合材料的特性复合材料的特性 性能性能C/CC/C复合材料复合材料铸铁（铸铁（FC20FC20）） 密度（密度（kg/mkg/m3 3））17001700190019007200720073007300 融点（融点（K K））30803080（升华）（升华）18001800（（FeFe）） 拉伸强度（拉伸强度（MPaMPa））7070100100195195245245 弯曲强度（弯曲强度（MPaMPa））120120150150370370460460 冲击强度（冲击强度（J/cmJ/cm））3 37 72 25 5 比热比热kJ/(kgkJ/(kg K)(1000)K)(1000)2.02.00.70.7 热导率热导率W/(mW/(m K)(24C)K)(24C)100()100() 10()10() 50505454 热膨胀系数（热膨胀系数（1010- -6 6/K/K））(24(241000C)1000C)- -0.40.41.0()1.0() 6.26.28.2()8.2() 10101515 摩擦系数（摩擦系数（C/CC/C对对C/CC/C）） (C/C(C/C对对F/C)F/C) 0.10.10.60.6 0.10.10.20.2 7 （（3）优良的耐腐蚀性碳）优良的耐腐蚀性碳/树脂树脂 8 （（4）有特殊热学、电学、磁学特性）有特殊热学、电学、磁学特性 多相复合多相复合 9 3. 3. 比强度、比模量高比强度、比模量高 重量轻重量轻、、强度高强度高、、模量大模量大 //，，E/E/ 结构材料的减重结构材料的减重，，用最轻重量获得最大用最轻重量获得最大 强度或模量强度或模量 10 1979，completed the 35.8 km (22.2 mi) crossing over English Channel in 2 hours and 49 minutes, achieving a top speed of 29 km/h 11 20092009年，上海毛一青乘坐在年，上海毛一青乘坐在““墨子号墨子号””人力飞机试飞成功，翼展人力飞机试飞成功，翼展27.427.4 米，全长米，全长6.86.8米，空机重米，空机重4242公斤，能坐一个体重轻于公斤，能坐一个体重轻于6565公斤的人。

公斤的人 12 4. 4. 耐疲劳性能好，破损安全性高耐疲劳性能好，破损安全性高 疲劳破坏有预兆；界面疲劳破坏有预兆；界面 疲劳极限疲劳极限/ /静极限强度的百分比高静极限强度的百分比高（（S S- -N N）） 大量独立的纤维大量独立的纤维- -静不定体系静不定体系 13 复合材料与金属材料疲劳损伤增长比较复合材料与金属材料疲劳损伤增长比较 14 15 5. 5. 良好的加工工艺性良好的加工工艺性 可根据制品的使用条件可根据制品的使用条件、、性能要求选择原材性能要求选择原材 料料（（纤维纤维、、树脂树脂）） 可根据制品的形状可根据制品的形状、、大小大小、、数量选择加工成型数量选择加工成型 方法方法 材料材料、、结构的制备在同一工艺过程完成即可整结构的制备在同一工艺过程完成即可整 体成型体成型，，减少装配零件的数量减少装配零件的数量，，节省工时节省工时、、节节 省材料省材料、、减轻重量减轻重量 16 17 第一节第一节 碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理 一、目的一、目的: : （（1）在碳纤维表面产生官能团或界面层，增强与基体的复）在碳纤维表面产生官能团或界面层，增强与基体的复 合作用合作用 （（2）去除碳纤维表面浮碳，避免与基体虚假结合）去除碳纤维表面浮碳，避免与基体虚假结合 （（3）适当刻蚀纤维表面，使其在与基体复合时产生物理嵌）适当刻蚀纤维表面，使其在与基体复合时产生物理嵌 合作用合作用 评价标准：层间剪切强度（评价标准：层间剪切强度（IL-SS）） 18 一根一根T300T300碳纤碳纤 维维/648/648环氧层剪环氧层剪 切破坏界面基体切破坏界面基体 的清晰剪切带的清晰剪切带 19 二、碳纤维的表面特性二、碳纤维的表面特性 未表面处理碳纤维的比表面积很低未表面处理碳纤维的比表面积很低 一根与碳纤维等直径的光滑圆柱体的比表面积为0.325m2/g 20 碳纤维的表面官能团碳纤维的表面官能团 21 商业表面处理与未处理碳纤维的表面官能团商业表面处理与未处理碳纤维的表面官能团 表面处理后比表面积增加幅度很小，但表面含氧官能团大大增加表面处理后比表面积增加幅度很小，但表面含氧官能团大大增加 碳纤维与石墨纤维表面性质不同，官能团的种类也不一样碳纤维与石墨纤维表面性质不同，官能团的种类也不一样 22 三、表面处理的方法 TreatmentImprovement in IL-SS(%) 气相氧化（空气、臭氧、等离子体） 适于与聚合物复合 1015 液相氧化（硝酸、硫酸、阳极氧化） 适于与聚合物复合 100200 聚合物接枝 适于与聚合物复合 80100 表面晶须化 适于与金属、陶瓷复合 200300 裂解碳包覆 适于与碳、陶瓷、金属复合 60100 23 。

炭纤维炭纤维 表面处理炉表面处理炉 气体出口气体出口 臭氧入口臭氧入口 空气空气/ /臭氧臭氧 臭氧发生器臭氧发生器 干燥器干燥器 氧气空气氧气空气 浸胶槽浸胶槽 收丝机收丝机 250250 1.气相氧化法气相氧化法 24 反应介质：空气、氧气、臭氧等反应介质：空气、氧气、臭氧等 温度：温度：350350- -600600 反应时间：反应时间：30s30s2h2h 优点：优点：设备简单，易和设备简单，易和CFCF生产线相衔接生产线相衔接 缺点：（缺点：（1 1）氧化反应剧烈，难以控制，纤维的抗拉强）氧化反应剧烈，难以控制，纤维的抗拉强 度有一定程度的降低；度有一定程度的降低； （（2 2）处理的效果往往难以重现处理的效果往往难以重现 25 不同碳纤维在空气中的氧化行为不同碳纤维在空气中的氧化行为 中间相沥青中间相沥青 基碳纤维基碳纤维 氧化条件氧化条件 温度（温度（））时间（时间（h h））失重（）失重（） P P- -5555 316316 0 00 0 50500.190.19 1991990.250.25 100810080.340.34 375375 50500.320.32 100910090.760.76 43043050500.660.66 26 聚丙烯腈碳聚丙烯腈碳 纤维纤维 氧化条件氧化条件 温度（温度（））时间（时间（h h））失重（失重（% %）） T T- -300300 (1982)(1982) 316316 0 00 0 50500.230.23 1991991.261.26 1008100825.325.3 37537550502.932.93 430430505057.357.3 27 在空气中氧化对在空气中氧化对P ANP AN碳纤维力学性能的影响碳纤维力学性能的影响 用沥青涂层后在空气里氧化用沥青涂层后在空气里氧化在空气中氧化在空气中氧化 高温短时间有利于提高碳纤维的力学性能表面 处理尽可能在纤维表面，尽可能避免扩散到纤 维内部。

28 2. 液相氧化法液相氧化法 （（1）液相氧化介质）液相氧化介质 常用氧化剂有硝酸、硫酸、过氧化氢、高锰酸盐、氯 酸盐次氯酸盐、过硫酸盐 29 0 1 2 3 4 50 1 2 3 4 5 3.03.0 2.52.5 2.02.0 1.51.5 拉伸强度拉伸强度 10103 3(MP a)(MP a) 时间时间( (小时小时) ) 硝酸硝酸 开始时开始时: :消除了表面裂纹使裂纹尖端钝化消除了表面裂纹使裂纹尖端钝化 时间长时间长: :表面刻蚀表面刻蚀, ,强度下降强度下降 30 优点: 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1.0倍以上,而纤 维强度仅略有降低; 只氧化纤维的表面. 缺点: 多为间歇式操作,处理时间长,处理过程 中纤维的洗净也很重要; 操作复杂,难以和CF生产线相衔接. 31 （2）电化学氧化法电化学氧化法 特点：特点：处理条件缓和，反应易于控制，操作简便迅速， 并可直接连接在生产线上，适于工业化生产，能够方 便快捷地调整工艺条件 原理：原理：碳纤维作为阳极，在碳纤维表面电解水产生原子 态氧具有很强的氧化性，将碳纤维表面氧化。

（1）（2）（3） （4） 碳纤维阳极氧化示意图碳纤维阳极氧化示意图 （1）电解槽，（2）电极，（3）水洗槽，（4）干燥炉 32 碳纤维失重率随电量的变化碳纤维失重率随电量的变化 （（1 1）氧化引起碳的流失）氧化引起碳的流失 （（2 2）初期碳的流失较快，可能是浮碳流失和非晶部分较容易被氧化，中间）初期碳的流失较快，可能是浮碳流失和非晶部分较容易被氧化，中间 一定阶段失重减缓，是剩下的微晶难以氧化的缘故，到后期失重加快是由一定阶段失重减缓，是剩下的微晶难以氧化的缘故，到后期失重加快是由 于孔隙增大，反应面积增大于孔隙增大，反应面积增大 33 碳纤维表面酸性官能团总量随电量的变化碳纤维表面酸性官能团总量随电量的变化 电解液对酸性官能团总量的影响电解液对酸性官能团总量的影响 硝酸钾与硫酸钠对比，在前者中较容易产生酸性官能团，原因可能与原子氧硝酸钾与硫酸钠对比，在前者中较容易产生酸性官能团，原因可能与原子氧 （氧自由基）的存活时间有关，同样的电量（即氧量）下氧自由基存活时间越长，（氧自由基）的存活时间有关，同样的电量（即氧量）下氧自由基存活时间越长， 氧化作用越明显氧化作用越明显 1C为6.251018个电 子的电量，1000C为 1.0410-2mol,即 10000mol。

1000C 时酸性官能团总量 为250 mol，氧的 利用率为2.5% 34 电化学处理后用电化学处理后用XPSXPS分析表面官能团的变化分析表面官能团的变化X射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS）可以分析近表皮碳纤维中各种官能团的相对含量）可以分析近表皮碳纤维中各种官能团的相对含量 分析表明，分析表明，PAN基碳纤维，电量为基碳纤维，电量为1060C/g时产生官能团较明显时产生官能团较明显 50nm 35 r Contrastive study of anodic oxidation on carbon fibers and graphite fibers 36 The relationship between charge density and the square of the radius. Data are fitted with a linear function. 37 The dynamic process of wetting. 38 The change tendency of single fibe。