异形截面碳纤维及其对复合材料力学性能的影响

异形截面碳纤维及其对复合材料力学性能的影响
异形截面碳纤维及其对复合材料力学性能的影响

第27卷 第2期

2007年4月

航 空 材 料 学 报

J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LS

V o l 27,N o 2 A pril 2007

异形截面碳纤维及其对复合材料力学性能的影响

徐志伟, 黄玉东, 刘 丽, 张春华

(哈尔滨工业大学理学院应用化学系,哈尔滨150001)

摘要:介绍一种异形截面碳纤维,并对其环氧复合材料的力学性能进行研究。对该碳纤维表面特性和本体结构及碳纤维/环氧复合材料的常规力学性能、破坏模式和纤维堆砌方式进行初步分析,并与T 300碳纤维及其环氧复合材料进行比较。结果表明,与T 300相比该异形截面碳纤维的截面为 腰 形,表面光滑,化学活性差,石墨化程度低,但其比表面积大,对液体的浸润性能好;异形截面碳纤维/环氧复合材料的力学性能达到或者接近T 300环氧复合材料;异形截面碳纤维与树脂基体的界面结合较弱,纤维在材料中的分布均匀性差。关键词:异形截面;碳纤维;复合材料;力学性能

中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2007)02-0052-06

收稿日期:2006-03-16;修订日期:2006-11-01

作者简介:徐志伟(1978 ),男,博士研究生,主要从事树脂基复合材料的界面粘接机理研究。

碳纤维复合材料已广泛用于航天、航空、体育休闲和工业领域[1,2]

。我国当前碳纤维的研制与生产

水平较低,批规模只能提供部分相当于T300类型的碳纤维。此外,大部分国产碳纤维未表面处理,制成复合材料的层间剪切强度偏低,不能用作高性能要求的先进复合材料增强体。因此,加强对国产碳纤维的研究,提高国产碳纤维的强度和性能具有重要意义

[3,4]

。本文介绍一种国产异形截面高强碳纤

维。异形截面碳纤维是相对于圆形截面碳纤维而言的。它是用有特殊几何形状的喷丝板孔挤压出来,截面呈一定几何形状的纤维。目前生产的异形纤维主要有三角形、五角形、三叶形、四叶形、五叶形、扇形、中空形、腰形等。异形截面纤维具有抱合力强,

表面积大,抗弯强度高等优点[5~7]

。研究表明,改变碳纤维的截面形状能提高吸波性,并可应用于结构型吸波复合材料[8]

。Y.J .Cho i 等的研究表明,C 形碳纤维比圆形碳纤维具有更好的力学性能(抗拉强度、抗拉模量和抗扭刚度)

[9]

。目前国内外关于异

形截面纤维用于纺织行业的报道较多,但有关异形截面碳纤维及其复合材料的报道则较少。本工作对该国产异形截面碳纤维的表面特性、本体结构及碳纤维环氧复合材料的力学性能、破坏模式和纤维堆砌方式进行了初步研究,并与T300及其环氧复合材料进行了比较。

1 实 验

1.1 实验原料

实验采用山西煤化所生产的1K PAN 基异形截面碳纤维(密度1.766g /c m 3

,抗拉强度4.13GPa ,模

量217GPa);参比纤维T300(密度1.76g /c m 3

,抗拉强度3.0GPa ,模量220GPa)。树脂体系由E -51、邻苯二甲酸酐和苄基二甲胺按一定比例配制。E -51和邻苯二甲酸酐均为工业级,苄基二甲胺为化学纯。1.2 纤维表面及结构测试

扫描电镜(SE M ):采用日本日立公司S-570型扫描电子显微镜观察碳纤维的表面和复合材料断口的形貌,试样碳纤维是经丙酮48h 抽提后,再经离子溅射喷Au 。

比表面与孔测试分析(BET ):采用美国麦克公司的ASAP2405物理吸附仪,按照GB /T5816 1995《催化剂和吸附剂表面积测定法》标准进行测定(除SE M 外,其他碳纤维试样均为未去涂层的碳纤维)。

表面浸润性表征:采用国产SB -312型浸润仪分别测定了碳纤维对水和乙二醇的浸润曲线。

X 射线光电子能谱分析(XPS):日本岛津制作所的X 射线光电子能谱仪(ESCA-750),X 射线管压8kV,管流30mA,射线源是M g K a ,能量1253.6e V 。X 射线衍射分析(XRD):日本理学公司(R i g aku)D /m an -r B 型X 射线衍射仪,加速电压30~40kV,X 射线波长0.15418nm,仪器增宽因子0.23 。拉曼光谱分析(Ra m an):英国REN I SHAW 公司的RM 2000显微共焦拉曼光谱仪,激光波长为514 5nm ,功率为4~5mW 之间,分辨率为1c m -1

第2期异形截面碳纤维及其对复合材料力学性能的影响

1.3 纤维增强复合材料力学性能测试

将配制好的胶液均匀涂在单向碳纤维束上,放入模具中升温固化,制成单向复合材料,然后加工成不同规格的试样,供力学性能测试。

层间强度,参照GB3357 82;弯曲性能,参照GB3356 82;压缩性能,参照GB3856 83;拉伸性能,参照GB3354 82。2 结果与讨论

2.1 纤维表面形貌分析

用SE M观察异形截面碳纤维和T300的表面物理状态,图1a和b分别为异形截面碳纤维和T300去涂层后的截面形貌,图1c和d分别为异形截面碳纤维和T300去涂层后的表面形貌。从图中可以看

图1 异形截面碳纤维和T300的SEM照片

(a)异形截面碳纤维横截面;(b)T300的横截面;

(c)异形截面碳纤维的侧面;(d)T300的侧面

F i g.1 SE M photographs o f i rregu l a r secti on fi ber and T300

(a)cross-section o f irregu lar fi ber;(b)cross-secti on o f

T300;(c)profil e o f irregu lar fi ber;(d)profile of T300

出,相对于T300圆形截面,异型截面碳纤维截面为

腰 形;异形截面碳纤维表面较光滑,分布着不连

续的类似微裂纹的沟槽,但沟槽较浅。

2.2 纤维吸附特性分析

为得到有关异形截面碳纤维表面形态的进一步

信息,直接测定异形截面碳纤维和T300的N2吸附

曲线、BET比表面积和孔体积。表1给出了纤维的

比表面积、孔体积和平均孔径。从表中可以看出,异

形截面碳纤维的孔体积和平均孔径均较大,比表面

积也明显较高。

表1 纤维的孔结构数据

T ab l e1 Po re struct u re data of CF

Po re vo l u m e/ m l g-1Specific area/

m2 g-1

A verage d i a m e ter/

n m

Irregular

section fi be r

0.0033.033.7

T3000.0022.533.5 纤维氮气吸附曲线如图2。由图2可以看出,两条吸附曲线具有相似的形状,在相同比压下,异型截面碳纤维对N2有较快的吸附速率。

2.3 纤维表面浸润性表征

浸润性表征方法很多,其中S.Chw askti a k提出的浸润性试验是一种准确的测试手段[10,11],通过测

图2 异形截面碳纤维和T300的N

2

吸附和脱附曲线

F i g.2 N

2

adsorpti on and desorption iso t her m s o f

i rregu l a r secti on carbon fi ber and T300

53

航 空 材 料 学 报第27卷

定纤维束的吸水量与时间关系,可以利用式(1)和(2)计算出碳纤维与液体的接触角。 =64(1- )2

H 2

f

m 2

k 2 3v T w f d f 2

l t

(1)cos =

l

(2)

式中, 为纤维表面能的变化量; l 为浸润液的表面张力; 为纤维的体积填充率;H 为试样的长度; f 和 l

分别为纤维和浸润液的密度; 为浸润液的粘度;k 为水利常数;v T 为试样的总体积;w f 为纤维的重量;d f 为纤维单丝直径;t 为浸润平衡时间; 为纤维对浸润液的动态接触角;m 为纤维对浸润液的平衡吸附量。

图3为异形截面碳纤维和T300在水和乙二醇中的浸润曲线。由图可见,异形截面碳纤维在水和乙二醇中浸润速度均高于T300,且达到平衡的时间比T300短,平衡时浸润量也略高于T300。2.4 纤维表面活性分析

碳纤维表面化学活性是以化学活性基团的浓度表示,一般认为活性基团为含O 基团(羟基、羰基、羧基和酯基),因此可以用O /C (即氧与碳的峰面积积分比值)表示化学活性,但这种方法有失偏颇,因为在相同含O 量的纤维表面,活性含O 基团数量可能会相差很多。所以,又可以用纤维表面活性C 原子(C 1s>285e V )数/非活性C 原子(C 1s<285e V )

图3 水和乙二醇对异形截面碳纤维和T 300的浸润曲线 F i g.3 Dyna m i c w etting curve o f wa ter and e t haned i o l on

i rregu l a r CF and T300

数更确切地表示不同种纤维的表面活性[12]

对碳纤维表面XPS 谱图解析和C1s 峰的分峰拟合(图4),可分别计算出异形截面碳纤维和T300表面的O /C 值、官能团比例和活性碳原子数/非活性碳原子数,如表2所示。从表2中可以看出,异形截面碳纤维表面官能团主要以C -O -C 和C -OH 为主,不同于以C -O -C 官能团为主的T300,且COOR 的含量较高;两种活性表征方法的结果相近,异形截面碳纤维的表面活性较低。2.5 纤维结构分析

分别采用了XRD 和Ra m an 技术对纤维结晶度和石墨化程度进行分析。图5为纤维的X 射线衍射谱图。从图中可见,只有布拉格角25 附近002面的衍射峰最明显,晶面间距d (石墨层片间距)可由布拉格方程计算

:

图4 纤维表面的C1s 谱解析

(a)异形截面CF;(b)T300

F i g .4 Peak d i v isi on of fi ber surface C1s spectra

(a)irregular sec tion CF;(b)T 300表2 碳纤维表面XPS 分析结果T ab l e 2 XPS ana l y si s result o f carbon fi bers

COOR (%)

C -O -C(%)

C-OH (%)C-C (%)O /C A c tive C /i nacti ve C

Irregu l ar fibe r

4.3826.7620.0848.790.221.05T 300

2.76

40.03

13.97

43.25

0.31

1.31

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第2期异形截面碳纤维及其对复合材料力学性能的影响d =

2si n

(3)

式中,d 为晶面间距(nm ); 为布拉格角( ); 为单色X 射线波长(0.15418n m )。由上式可计算出异形截面碳纤维的晶面间距d =0.365nm,高于T300的0.347nm 。对于碳纤维,通常晶面间距大,石墨微晶不发达,这种杂乱分布的类石墨微晶之间往往以SP 3

杂化的碳原子联结。所谓石墨化度,即碳原子形成密排六方石墨晶体结构的程度,晶格尺寸愈接近理想石墨点阵参数,石墨化度愈高。d (002)越小,结晶程度越高,石墨化程度也越高。异形截面碳纤维的d (002)晶面间距较大,表明石墨化程度较低,其类石墨微晶的取向自由度大,比表面大,因此异形截面碳纤维的类石墨微晶边缘以及联结的碳原子都具有较高活性。经对去涂层后的异形截面碳纤维和T300的XPS 谱图解析表明,异形截面碳纤维去涂层后的O /C 为0.38,远高于T300去涂层后的0.23。这与XRD

测试分析结论完全一致。

图5 碳纤维的XRD 谱图F ig .5 XRD patterns o f carbon fi bers

拉曼光谱可以反映碳纤维的表面状况和石墨微晶大小的变化、位错晶棱和空隙数量。分别对异形截面碳纤维和T300进行了拉曼光谱分析,测试结果示于图6。从图6中可以看出,碳纤维的拉曼光谱上有两个峰,在1370c m -1

附近的吸收归于无定型碳的晶格振动模式(A 1g 模式),是多晶乱层石墨结构的特征峰,称为D 峰;在1586c m -1

附近的吸收相应于理想石墨单晶的平面振动模式(E 2g 模式),称为G 峰。用两个不同位置谱峰的强度比值R=I 1370/I 1586可以表明石墨化程度。由I D /I G ,根据公式(4)可以求出碳纤维表面的微晶尺寸La

[13,14]。

La =

4 4

I D /I G

(4)

碳纤维的石墨化程度越高,R 值越低,微晶越大。图6中a 和b 分别是异形截面碳纤维和

T300

图6 碳纤维的拉曼光谱图F i g .6 R a m an spectra o f carbon fi ber

的拉曼光谱。经过计算,异形截面碳纤维的R =0 8790,T300的R =0 8581。异形截面碳纤维R 值高于T300,表明异形截面碳纤维石墨化程度较低,

微晶尺寸较小,晶棱数较多,处于纤维表面棱角和边缘位置的不饱和碳原子就较多,纤维表面活性就较大。因此,去掉涂层的碳纤维,异形截面碳纤维表面活性较高。这与XRD 的结果也是一致的。2.6 碳纤维/环氧复合材料力学性能分析

复合材料的常规力学性能包括抗拉性能、抗压缩性能、抗弯曲性能和层间抗剪切性能等,它是复合材料设计人员的主要参数和依据,为此,对异形截面碳纤维/环氧复合材料常规力学性能进行了研究,并与T300/环氧复合材料的相应力学性能进行对比,试验结果示于表3。由表3的比较可知,异形截面碳纤维/环氧复合材料的常规力学性能与T300/环氧复合材料基本相当,异形截面碳纤维/环氧复合材

料拉伸强度高于T300/环氧复合材料,压缩强度、弯

曲强度和层间剪切强度均接近于T300/环氧复合材料,前者的力学性能分散性高于后者。

图7a 和b 分别是异形截面碳纤维和T300的环氧复合材料断口形貌SE M 照片。通过图7的对比可以看出,两种纤维复合材料的破坏均为树脂基体破坏和界面破坏的混合模式,相对于T300碳纤维复合材料,异形截面碳纤维复合材料断口的纤维拔出较长,纤维表面粘附的树脂少,这可能是因为异形截面碳纤维表面的化学活性较低造成的。

在拉伸性能测试中碳纤维的本体强度起主要作用,异形截面碳纤维的抗拉强度高于T300而模量却低于T300,因此异形截面碳纤维复合材料的拉伸强度较高模量较低。

复合材料的压缩、弯曲和层间剪切性能主要取

决于增强相与基体的界面性能,界面结合较弱则不利于复合材料支撑压缩、弯曲和剪切的载荷。XPS 分析表明,异形截面碳纤维表面化学活性较低,因此

55

航 空 材 料 学 报

第27卷

表3 碳纤维/环氧复合材料的力学性能

T able 3 M echanical property of ca rbon fiber /epox y co m posites

0 tens il e strength /M Pa

0 tensile modu l us/GP a 0 co m pressi on streng t h /M P a 0 co m pressi on m odul us /GP a 0 fl exura l strength /M P a Inte rla m i nar shear streng th /M P a Irregu l ar CF /epoxy 1694( 44)129( 5.5)925( 36.9)124( 5.3)1422( 66.4)88.6( 2.6)T300/epoxy

1458( 34)

130( 5.6)

968( 34.2)

128( 4.6)

1503( 55.3)

91.2( 2.

1)

图7 碳纤维/环氧复合材料SE M 断口形貌

(a)异形截面碳纤维;(b)T300

F ig .7 SE M fracture feature o f fi ber /epoxy com posite

(a)irregu l a r secti on fi ber ;(b)T300

纤维与树脂基体之间主要以较弱的物理吸附为主,而键能较高的化学键结合较少;其次,通过SE M 图片可知,异形截面碳纤维表面沟槽较浅,沟槽与环氧树脂复合后的啮合作用较差,削弱了复合材料界面

结合力。另一方面,BET 分析表明,由于异形截面碳纤维截面的不规则性,比表面积大,纤维与树脂之间有更多的接触点;异形截面碳纤维的浸润性能好,有利于纤维与树脂之间的浸润。结果,异形截面碳纤维比表面积大浸润性好的优点弥补了其表面光滑化

学活性低的缺点,两方面的共同作用使异形截面碳纤维/环氧复合材料的压缩、弯曲和层间剪切的强度达到或接近于T300/环氧复合材料。

图8为异形截面碳纤维/环氧复合材料(a )和T300/环氧复合材料(b)的截面扫描电镜图。由图可见,异形截面碳纤维在复合材料中分布均匀性差,出现明显纤维富集区和贫集区,将导致复合材料力学性能分散性高,影响材料总体性能。这与表3复合材料常规力学性能测试结果一致。

图8 纤维在复合材料中的堆砌方式

(a)异形截面碳纤维复合材料;(b)T 300碳纤维复合材料

F i g .8 A rrange status o f carbon fi be r in composite

(a)irregular section fi ber composite ;(b)T300co m pos ite

3 结 论

(1)异形截面碳纤维截面为 腰 形;纤维表面

光滑,沟槽较浅;比表面积大,对N 2的吸附速率高;

对水和乙二醇的浸润性能好。

(2)异形截面碳纤维表面活性较低,纤维表面

56

第2期异形截面碳纤维及其对复合材料力学性能的影响

主要以C-O-C和C-OH为主。结构分析表明,异形截面碳纤维石墨化程度较低,微晶尺寸较小。

(3)异形截面碳纤维/环氧复合材料拉伸强度高于T300/环氧复合材料,压缩强度、弯曲强度和层间剪切强度均接近于T300/环氧复合材料。

(4)异形截面碳纤维复合材料破坏模式是树脂基体破坏和界面破坏的混合模式,纤维与树脂基体的界面结合较弱;异形截面碳纤维在其复合材料中的分布均匀性差。

(5)异形截面碳纤维高比表面积和良好的浸润性弥补表面光滑化学活性低的缺点,其环氧复合材料力学性能达到或者接近T300/环氧复合材料。

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Irregular Section Carbon Fi ber and its Effects on

M echanical Properties of Co mposite

XU Zh-i w e,i HUANG Yu-dong, LI U L,i ZHANG Chun-hua

(Depart m ent of A pp lied Che m istry,H a rbin Institute o f T echno l ogy,H arbi n150001,Ch i na)

Abstrac t:A k i nd o f irregu lar secti on carbon fi ber and i ts epox y composite w ere invo l ved.The surface perfor m ance and fabr i c of carbon fi ber w ere tested,and m echanical properti es,da m aged pattern and fi ber a rrange w ay o f co m pos i te w ere ana l yzed.T he irregu l ar secti on fi ber and its co m pos i te we re co m pared w ith T300and T300/epoxy composite.It w as shown tha t t he cro ss-secti on s hape of irregular fi ber w as k i dney-shaped,the surface o f irregular fi ber was s moo t h,the surface che m ica l acti v ity o f irregular fi be r w as w eak and the degree g raph iti zati on of irregular fi ber w as l ow.But itw as rev ea led that the irregular fi ber had a larg er spec ific surface area and greater w etti ng ab ili ty w it h li qu i d than T300.By t he mechan i ca l property m easure,the pe rf o r m ance o f irregu lar fi ber/epoxy co m posite approached to T300/epoxy co m po site.It was i nd i cated by SE M tha t the i nte rfacia l adhesion of i rregu lar carbon fi ber/epoxy co m pos i te was poo r and the d i str i bution o f irregular fi ber i n co m posite w as uneven.

K ey word s:irregular secti on;carbon fi ber;co m po site;m echan ica l prope rt y

57

碳纤维材料性能及应用

碳纤维材料的性能及应用 碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电,具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。 碳纤维的微观结构类似人造石墨,是乱层石墨结构。另外,碳纤维是指含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。 性能特点: 碳纤维的比重小,抗拉强度高,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、渗碳及电化学腐蚀现象。因此,碳纤维在使用前须进行表面处理。总之,碳纤维是一种力学性能优异的新材料。 应用领域: 用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧,而且消耗动力少,推力大,噪音小;用碳纤维制电子计算机的磁盘,能提高计算机的储存量和运算速度;用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器,机械强度高,质量小,可节约大量的燃料。1999年发生在南联盟科索沃的战争中,北约使用石墨炸弹破坏了南联盟大部分电力供应,其原理就是产生了覆盖大范围地区的碳纤维云,这些导电性纤维使供电系统短路。 目前,人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维,只能采用一些含碳的有机纤维(如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等)做原料,将有机纤维跟塑料树脂结合在一起,放在稀有气体的气氛中,在一定压强下强热炭化而成碳纤维是纤维状的碳材料,其化学组成中含碳量在90%以上。由于碳的单质在高温下不能熔化(在3800K以上升华),而在各种溶剂中都不溶解,所以迄今无法用碳的单质来制碳纤维。碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。目前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。其产生的步骤为A预氧化:在空气中加热,维持在200-300度数十至数百分钟。预氧化的目的为使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构,以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态。B碳化:在惰性气氛中加热至1200-1600度,维持数分至数十分钟,就可生成产品碳纤维;所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气,但一般多用高纯氮气。C石墨化:再在惰性气氛(一般为高纯氩气)加热至2000-3000度,维持数秒至数十秒钟;这样生成的碳纤维也称石墨纤维。碳纤维有极好的纤度(纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数),一般仅约为19克;拉力高达300KG/MM2;还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性能。目前,碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料来应用。这种增强塑料比钢、玻璃钢更优越,用途非常广泛,如制造火箭、宇宙飞船等重要材料;制造喷气式发动机;制造耐腐蚀化工设备等。羽毛球:现在大部分羽毛球拍杆由碳纤维制成。【碳纤维】carbon fibre 含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含

聚丙烯腈碳纤维性能表征规范

聚丙烯腈碳纤维性能表征规范 聚丙烯腈碳纤维的性能主要有力学性能、热物理性能和电学性能。对于碳纤维材料来说,拉伸力学性能,包括拉伸强度、拉伸模量以及断裂伸长率是其主要力学性能指标。由于纤维材料本身的特点,很难对其压缩力学性能进行有效的表征,因此基本不考虑纤维本身的压缩性能。碳纤维的热物理性能包括热容、导热系数、线膨胀系数等,也是材料应用的重要指标。电性能主要为体积电阻率以及电磁屏蔽方面的性能。对于碳纤维的拉伸力学性能测试,各国都已经基本形成了相应的测试标准系列,这些标准系列同时包括了在力学性能测试时需要的线密度、体密度、上浆量等相关的测试。对于热物理性能,相关的测试标准较少。 5.5.1 碳纤维性能测试标准 日本从1986年开始发布了其碳纤维力学性能测试标准,有关标准见表5.30,其中JIS R7601-1986《碳纤维试验方法》涵盖了碳纤维单丝、束丝的拉伸力学性能测试方法外,还包括以及密度、上浆剂含量、线密度等测试方法及规范。JIS R7601-2006《碳纤维试验方法(修正1)》是在国际对石棉制品应用规定严格的条件下,将JIS R7601-1986中拉伸性能测试中夹持用垫片的石棉材料进行了删除。相比于JIS R7601-1986,JIS R7608-2007《碳纤维-树脂浸渍丝拉伸性能测试方法》被广泛地用于碳纤维力学性能的测试,其可操作性和规范性也更强。 表5.30 日本碳纤维测试标准 序号标准号标准名称 1 JIS R7601-1986 碳纤维试验方法 2 JIS R7602-1995 碳纤维织物试验方法 3 JIS R7603-1999 碳纤维-密度的试验方法

碳纤维的特性及应用

碳纤维的特性及应用 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,归纳如下: 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200~400℃时为零,在小于1000℃时为1.5×10-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定,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。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。 八、高X射线透射率 发挥此特点已经在医疗器材中得到应用。 九、疲劳强度高 碳纤维的结构稳定,制成的复合材料,经应力疲劳数百万次的循环试验后,其强度保留率仍有60%,而钢材为40%,铝材为30%,而玻璃钢则只有20%-25%.因此设计制品所取的安全系数,碳纤维复合材料为最低。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料

碳纤维是一种力学性能优异的新材料。他的比重不到钢的1/4,比铝还要轻,比强度是铁的20倍。同钛、钢、铝等金属材料相比,碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点,可以称为新材料之王。因此,可以应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、GOLF球棒等体育休闲领域。 由于使用碳纤维材料可以大幅降低结构重量,因而可显著提高燃料效率。采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机以及卫星、火箭等宇宙飞行器,噪音小,而且因质量小而动力消耗少,可节约大量燃料。据报道,航天飞行器的质量每减少1kg,就可使运载火箭减轻500kg。 碳纤维除了具有一般碳素材料的特性:耐高温, 耐磨擦, 导电, 导热及耐腐蚀等, 其外形有显著的各向异性, 柔软, 可加工成各种织物, 又由于比重小, 沿纤维轴方向表现出很高的强度, 碳纤维增强环氧树脂复合材料, 其比强度、比模量综合指标, 在现有结构材料中是最高的。碳纤维还具有极好的纤度〔纤度的表示法之一是9000米长纤维的克数〕,一般仅约为19克, 拉力高达300kg/mm2。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多一系列的优异性能, 因此在旨度、刚度、重度、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温,化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料具备不可替代的仇势。 碳纤维的物理性质如下: (1)碳纤维的密度在1.5—2.0g/cm3之间,这除与原丝结构有关外,主要决定于炭化处理的温度。一般经过高温(3000℃)石墨化处理,密度可达2.0g/cm3。 (2)碳纤维的热膨胀系数与其它纤维不同,它有各向异性的特点。平行于纤维方向是负值(-0.72×10-6~-0.90×10-6 K-1),而垂直于纤维方向是正值(32×10-6~22×10-6 K-1)。 (3)碳纤维的比热容一般为7.12×10-1KJ/(kg·K)。热导率随温度升高而下降。 (4)碳纤维的比电阻与纤维的类型有关,在25℃时,高模量为775ìù/cm,高强度碳纤维为1500ìù/cm。碳纤维的电动势为正值,而铝合金的电动势为负值。因此当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生化学腐蚀。 碳纤维的物理性质如下: 碳纤维的化学性质与碳相识,它除能被强氧化剂氧化外,对一般碱性是惰性的。在空气中,温度高于400℃时则出现明显的氧化,生成CO与CO2。在不接触空气和氧化剂时,碳纤维具有突出的耐热性能,与其他材料相比,碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降,而其他材料的晶须性能也早已大大的下降。另外碳纤维还具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、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和减速中子等特性。 表1 不同种类碳纤维的力学性能

碳纤维材料的性能

碳纤维材料的性能及应用 摘要:介绍了碳纤维及其增强复合材料,详细介绍了碳纤维复合材料的分类和特性,着重阐述了碳纤维及其复合材料在高新技术领域和能源、体育器材等民 用领域的应用,并对未来碳纤维复合材料的发展趋势进行了分析。 关键词:碳纤维性能应用 0引言 碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料,不仅在国防战略武器建设中具有不可替代性,在绿色能源建设、节约能源技术发展和促进能源多样化过程中也将发挥极其重要的作用。若将先进碳纤维复合材料在国防领域的应用水平和规模视作国家安全的重要保证,则碳纤维复合材料在交通运输、风力发电、石油开采、电力输送等领域的应用将与有效减少温室气体排放、解决全球气候变暖等环境问题密切相关。随着对碳纤维复合材料认识的不断深化,以及制造技术水平的不断提升,碳纤维复合材料在相关领域的应用研究与装备不断取得进展,借鉴国际先进的碳纤维复合材料应用经验,牵引高性能碳纤维及其复合材料的国产化步伐,对于改变经济结构、节能减排具有重要的战略意义。 1碳纤维材料 1.1何为碳纤维材料 碳纤维是一种含碳量在9 2% 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不仅是21 世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。碳纤维分为聚丙烯睛基、沥青基和粘胶基 3种, 其中90 % 为聚丙烯睛基碳纤维。聚丙烯睛基碳纤维的生产过程主要包括原丝生产和原丝碳化两部分。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料, 广泛应用于航空航天领域体育休闲领域以及汽车制造、新型建材、

碳纤维复合材料结构设计要点

强度与刚度 既然是结构部件,那么设计者首先要考虑的是强度和刚度。部件在外力载荷的作用下,有抵 抗变形与破坏的能力,但是这个能力又是有限度的。 如何4定部件的使用载荷,不会超出部件的能力极限,是通过材料力学计算得出。而部件的 这个能力极限,就是碳纤维复合材料结构设计者需要考虑的问题。 通过合理的搭配纤维和树脂,优化纤维排布,用最少的材料,满足设计需求,体现了复合材 料设计者精湛的技巧。不过决定复合材料强度与刚度的因素,不但与纤维和树脂的种类有关,还与碳纤维的铺层方向以及层与层之间结合搭配有关。 所以,设计者在设计碳纤维复合材料结构部件时,需要考虑三个层级结构的力学性能。 由基体和增强材料复合而成的单层材料,其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各 相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能。 由单层材料层合而成的层合体,其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的 厚度、铺设方向、铺层序列) 。 最顶层结构是指通常所说的工程结构或产品结构,其力学性能决定于层合体的力学性能和结 构几何。 稳定性 除了强度与刚度要求,设计者还需考虑复合材料部件的失稳,尤其是对一些细长杆结构,在 受压时,应该能够保证其原有的直线平衡状态。对于一些框架结构部件,如果铺层不均匀, 也会产生翘曲失稳,所以在制造过程中尤其注意。最好采用对称铺层,以防变形不均匀。 一般情况下,在部件没有达到极限载荷之下,不允许产生失稳现象。但是如果对于一些特殊 要求,可以产生失稳现象,那么设计过程中,要考虑失稳过程不会因此影响极限载荷。 铺层结构 铺层结构是碳纤维复合材料结构设计的关键,如何把单层结构的优异性能传递到复合材料结 构部件上,铺层结构起到承上启下的作用。关于复合材料铺层应注意以下几点: 1. 树脂是碳纤维复合材料力学性能的短板,所以尽量避免将载荷直接加到层间或者树脂之间。也就是说,0°、±45°、90°的纤维都要有,否则载荷会将部件从没有纤维排布的方向撕裂。 2. 为了防止层合板边缘开裂,尽量避免重复单一方向的铺层,设计时最多不超过5层。 3. 为了防止最外层铺层的剥离,在部件的主载荷方向,应铺放±45°纤维,而不能铺放0°和90°纤维。另外,避免最外层铺层间断或不完整。 4. 若使用非对称铺层,每层因同方向上热膨胀系数不同会出现翘曲,因此,一般要采用对称 铺层。 5. 当增加补强铺层时,每层阶梯最少要3.8- 6.4mm,附加铺层也应尽量采用对称铺层。

碳纤维板力学性能

碳纤维板力学性能 一、卡本碳纤维板加固技术优点 1、抗拉强度高,是同等截面钢材的7-10倍; 2、自重轻、易使用,作业轻松且不需大型机械设备; 3、在平板下端如有配管交错放置或受空间限制的情况,便于直接作业; 4、粘贴碳纤维板时,碳板胶不流淌,减少对作业周边环境的影响; 5、补强后基本不改变构件的形状及重量和使用空间; 6、粘贴1层碳纤维板的补强效果相当于4~8层碳纤维布,从而可以更大程度的提高结构性能; 7、在遇有中间梁或壁的平板时,只要能凿穿使碳纤维板能够通过的孔洞即可,无需截断,更加提高补强效果; 8、施工后很容易进行目视或锤击法检查。 二、卡本碳纤维板力学性能 1、碳纤维板原材料力学指标 纤维类别性能项目抗拉强度(MPa)弹性模量(GPa)伸长率(%) 碳纤维 高强度Ⅰ级≥4900≥240≥2.0 高强度Ⅱ级≥4100≥210≥1.8 2、碳纤维板性能指标 产品型号 纤维 方向 厚度 (mm) 幅宽 (mm) 长度 (m) 抗拉强度 (MPa) 弹性模量 (GPa) 纤维体 积含量 (%) 伸长率 (%) CFP-I-512/514 单向 1.2/1.4 50 50/100 ≥2400≥160≥65≥1.70 CFP-I-1012/1014 单向 1.2/1.4 100 50/100 ≥2400≥160≥65≥1.70 CFP-II-512/514 单向 1.2/1.4 50 50/100 ≥2000≥140≥55≥1.50 CFP-II-1012/1014 单向 1.2/1.4 100 50/100 ≥2000≥140≥55≥1.50 3、碳纤维板设计计算指标 性能项目单向织物(布)

碳纤维性能的优缺点及其对策

碳纤维性能的优缺点及其对策 现面以结构加固用的碳纤维布为例说明碳纤维的性能: 碳纤维布加固技术是利用碳素纤维布和专用结构胶对建筑构件进行加固处理,该技术采用的碳素纤维布强度是普通二级钢的10倍左右。具有强度高、重量轻、耐腐蚀性和耐久性强等优点。厚度仅为2mm左右,基本上不增加构件截面,能保证碳素纤维布与原构件共同工作。 1、碳纤维介绍 碳纤维根据原料及生产方式的不同,主要分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维及沥青基碳纤维。碳纤维产品包括PAN基碳纤维(高强度型)及沥青基碳纤维(高弹性型)。 2、环氧树脂 不同类型的树脂还可以保证其对砼具有良好的渗透作用,例如底涂树脂;以及对碳纤维片与砼结构的粘接作用,例如环氧粘结树脂等。 (1)环氧树脂简介 仅仅依靠碳纤维片本身并不能充分发挥其强大的力学特性及优越的耐久性能,只有通过环氧树脂将碳纤维片粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作,才能达到补强的目的。因此,环氧树脂的性能是重要的关键之一。环氧树脂因类型不同而有不同的性能,适应于各个部位的不同要求。例如底涂树脂对混凝土具有良好的渗透作用,能渗入到混凝土内一定深度;粘贴碳纤维片的环氧树脂易于"透"过碳纤维片,有很强的粘结力。依使用温度的不同,树脂还分为夏用及冬用类树脂。 2、碳纤维材料与其他加固材料对比 (1)抗拉强度:碳纤维的抗拉强度约为钢材的10倍。 (2)弹性模量:碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材,但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一。 (3)疲劳强度:碳纤维和芳纶纤维复合材料的疲劳强度高于高强纲丝。金属材料在交变应力作用下,疲劳极限仅为静荷强度的30%~40%。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展,以及存在纤维内力再分配的可能性,复合材料的疲劳极限较高,约为静荷强度的70%~80%,并在破坏前有变形显著的征兆。 (4)重量:约为钢材的五分之一。 (5)与碳纤维板的比较:碳纤维片材可以粘贴在各种形状的结构表面,而板材更适用于规则构件表面。此外,由于粘贴板材时底层树脂的用量比片材多、厚度大,与混凝土界面的粘接强度不如片材。

碳纤维增强复合材料概述

碳纤维增强复合材料概述 摘要:本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍,详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字:碳纤维,复合材料,应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料,按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料,到目前为止,主要的发展方向是结构复合材料,但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料(constituent materials),它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言,组分材料包括基体和增强体,基体是复合材料中的连续相,其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷;增强体是复合材料中承载的主体,包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体,其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维,按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维,而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料,直径范围在6~8 μm 内,是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类:聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维,分别用聚丙烯腈原丝(称之为前驱体)、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺,使纤维中的氢、

碳纤维增强镁合金层合板及其基本力学性能

碳纤维增强镁合金层合板及其基本力学性能 Investigat ion into the T ension Propert ies of Carbon Fiber Reinforced M agnesium A lloy Lam inates 郑长良1,朱公志1,刘文博2,王荣国2, (1大连海事大学机电与材料工程学院,辽宁大连116026; 2哈尔滨工业大学复合材料研究所,150001) ZH ENG Chang liang1,ZH U Gong zhi1,LIU Wen bo2,WANG Ro ng g uo2 (1Electro mechanics and Mater ials Engineering Co lleg e, Dalian M aritime Univ er sity,DaLian116026,China;2Center fo r Co mposite M aterials,H arbin Institute of T echnolog y,H ar bin150001,China) 摘要:对碳纤维增强镁合金金属层合板FM L(F iber M etal L aminates)进行了初步的探索和研究。在几种不同层数和体分比下,制备了碳环氧/镁合金层合板这种轻型结构材料,通过对这种新材料的初步力学性能的试验测试,给出了碳纤维增强镁合金金属层合板的应力 应变曲线,以及强度极限、弹性模量与纤维/环氧复合材料百分含量的关系。 关键词:碳纤维;层合板;镁合金;拉伸 文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2007)Suppl 0148 03 Abstract:T he Fiber reinforced mag nesium alloy laminates are investigated Some laminates w ith dif ferent m unber of layer and different vo lum e ratio of composite are fabricated The basic m echanics pro perties such as limite streng th,mo duls and stress strain curves are tested and discussed Key words:carbon fiber;lam inate;mag nesium alloy;tensio n 近些年来,FM L(Fibre M etal Laminates,纤维增 强金属层合板)因其具有高比强度、高比模量及优良的耐疲劳等良好的特性而越来越受到关注[1],开始应用于航空结构中,并有越来越多的趋势,由于潜力巨大,有望成为 下一代飞机结构材料[3-5]。目前,开发研制纤维增强金属层合板有ARA LL(aramid fiber/alu m inium,芳纶纤维增强铝合金层合板)、GLARE (glass fiber/alum inium玻璃纤维增强铝合金层合板)等。其中GLARE已在空中客车结构中得到应用,表明这种结构材料在性能上具有强大的竞争力和优势。目前我国已将 大飞机研制列入 十一五规划,使得FM L研发的重要性和紧迫性大幅度提高。 目前,纤维增强金属层合板,多数采用铝、锂合金。相比之下,镁合金的密度更低,只有铝合金的三分之二,是当前最轻的金属材料[2]。因此,在重量方面更具有优势,更适于FM L结构材料的开发,有望制造出比强度、比刚度更高的纤维增强金属层合板。而镁合金金属层合板的研究还很少见。 本工作将就碳纤维增强镁合金层合板及其基本力学性能进行初步探索和研究。1 材料及试件制作 图1展示了由两层碳纤维/环氧树脂铺层与三层镁合金板交替铺设的纤维增强镁合金金属层合板的结构形式。本研究制备了三种不同铺层的层合板,碳纤维/环氧复合材料铺层体积百分比变化的实现是通过增加复合材料的厚度和层数来实现的。经测定,三种层板的纤维复合材料的体分比分别为:26%,42%, 55%。文中用v f来表示复合材料占整个试件的体积百分比。试验所用镁板的厚度为0 3m m,是营口银河镁合金有限公司生产的。所用纤维为T800,胶粘剂是环氧树脂。从室温加热至120!,保温4h,再在炉内冷却至室温进行固化。 2 性能测试 每种体分比的金属层合板,我们制备了五个等截面矩形试件,试件的宽度是15mm,长度是300mm。在试件的两端粘接四个垫片,材料为铝板。试件及垫片的结构及尺寸如图2所示。 148 材料工程/2007年增刊1(China SA M P E2007)

碳纤维复合材料

碳纤维复合材料 碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体,以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料,简称碳纤维复合材料。 碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。 (1)密度低(1.7g/cm3左右)在承受高温的结构中,它是最轻的材料;高温的强度好,在2200oC时可保留室温强度;有较高的断裂韧性,抗疲劳性和抗蠕变性;而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料,纤维取向明显影响材料的强度,在受力时其应力-应变曲线呈现"假塑性效应"即在施加载荷初期呈线性关系,后来变成双线性关系,卸载后再加载,曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。 (2)热膨胀系数小,比热容高,能储存大量的热能,导热率低,抗热冲击和热摩擦的性能优异。 (3)耐热烧蚀的性能好,热烧蚀性能是在热流作用下,由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。 复合原理它以碳纤维或碳纤维织物为增强体,以碳或石墨化的树脂作为基体。 复合以后的这种材料在高温下的强度好,高温形态稳定,升华温度高,烧蚀凹陷性,平行于增强方向具有高强度和高刚性,能抗裂纹传播,可减震,抗辐射。 碳纤维增强尼龙的特色 碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特色,与玻璃纤维比较,模量高3?5倍,因而是一种取得高刚性和高强度尼龙资料的优秀增强资料。碳纤维复合资料可分为长(接连)纤维增强和短纤维增强两大类。纤维长度可从300~400m 到几个毫米不等。曩昔10年中,大家在改善不一样品种的碳纤维复合资料加工办法和功能方面投入了许多的研讨。从预浸树脂到模塑法加工,从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型,在碳纤维复合资料及制品制造方面积累了许多成功的经历。当前普遍认为,长(接连)纤维有高强、高韧方面的优越性,短切纤维有加工性好的特色。因而,长碳纤维复合资料在加工上完善成型技术、短碳纤维复合资料进一步进步力学功能是碳纤维复合资料开展的方向。 依据碳纤维长度、外表处理方式及用量的不一样,还能够制备归纳功能优秀、导电功能各异的导电资料,如抗静电资料、电磁屏蔽资料、面状发热体资料、电极资料等。碳纤维增

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用林德春潘鼎高健陈尚开 (上海市复合材料学会)(东华大学)(连云港鹰游纺机集团公司) 碳纤维是纤维状的碳素材料,含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能,与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中,是唯一强度不下降的物质。此外,其还兼具其他多种得天独厚的优良性能:低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性,纺织加工性均优良等。因此,碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域,在航空航天领域的光辉业绩,尤为世人所瞩目。 可以明显看出,在航空航天领域碳纤维的用量有大幅度增加,2006年比2001年增长约40%,2008年增长约76%,2010年和2001年相比增长超过100%。 本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在航空航天领域应用的新进展。 1 航空领域应用的新进展 T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用,目前应用较多的 为拉伸强度达到5.5GPa,断裂应变高出T300 碳纤维的30%的高强度中模量碳纤维T800H 纤维。 (1)军品 碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上,碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了明显的减重作用,大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能,数据显示采用复合材料结构的前机身段,可比金属结构减轻质量31.5%,减少零件61.5%,减少紧固件61.3%;复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量,国外第四代军机的结构重量系数已达到27~28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右,其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机,已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材。 美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料:F-22的结构重量系数为27.8%,先进复合材料的用量已达到25%以上,军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人

碳纤维特性

碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电,具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。 用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧,而且消耗动力少,推力大,噪音小;用碳纤维制电子计算机的磁盘,能提高计算机的储存量和运算速度;用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器,机械强度高,质量小,可节约大量的燃料。目前,人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维,只能采用一些含碳的有机纤维(如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等)做原料,将有机纤维跟塑料树脂结合在一起,放在稀有气体的气氛中,在一定压强下强热炭化而成碳纤维是纤维状的碳材料,其化学组成中含碳量在90%以上。由于碳的单质在高温下不能熔化(在3800K 以上升华),而在各种溶剂中都不溶解,所以迄今无法用碳的单质来制碳纤维。碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。上前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。其产生的步骤为A预氧化:在空气中加热,维持在200-300度数十至数百分钟。预氧化的目的为使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构,以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态。B碳化:在惰性气氛中加热至1200-1600度,维持数分至数十分钟,就可生成产品碳纤维;所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气,但一般多用高纯氮气。C石墨化:再在惰性气氛(一般为高纯氩气)加热至2000-3000度,维持数秒至数十秒钟;这样生成的碳纤维也称石墨纤维。碳纤维有极好的纤度(纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数),一般仅约为19克;拉力高达300KG/MM2;还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性能。目前,碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料来应用。这种增强塑料比钢、玻璃钢更优越,用途非常广泛,如制造火箭、宇宙飞船等重要材料;制造喷气式发动机;制造耐腐

碳纤维力学性能论文

本科毕业论文 论文题目:PAN基碳纤维碳酸氢铵电解氧化表面处理研究 姓名:翟姣姣 学号:20140073110 院(系、部):化学工程与生物技术学院 专业:化学 班级:2014级化接本 指导教师:臧红霞副教授 完成时间:2016 年 4 月

摘要 PAN基碳纤维是指化学组成中碳元素质量分数在90%以上的纤维材料,是利用各种有机纤维在惰性气体中,经过低温氧化、低温碳化及高温碳化而制的。为了得到高性能碳纤维需进行表面处理,表面处理是高性能碳纤维制备的重要环节之一。本文主要以5%的碳酸氢铵溶液为电解液,采用阳极氧化对PAN基碳纤维表面进行氧化处理,通过对碳纤维改性前后层间剪切强度、拉伸强度等力学性能进行对比分析,分别探讨了在恒流模式下调节电解电压和恒压模式下调节电解温度对PAN基碳纤维力学性能的影响。结果表明:在阳极氧化过程中随着电压强度的提高,碳纤维的拉伸强度、层间剪切强度呈现先上升后下降的趋势。随着温度的不断提高,碳纤维的拉伸强度呈现先下降后上升再下降的趋势、层间剪切强度呈逐步增大的趋势。 关键词:PAN基碳纤维;表面处理;电化学氧化;力学分析

Abstract PAN based carbon fiber is a fiber material in more than 90% of the mass fraction of carbon in the chemical composition,it is the use of various kind of organic fibers in an inert gas, after oxidation at low temperature, low temperature and high temperature carbonization and system.In order to get high-performance carbon fiber need to surface treatment, surface treatment is one of the important links of the preparation of high carbon fiber. In this paper, with5% of the ammonium bicarbonate solution as the electrolyte,oxidation on the surface of PAN based carbon fibers and oxidation treatment, through carries on the contrast analysis of carbon fiber before and after modification interlaminar shear strength, tensile strength and other mechanical properties were analyzed,in the constant, discussed under the mode of constant current and constant voltage electrolysis voltage mode electrolytic temperature on mechanical properties of PAN based carbon fiber effect.The results showed that with the increase of the voltage in the process of anodic oxidation,carbon fiber tensile strength,shear strength between the layers of first after rising downward trend.With the constant improvement of the temperature,the tensile strength of carbon fiber,showed a trend of rise and fall after the first drop,interlayer shear strength have been gradually increasing trend.With the increase of temperature,the tensile strength of carbon fibers showed a trend solid content properly. Keywords: pan-based carbon fiber;surface treatment;electrochemical oxidation;Mechanics analysis

碳纤维复合材料

碳纤维复合材料 编辑本段概况 在复合材料大家族中,纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来,碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功,性能不断得到改进,使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。 编辑本段结构 碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,其含碳量随种类不同而异,一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性,如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等,但与一般碳素材料不同的是,其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物,沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小,因此有很高的比强度。 碳纤维是由含碳量较高,在热处理过程中不熔融的人造化学纤维,经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。 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7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa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。 编辑本段用途 碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都颇具优势。 碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的,现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。

复合材料力学性能实验复习题new要点

复合材料力学性能实验复习题 1.力学实验方法的内涵? 是以近代力学理论为基础,以先进的科学方法为手段,测量应变、应力等力学量,从而正确真实地评价材料、零部件、结构等的技术手段与方法; 是用来解决“物尽其用”问题的科学方法; 2.力学实验的主要任务,结合纤维增强复合材料加以阐述。 面向生产,为生产服务;面对新技术新方法的引入,研究新的测试手段;面向力学,为力学的理论建设服务。 3.对于单向层合板而言,需要几组实验来确定其弹性模量和泊松比?如何确定实验方案? 共需五组实验,拉伸0/90两组,压缩0/90两组,剪切试验一组。 4.单向拉伸实验中如何布置应变片? 5.单向压缩实验中如何布置应变片? 6.三点弯曲实验中如何布置应变片? 7.剪切实验中如何布置应变片? 8.若应变片的粘贴方向与实样应变方向不一致,该如何处理? 9.若加载方向与材料方向不一致,该如何处理?(这个老师给了) 10.纤维体积含量的测试方法? 密度法、溶解法 11.评价膜基结合强度的实验方法? 划痕法、压痕法、刮剥法、拉伸法、黏结剂法、涂层直接加载法、激光剥离法、弯曲法。 12.简述试样机械加工的规范? 试样的取位区(距板材边缘30mm以上,最小不得小于20mm) 试样的质量(气泡、分层、树脂富集、皱褶、翘曲、错误铺层) 试样的切割(保证纤维方向和铺层方向与试验要求相符) 试样的加工(采用硬质合金刀具或砂轮片加工,防止试样产生分层、刻痕和局部挤压等机械损伤) 试样的冷却(采用水冷,禁止油冷) 13.纤维增强复合材料在拉伸试验中的几种可能破坏模式及其原因? 所有纤维在同一位置破坏,材料吸收断裂能量很小,材料断裂韧性差; 纤维在基体中拔出,吸收断裂能量很大,材料韧性增加并伴随界面开裂; 介于以上两者之间。 14.加强片的要求? 材料硬度低,便于夹具的咬合;材料的强度高,保证载荷能传递到试样上,且在试样发生破坏前本身不发生破坏。

PP/碳纤维复合材料力学性能的研究

PP/碳纤维复合材料力学性能的研究 徐久升 摘要:综合考虑碳纤维材料的加工适应性以及对基体力学性能改善的能力,分别选取了短切碳纤维和碳纤维粉末作为增强相,比较了它们对于PP的增强效果以及加工的难易,通过测定拉伸性能和冲击韧性考察了短切碳纤维的含量以及碳纤维粉末的含量对各自复合材料力学性能的影响。结果表明,随着碳纤维含量的增加,两种复合材料的冲击韧性以及拉伸性能都呈先增加后减小的趋势,短切碳纤维作为增强相对于基体树脂的力学性能增强效果更为显著,碳纤维粉末作为增强相的复合材料加工适应性强,性能更加稳定,该研究对碳纤维制品的实际注塑生产具有十分重要的意义。 关键词:PP/碳纤维复合材料;拉伸强度;冲击韧性 Research on Mechanical Properties of Carbon Fiber Reinforced PP Composites Xu Jiusheng Abstract:In consideration of the difficulty of producing and the ability of property improving,short carbon fiber and carbon fiber powder were selected as reinforced phase to compare the improving effect and producing difficulty of them,the influences of short carbon fiber/carbon fiber powder on the mechanical properties of these two composite materials were discussed by determining tensile property and impact toughness.The results show that with the content of carbon fiber increase,the impact toughness and the tensile property of these two composite materials increase first and then reduce,the reinforce effect of mechanical property are more obvious if short carbon fiber is chosen as the reinforced phase,on the contrary,when carbon fiber powder is chosen to be reinforced phase,a composite material with more stable property and easier producing adaptability is acquired,which is instructive to the actualinjection production of carbon fiber products. Keywords:PP/CF composite;tensile strength;impact toughness 碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,按其原料可分为3类:聚丙烯腈基(PAN)碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维,其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广,需求量也最大,碳纤维是通过有机母体纤维(聚丙烯睛、粘胶丝或沥青等)高温(1000~3000℃,惰性气体环境)分解,碳化制成的,碳纤维增强复合材料(CFRP)是以碳纤维作为增强体的复合材料,与传统材料相比,它具有高比强度、高比模量、质量轻等优越性能,密度不到钢的1/4,能像铜那样导电,比不锈钢还耐腐蚀,拉伸强度一般都在3500MPa以上,是钢的7~9倍,拉伸弹性模量为23000~43000MPa,也高于钢,在新型民用超音速飞机、水下核潜艇、高速列车等尖端科学技术领域以及建筑、机械、化工等领域得到愈来愈广泛的应用,并且在某些领域有逐步取代传统金属材料的趋势。碳纤维的加入大大改善材料的力学性能,目前市场上的碳纤维主要有纤维态、粉末态两种,对于纤维态碳纤维,由于本身纤维的形态可以承受高强度的力学性能,但对于大型复合制品,由于纤维表面的静电吸引作用,导致纤维和基体很难均匀混合所以加工成型的难度大、成本高,而对于粉末态碳纤维的复合制品,其力学性能略逊,但是加工成型则较容易,笔者通过测定短切碳纤维增强PP复合材料以及碳纤维粉末增强PP复合材料的力学性能,考察了短切碳纤维以及碳纤维粉末的含量对各自复合材 料力学性能的影响,最后比较了两者对于基体树脂(PP)的增强效果以及加工的难易,这为生产实际中使用碳纤维的形态选择提供了参考。 1实验部分 1.1实验原材料

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