东丽碳纤维增强复合材料的战略Toray’s Strategy for Carbon Fiber Composite Materials
碳纤维增强树脂基复合材料PPT课件
纤维
材料。
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碳纤维增强树脂基复合材料简介——碳纤维
➢ 碳纤维的特点：拉伸强度和拉伸模量高，密度低、比模量高 ，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，耐腐蚀性 好良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。
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碳纤维增强树脂基复合材料简介——树脂基体
碳纤维增强树脂复合材料所用的基体树脂： 热塑性树脂基体（乙烯、尼龙、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等） 热固性树脂基体（环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等）
第三阶段：
应用于受力不大的 应用于承力大的结 应用于复杂受力结
构件，如各类操作 构件，如安定面、 构，如机身、中央
面、副翼、口盖、 全动平尾和主受力 翼盒等。
阻力板等。
结构机翼等。
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发展与应用——航空航天上的应用
➢ 航天应用： 1.军机应用 2.民机应用
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发展与应用——航空航天上的应用
➢ 航空应用 1.卫星及空间站的结构材料和部件 2.导弹用结构材料 3.运载火箭用结构材料
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发展与应用——在能源、汽车及其他工业部门的应用
对于未来的汽车工业，碳纤维复合材料将成为汽车 制造的主流材料。将在汽车发动机汽缸，机械驱动轴， 车体板和其他部件得到发展和应用。
同时也能在，在基建、兵器、医疗器械、体育休闲 用品等领域都存在巨大的市场潜力。
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成型技术
液体模塑成型技术（LCM）
其他低成本成型 技术还包括
纤维缠绕、拉挤 等
结构反应注射模塑
真空辅助树脂传递模塑（VARTM）
树脂渗透成型工艺（SCRIMP）
碳纤维的性能、应用及相关标准
聚丙烯腈基(PAN) 碳纤维的性能、应用及相关标准2010 年6 月15 日10:42 中国纤检摘要:聚丙烯腈基碳纤维就是一种力学性能优异的新材料, 在航空、航天、建筑、体育、汽车、医疗等领域得到广泛的应用。
本文简要介绍了国内外PAN 基碳纤维的发展历程与现状,PAN基碳纤维的制备、结构及性能及碳纤维的应用领域,详细介绍了PAN 基碳纤维相关标准及检测,并对未来发展进行了展望。
关键词:碳纤维;聚丙烯腈;标准碳纤维就是一种力学性能优异的新材料, 它不仅具有碳材料的固有特性, 又兼备纺织纤维的柔软可加工性, 就是新一代增强纤维。
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，就是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000Mpa~43000Mpa亦高于钢。
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。
碳纤维就是一种以聚丙烯腈(PAN) 、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，就是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械与土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好,因而发展很快,产量占到90%以上，成为最主要的品种。
1国内外聚丙烯腈基碳纤维的发展现状1、1国外发展现状1959年，媒体报道的日本的进藤昭南由聚丙烯腈长丝经预氧化、碳化而制成性能优良的碳纤维工艺专利，由于该工艺简单，产品力学性能优良，因此发展较快，开创了碳纤维的新时代。
世界上聚丙烯腈基碳纤维的生产，现在已分化为以美国为代表的大丝束碳纤维与以日本为代表的小丝束两大类。
日本与美国所产的碳纤维约占全球总供应量的80%[1]。
日本三家以腈纶纤维为主要产品的公司（东丽Toray、东邦Toho及三菱人造丝公司Mitsubishi）依靠其先进纺丝科学技术，形成高性能原丝生产的优势，大量生产高性能碳纤维，使日本成为碳纤维大国，无论质量还就是数量上均处于世界前三位，占据了世界78%左右的产量。
碳纤维增强复合材料及其应用研究
目前，生产和销售的产品结构采用玻璃钢（复合材料， 主要成分是树脂和玻璃纤维）箱体，其导热系数为 0.4W/（nk）， 密度为 2.3g/cm，且具备较高的拉伸强度，是一种综合性能 优异的复合材料。随着材料技术的不断更新发展，市场对于 轻量化需求日益突出，然而，在现有玻璃钢材料基础上，其 结构形式已无法实现更高的减重目标。碳纤维复合材料具有 质轻、比强度高、比刚度大、抗疲劳好、减震性好等特点， 本文将对不同铺层结构的碳纤维复合材料进行分析，结合产 品进行轻量化设计应用研究。 1 碳纤维增强复合材料
7.8
1.08
210
制造技术成熟，耐蚀性性好，成本低
机械性能较弱，强度偏低
1.5 ～ 2
2.0 ～ 7.0 200 ～ 700
力学性能优异，轻量化程度高
成本高，加工工艺复杂烦琐
1.4 ～ 2.5
1.5
42
优秀低绝缘、高低温及抗腐蚀能力，价格较低
性脆，耐磨性较差
保各部分的建设情况能够严格按照施工设计要求落实。 5 结语
（2）采用足够多的铺层，并使其纤维轴线与内力拉压 方向一致时，可以最大强度利用复合材料的高强度特性；
（3）避免相同纤维取向的铺层叠置； （4）对于较厚的层合板，相邻铺层纤维角度比一般不 超过 6°； （5）铺层中以 0°、±45°、90°的四种铺层角度， 每种占比应不少于 10%，以避免任何方向的基体直接受载； （6）载荷 0°方向时，避免采用 90°的层组，应该用
为了得到最优铺层方案，保证碳纤维复合材料满足刚 度需求，在初始设计过程中，根据铺层原理，选用环氧树 脂为基体，选用厚度为 0.3mm 的碳纤维板层，按照（0°、 45°、90°、-45°、0°）的铺层角度进行复合层板的设计， 本文以下所述碳纤维样片、碳纤维产品材料，均采用该铺层 方案进行设计和加工。 3 有限元分析及实验验证 3.1 有限元分析
碳纤维增强复合材料在军用舰船方面的应用及展望（5篇）
碳纤维增强复合材料在军用舰船方面的应用及展望（5篇）第一篇：碳纤维增强复合材料在军用舰船方面的应用及展望碳纤维增强复合材料在军用舰船方面的应用及展望碳纤维增强复合材料（CFRP）自问世以来就一直在军事领域特别是航空航天领域中发挥着重要作用。
近年来随着应用研究的发展，国内外对其在海军舰艇上的应用越来越重视。
CFRP在海军舰艇上应用时具有如下突出的优点：优良的力学性能；耐腐蚀（可耐酸、碱、海水侵蚀,水生物也难以附生）；大幅减重；优良的声、磁、电性能（透波、透声性好,无磁性,介电性能优良）；优良的设计、施工性；容易维护，维护费用远低于钢制舰艇。
早期CFRP仅仅应用在小型巡逻艇和登陆舰上。
相对差的制造质量和船体刚度限制了其长度不能超过15m，排水量不超过20t。
近年来随着低成本复合材料制造技术的提高，CFRP才开始应用在大型巡逻艇、气垫船、猎雷艇和护卫舰上。
近几年国外制造的新型舰艇中不乏大量使用CFRP的亮点之作。
美国制造的短剑号隐身快艇“短剑”高速快艇长24.4米，宽12.2米，吃水0.9米；排水量67吨；动力装置为4台“毛虫”柴油机，每台功率1650马力，由4具6叶螺旋桨推进，在载重37吨下航速可达50节。
艇体采用了比传统的钢材更结实、更轻巧的CFRP。
一次能够运载12名全副武装的“海豹”突击队员和1艘长11米的特种作战刚性充气艇。
同时，可搭载1架小型无人机。
目前，“短剑”是美国使用CFRP一次成型制造的最大船体，在整体制造成形过程中不用焊接，更无需铆接，因此船体外表十分光滑，重量也大为降低。
尽管目前的成本相对于普通的钢和铝合金偏高，但在这—技术成熟后，进行批量生产的成本将有较大的下降空间。
作为试验艇，“短剑”的单艘造价约为600万美元，试验总成本在1250万美元之内。
综合“短剑”艇体的这种设计，以及CFRP的使用，不但使其获得了高速，也使其行驶过程中的稳定性更高，高速行驶中的沉浮现象大大减轻，即使在高速回转时，依然可以保持平稳行驶，从而增加了艇员的舒适度，提高了艇的适航安全陛，扩大了在内河和地形复杂的浅海使用范围。
国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向概要
国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向概要碳纤维复合材料是一种具有很高强度和轻质化特性的新型材料。
它由碳纤维和树脂等基质材料组成，具有优异的力学性能和低密度，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域。
本文将对国内外碳纤维复合材料的现状以及研究开发方向进行概述。
首先，国内外碳纤维复合材料的现状可以概括为以下几个方面。
一是碳纤维复合材料在航空航天领域的应用。
由于碳纤维复合材料具有高强度、低密度和热稳定性等特点，被广泛应用于航空航天领域，如飞机机体、发动机和燃气涡轮等部件。
二是碳纤维复合材料在汽车领域的应用。
汽车制造商越来越倾向于采用碳纤维复合材料制作汽车车身和结构件，以提高汽车的燃油效率和减轻车重，提高车辆的性能。
三是碳纤维复合材料在体育器材领域的应用。
碳纤维复合材料制作的高级运动器材，如高尔夫球杆、网球拍和自行车等，具有很高的刚性和强度，能够提高运动员的表现水平。
四是碳纤维复合材料在船舶领域的应用。
船舶结构件的重量和强度对于船舶的性能至关重要。
碳纤维复合材料具有高强度和轻质化特性，因此被广泛应用于船舶制造，可以提高船舶的性能和节能减排。
接下来，本文将重点讨论国内外碳纤维复合材料的研究开发方向。
一是开发新型碳纤维原料。
目前，市场上主要使用的碳纤维原料是聚丙烯腈纤维。
研究人员正在开发新型纤维原料，如石墨烯、纳米碳纤维等，以提高碳纤维的力学性能和热稳定性。
二是改善碳纤维与基质材料的界面粘结性能。
碳纤维与树脂等基质材料的界面粘结性能对复合材料的力学性能和耐久性影响很大。
研究人员正在探索提高界面粘结性能的方法，如表面改性和介入增韧等。
三是提高碳纤维复合材料的制备工艺。
制备工艺是影响碳纤维复合材料质量的关键因素之一、研究人员正在开发新的制备工艺，如预浸法、纺丝法和层合法等，以提高复合材料的力学性能和制造效率。
四是研究碳纤维复合材料的寿命与损伤机理。
碳纤维复合材料容易受到外界环境和应力加载的影响，会出现疲劳和损伤现象。
碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的研究及应用
碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的研究及应用目录1. 内容概述 (2)1.1 研究背景 (2)1.2 研究意义 (3)1.3 综述目的与范围 (4)1.4 结构与组织 (5)2. 碳纤维增强聚醚醚酮复合材料简介 (7)2.1 聚醚醚酮的基本特性 (8)2.2 碳纤维的材料特性 (9)2.3 纤维增强塑料的制造工艺 (10)3. 碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的性能特点 (11)3.1 力学性能 (12)3.2 耐热性能 (13)3.3 电绝缘性能 (15)4. 复合材料的研究进展 (17)4.1 纤维增强方式的探索 (18)4.2 增强机制与界面研究 (20)4.3 复合材料的微观结构与性能 (21)4.4 环境耐受性与防护 (22)5. 复合材料的应用领域 (23)5.1 航空航天 (25)5.2 汽车工业 (26)5.3 体育器材 (27)5.4 电子器件 (28)5.5 能源存储 (29)6. 复合材料的生产与加工 (30)6.1 材料加工工艺 (32)6.2 表面处理与涂层 (33)6.4 质量控制与检测 (36)7. 研发挑战与展望 (37)7.1 材料成本与环境问题 (38)7.2 性能提升与界面处理 (39)7.3 可持续性与发展方向 (41)1. 内容概述本研究报告深入探讨了碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK）复合材料的研制、性能及其在各领域的应用潜力。
我们概述了碳纤维和PEEK的基本特性及其在复合材料制备中的优势。
详细阐述了复合材料的制备工艺、结构设计以及性能优化方法。
报告重点分析了复合材料在不同工程领域的应用表现，包括航空航天、汽车制造、医疗器械以及体育器材等。
我们还讨论了复合材料在环境友好性、成本效益和可持续性方面的优势，并对其未来发展前景进行了展望。
通过本研究，旨在为相关领域的研究人员和工程技术人员提供有价值的参考信息，推动碳纤维增强PEEK复合材料技术的进一步发展和广泛应用。
1.1 研究背景随着科技的不断发展，复合材料作为一种具有优异性能的新型材料，在各个领域得到了广泛的应用。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料及其在大飞机上的应用
聚丙烯腈（PAN）基碳纤维复合材料及其在大飞机上的应用徐志鹏北京化工研究院摘要自2007年国务院公布国产大飞机战略以来，这一领域的发展获得了持续的关注。
然而当今的国际大飞机市场被波音和空客两大公司所垄断，国产大飞机想要赢得市场面临多方面的挑战，其中之一就是高性能复合材料的应用。
聚丙烯腈基碳纤维复合材料诞生五十多年以来，发展迅猛，已经从传统的航空航天领域逐渐向汽车、风电等领域拓展市场，未来市场潜力巨大。
而目前中国仅能生产相当于T300,T700性能的碳纤维，不仅无法满足国产大飞机的材料需求，而且该领域的技术短板也限制了很多行业的发展。
本文在综合了前人研究成果的基础上，介绍了碳纤维的发展历程，PAN基碳纤维的关键技术和碳纤维复合材料在商用大飞机上的应用情况。
笔者认为，有市场竞争力的国产大飞机必须大量使用高质量的碳纤维复合材料，而突破PAN基碳纤维复合材料技术壁垒的关键在于生产高质量的碳原丝，其技术突破点在于干喷湿纺和凝胶纺丝生产技术的掌握与改进。
关键字：PAN基碳纤维，大飞机，碳原丝，干喷湿纺, 凝胶纺丝ABSTRACTLarge Plane Project has been fascinating Chinese public for years since its first announcement by State Council in 2007. China-made large plane is now facing varieties of challenge, while Boeing and Airbus are on the monopoly of market, one of the main challenge is the application of carbon fiber composite material. PAN based carbon fiber composite has witnessed a boost since it’s born in the past 50years, and now is expanding its application from space project to automobile and wind power generation projects. Carbon fiber industry in China cannot satisfy the demand of large plane project and many other industrial demands, because we can only made carbon fiber as well as T300 and T700 by our self. This article introduced the history of carbon fiber, key technology of PAN based carbon fiber and how PAN based carbon fiber is used in commercial large aircrafts. The author of this article believes the China-made large plane must use plenty of carbon fiber based composite to win the market and the key technology we need to break through is dry-wet spinning and gel spinning technique to make high performance PAN-based carbon fiber precursor.Key words: PAN based carbon fiber, large plane, carbon fiber precursor前言国产大飞机战略自发布以来，引发了广泛的关注。
碳纤维如何增强复合材料的力学性能
碳纤维如何增强复合材料的⼒学性能2019-08-20摘要：碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的应⽤范围进⼀步扩⼤，不难看出，这种材料因其较好的综合性能远远超越了单⼀组合的材料模式。
本⽂试图对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的⼒学性能进⾏深⼊的研究。
本⽂使⽤了简单概述，也采⽤了重点分析的研究策略，梳理了对研究对象的概述和主要的性能特点。
关键词：碳纤维；复合材料；⼒学性能本⽂以碳纤维增强热塑性树脂基复合材料为研究对象，对相关的概念和内容进⾏了梳理和总结。
其中概括了碳纤维的性质性能，对复合材料的概念进⾏了阐述，最后对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的⼒学性能作了详尽的分析说明。
1.关于碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的概述⑴复合材料的概念：⾯对传统、单⼀组分的材料已经难以满⾜现在应⽤需要的现实状况，开发研制新材料，是解决这个问题的根本途径。
运⽤对材料改性的⽅法，来改善材料的性能是可取的。
⽽材料改性的⽅法中，复合是最为常见的⼀种。
国际标准化组织对于复合材料的概念有明确的界定：复合材料是指由两种或两种以上不同化学性质和物理性质的物质组成的混合固体材料。
它的突出之处在于此复合材料的特定性能优于任⼀单独组分的性能。
⑵复合材料的分类简介：复合材料的有⼏种分类，这⾥不作⼀⼀介绍。
只介绍两种与本论⽂相关的类别划分。
如果以基体材料分类，复合材料有⾦属基复合材料；陶瓷基复合材料；碳基复合材料；⾼分⼦基复合材料。
本⽂讨论的是最后⼀种⾼分⼦基复合材料，它是以有机化合物包括热塑性树脂、热固性树脂、橡胶为基体制备的复合材料。
第⼆，如果按增强纤维的类别划分，就存在有机纤维复合材料、⽆机纤维复合材料、其他纤维复合材料。
其中本⽂讨论的对象属于⽆机纤维复合材料这⼀类别，因为碳纤维就是⽆机纤维复合材料的其中⼀种。
特别值得注意的是，当两种或两种以上的纤维同时增强⼀个基体，制备成的复合材料叫做混杂纤维复合材料。
实质上是两种或两种以上的单⼀纤维材料的互相复合，就成了复合材料的“复合材料”。
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(1) Business environment and market structure
Copyright 2008 Toray Industries, Inc. All Rights Reserved
5
Business environment of Carbon Fibers
Global Warming
Expansion
（1994－2003)
Selected for primary structure of Airbus A380 Recession of aircraft industry September 11 Expansion of communication satellite Full-scale expansion in industrial application
Full-scale Expansion
Rapid Expansion
（2004－2011)
Full-scale expansion in automobile application Launched Boeing 787 project
（2012- )
140 120 100 80 60 40 20
2002 April
2004 April
2006 October
Around 2010
Copyright 2008 Toray Industries, Inc. All Rights Reserved
2
Basic Strategies (by Business Category)
Fibers & Textiles, Plastics / Chemicals ① Developing global operations ② Promoting “New Value Creator” ③ Developing downstream and processing business ④ Expanding advanced materials (automobiles, environment/energy, etc.) Establish stable profit base
1,800.0
160.0
1,546.5
68.6
32.0
102.4
18.1
4%
9%
18%
21%
4
Copyright 2008 Toray Industries, Inc. All Rights Reserved
Strategy for Carbon Fiber Composite Materials
Thousand Tons / Year
Tennis racket and Carbon Golf Shaft Boom Selected for primary structure of Airbus A320 Selected for second structure of Boeing 757 & 767 Selected as a material for Satellite Development of Golf Shaft and Fishing Rods Selected for second structure of Boeing 737
Copyright 2008 Toray Industries, Inc. All Rights Reserved
3
Positioning of Carbon Fiber Composite Materials Business in IT-2010
Consolidated Net Sales
2,400 2,100 1,800 1,500 1,200 900 600 300 0 (B Yen) FY2006 Around FY2010 1,477.9 1,640.0
Long-term Corporate Vision and Positioning of Carbon Fiber Composite Materials Business
Project Innovation TORAY 2010 (IT-2010)
Copyright 2008 Toray Industries, Inc. All Rights Reserved
Full-scale increase in Aircraft and Automobile Large aircraft program Wind blade Automobile, Oil mine Variety in molding method Recycle of Carbon Fibers 7
NT-Ⅱ
「Offensive management postures」 - Establish foundation for further growth Achievement of ¥100 billion in Operating Income
IT-2010
「Management based on Innovation」 - Challenges for further growth -
<3rd IT-2010 Strategy seminar (Carbon Fiber Composite Materials) Presentation>
Toray’s Strategy for Carbon Fiber Composite Materials
April 11, 2008 Toray Industries, Inc. Senior Vice President Masayoshi Kamiura
Strict exhaust gas regulations high conscng
Clean Energy
Wind Power Natural Gas
Energy Saving
Weight saving (Aircraft, Automobile)
Inflation of oil prices
PC Casing
6
Carbon Fiber Market transition
Introduction
（1971－1983)
Growth
（1984－1993)
Recession of aircraft industry Selected for primary structure for Boeing 777 c
Corrosion-resistance High Modulus Radiolucency Electromagnetic Shielding, etc.
Copyright 2008 Toray Industries, Inc. All Rights Reserved
Medical Equipment
Copyright 2008 Toray Industries, Inc. All Rights Reserved
Carbon Fiber Market transition
140 120 100 80
Expansion
Thousand tons / year
Full-scale expansion
Industrial Use
Aerospace Sports
0 1970
Main Application Remarks
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
2020
Limited Field
Fishing rods Aircraft secondary structure High Quality
Carbon Fiber Composite Materials Others
Consolidated Operating Income
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 (B Yen) FY2006 Around FY2010 84.3 118.0
Carbon Fiber Composite Materials 150.0 Others
Improvement of fuel efficiency Shift to alternative energy
Diversification of energy
(Uranium concentration)
Atomic Power Generation
Deep water oil mine
Needs for Highperformance Materials
Increase in application
Increase in Industrial Use Tennis rackets Pressure vessel Golf Shafts Machine parts Aircraft primary structure Engineering, Marine Increase of product type Cost reduction Progress in molding Large scale technology structure
1
Road map to IT-2010 and Targets in IT-2010
After achieved NT reforms, Toray Group launched Project “Innovation TORAY 2010 (IT2010)” in October 2006 in order to challenge for further growth through Innovation. April 2002
Foundation Businesses