碳纤维增强树脂基复合材料PPT课件
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碳碳复合材料ppt课件
循环浸渍－碳化曲线反映了浸渍－碳化工艺特点：
❖ 在进行1～3次浸渍碳化时，复合材料的密度增加较快， 从预制体密度（约1.2～1.3g/cm3）增加到1.6g/cm3以上；
❖ 从第四次循环浸渍碳化开始，则每次复合材料的密度增 加相对较慢。
❖ 为了减少浸渍－碳化次数，提高浸渍碳化效率和改善复 合材料的性能，一般采用真空压力浸渍工艺，形成了压 力浸渍碳化工艺（PIC, Pressure Impregnation Carbonization）。并且在沥青液态浸渍－碳化工艺中得 到应用。
沥青碳化率＝0.95QI＋0.85(BI-QI)+(0.3-0.5)BS
因此，沥青的碳化率随高分子量芳香族化合物的含量增加而增加。 最高的碳化率达90％，但与碳化时的压力有关。当碳化压力增强时， 低分子量物质挥发气化，并在压力下热解得到固态沥青碳。
★ 沥青碳化特性
★ 沥青碳化特性
沥青的压力碳化经历以下过程：
沥青液态压力浸渍－碳化 工艺是在常压、250℃下先浸 渍，然后在此温度下加压至 100MPa压力下继续浸渍，再 此压力下经650℃碳化。
同样需经历多次PIC工艺 使/C复合材料致密化。
● HIPIC工艺
HIPIC工艺是热等静压浸 渍碳化工艺（Hot Isostatic Pressure Carbonization）,即 在等静压炉中进行PIC工艺。
沥青、树脂浸渍-碳化与CVD裂解碳填充孔隙的区别
C/C复合材料CVD/CVI工艺的种类主要有：
❖ 等温 (Isothermal)法； ❖ 压力梯度 (Pressure gradient)法； ❖ 温度梯度(Thrmal gradient)法； ❖ 化学液气相沉积法（Chemical Liquid Vapour
碳纤维增强树脂基复合材料PPT课件
表面为高性能的环氧 树脂或其他树脂塑料
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10CHENLI来自11增强机理➢ 当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从基体 中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度提高。
➢ 复合增强的另一原因是基体抑制裂纹的效应，当材料受到较大应力 时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂 纹扩展方向。
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谢谢大家！
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➢ 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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碳纤维增强树脂基复合材料的性能研究
1）比强度和比模量高 2）材料性能的可剪裁性 3）成型工艺的多选择性 4）良好的耐疲劳性能 5）良好的抗腐蚀性
通过设计增强纤维的取向及用量 来对结构材料的性能实行剪裁
热压罐、模压、纤维缠绕、树脂传递模塑 （RTM）、拉挤、注射、喷塑、搓管等
钢和铝的疲劳强度是静力强 度的50%，CFRP 可达90%
➢ 复合材料：基体+增强体
➢ 碳纤维增强树脂基复合材料：树脂基体+碳纤维 （CFRP)
1.基体通过与纤维间的界面以剪应力的形式向纤维传递载荷。
树脂基体： 2.保护纤维材料免受外界环境的化学作用和物理损伤。
3.阻止纤维断裂的裂纹传递。
碳纤维： 复合材料的承载主体
第八章碳纤维PPT课件
碳纤维的强度(σ)、弹性模量(E)与材料的反固应有速弹率性常模数量主
(速E0度)、常纤数维(K的)之轴间向的取关向系度：(α)、结晶厚度纤量(d维越要提应取)、的大取速高向碳弹决率温度化性于。度越处模反在可高理应提以，的温高提反度温高应，度反
E E0(1)1
的同时提高牵伸率， 则可提高纤维的强度。
聚丙烯腈基碳纤维 粘胶基碳纤维 沥青基碳纤维 木质素纤维基碳纤维
其它有机纤维类（各种天然纤维， 再生纤维缩合多环芳香族等）
碳纤维功能
受力结构用碳纤维 耐焰碳纤维 活性碳纤维（吸附活性） 导电用碳纤维
润滑用碳纤维
耐磨用碳纤维
碳纤维与石墨纤维的区别： 碳纤维主要含无定形碳，碳含量约为95％，
热处理温度1200～1500℃ 石墨纤维含较多的结晶碳，碳含量99％以上，
制造高强度、高模量碳纤维多选用聚丙烯腈为原料
8.2.2.1 以粘胶纤维为原料制造碳纤维 粘胶纤维属于多糖类有机化合物，分子式(C6H10O5)n，
粘胶原丝具有环状分子结构，可以直接进行碳化或石墨化处 理，而制成粘胶基碳纤维。
性能平衡性较差，弹性系数较大，强度较低，碳化收率 较低（20%-30%）[聚丙烯腈基碳纤维为40%-60%，沥青基 碳纤维为80%-90%]，因此该粘胶碳纤维的前景不大。
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。
硝酸、硫酸、高锰酸钾、 重铬酸钾、次氯酸钠 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
碳化：
在400℃～1900℃的惰性气氛中进行，碳纤 维生成的主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等 非碳元素，改变了原PAN纤维的结构，形成了 碳纤维。碳化收率40％~45％，含碳量95%左右。
高性能纤维—碳纤维(纺织材料课件)
指标名称
密度／g．cm-3 强度／cN．tex-1 模量/ cN．tex-1 晶粒厚度／nm
取向角
普通型碳纤维 (A型或Ⅲ型)
1.71-1.93 91.8-140.7 9697．8-12390
<5.o >10°
高强型碳纤维 (C型或Ⅱ型)
1.69-1.85 132.8-177.4 13847-17723
子主链结构对纤维轴的择优取向，预氧化过程必须对纤维施加张力，
实行多段拉伸。
碳纤维制造过程式中最重要的环节
3 预氧化的炭化
预氧丝在惰性气体保护下，在800~1500℃范围内发生碳化反应。纤
维中的非碳原子如N 、H、O等元素被裂解出去，预氧化时形成的梯形大
分子发生交联，转变为稠环状结构。纤维中的含碳量从60%左右提高到
达1000kcal/kg。这些热量必须瞬间排除，否则会发生局部温度剧升
而导致纤维断裂，所以瞬时带走预氧化过程中释放出的反应热是设
备放大和工业生产的关键所在。
除此之外，在预氧化过程中还发生较大的热收缩。一方面是经过
拉伸的原丝，大分子链自然卷曲产生物理收缩。另一方面，大分子
环化过程中产生化学收缩。为了要得到优质碳纤维，继续保持大分
到使用要求。因此，在制备碳纤维工艺流程中都要设置碳纤维表面处理
工序和上浆工序。
表面处理工序主要使碳纤维表面增加含氧官能团和粗糙度，从而增
加纤维和基体之间粘结力，使其复合材料的层间剪切强度提高到80-
120MPa，从而使碳纤维的强度利用率由60%左右提高到80%~90%。
上浆工序的目的是避免碳纤维起毛损伤，所以碳纤维总在在保护胶液中
度和模量都十分高，而垂直于纤维轴向的强度和模量都很低，纤维
纤维增强复合材料PPT课件
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• 各种材料的发展状况
玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟
广泛的应用 金属基复合材料
开发阶段 某些结构件的关键部位 陶瓷基复合材料及功能复合材料等
尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决
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复合材料的设计－－从常规设计向仿生设计发展
• 仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制 备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合 材料。
• 仿照鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、 铝和硼混合成陶瓷细带制成了10微米厚的薄层，由此得到的 层状复合材料比其原材料坚固40％。
• 仿照骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和 直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料， 中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。
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基体和增强材料
Matrix and Reinforcement
• 基体——连续相 • 增强材料——分散相
– 也称为增强体、增强剂、增强相等 – 显著增强材料的性能 – 多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。 – 可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。
• 在基体和增强体之间存在着界面。
• 单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要 靠优化设计和先进制造技术将金属与增强物做成复合 材料来满足需求。
• 主要的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、 铅、锌等金属。
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Chapter 9 Composites
复合材料
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1
本章内容
1. 复合材料概述 2. 复合材料分类 3. 复合材料的基体 4. 复合材料的增强相 5. 复合材料的复合原理 6. 复合材料的成型工艺
碳纤维复合材料PPT课件
表6-7 C/C在航天飞机上的应用 表6-8 C/C在战略导弹上的应用。
图6-1 C/C在航天飞机上的应用部位
航天飞机表面温度
C/C在航天飞机上应用部位
图6-2 导弹鼻嘴
6.5.2 刹车材料方面的应用
法国欧洲动力公司大量生产C/C刹车片，用 作飞机（如幻影式战斗机）、汽车（如赛 车）和高速火车的刹车材料。
T-50-221-44
X-y向
Z向
1.9
ATJ-5 结晶向 ⊥结晶向
1.83
拉伸强度 24
140
126
39.6
30.5
/MPa
2500
280
231
54.3
43.4
抗拉模量 24
59.4
52.4
11.7
7.8
/GPa
2500 40.9
30.5
11.2
7.4
断裂延伸率 24
0.18
0.2
0.45
0.54
三、CVD法的优缺点
优点：基体性能好，且与其他致密化工艺 一起使用，充分利用各自的优势。可以将 CVD法和液态浸渍法联合应用，可以提高 材料的致密度。
缺点：沉积碳的阻塞作用形成很多封闭的 小空隙，得到的C/C复合材料密度低。
表6-6 树脂/沥青浸渍与CVD制C/C复合材料 性能比较
6.5 C/C复合材料的应用
波音747上使用C/C刹车装置，大约使机身 质量减轻了816.5kg。
日本C/C用作飞机刹车材料已有10年的历史。 日本协和式超音速客机共8个轮，刹车片约 用300kgC/C复合材料，可使飞机减轻 450kg。用作F-1赛车刹车片，可使其减轻 11kg。
6.5.3 其他方面的应用
图6-1 C/C在航天飞机上的应用部位
航天飞机表面温度
C/C在航天飞机上应用部位
图6-2 导弹鼻嘴
6.5.2 刹车材料方面的应用
法国欧洲动力公司大量生产C/C刹车片，用 作飞机（如幻影式战斗机）、汽车（如赛 车）和高速火车的刹车材料。
T-50-221-44
X-y向
Z向
1.9
ATJ-5 结晶向 ⊥结晶向
1.83
拉伸强度 24
140
126
39.6
30.5
/MPa
2500
280
231
54.3
43.4
抗拉模量 24
59.4
52.4
11.7
7.8
/GPa
2500 40.9
30.5
11.2
7.4
断裂延伸率 24
0.18
0.2
0.45
0.54
三、CVD法的优缺点
优点：基体性能好，且与其他致密化工艺 一起使用，充分利用各自的优势。可以将 CVD法和液态浸渍法联合应用，可以提高 材料的致密度。
缺点：沉积碳的阻塞作用形成很多封闭的 小空隙，得到的C/C复合材料密度低。
表6-6 树脂/沥青浸渍与CVD制C/C复合材料 性能比较
6.5 C/C复合材料的应用
波音747上使用C/C刹车装置，大约使机身 质量减轻了816.5kg。
日本C/C用作飞机刹车材料已有10年的历史。 日本协和式超音速客机共8个轮，刹车片约 用300kgC/C复合材料，可使飞机减轻 450kg。用作F-1赛车刹车片，可使其减轻 11kg。
6.5.3 其他方面的应用
树脂基复合材料ppt课件
3、SRIM
1）树脂（粘度10~100CP） 2）增强体
2CH2 CH R C O R' OH+ OCN R'' NCO
CH2 CH R C O R' O C N R" N C O R' O C R CH CH2
O
H HO
R (OH)n + 2 OCN R'' NCO
O R O C N R' N C
缠绕成型的特点：
1）由于可以按照承力要求确定纤维的方向、层次、数量，可实现 强度的设计
2）纤维伸直和按规律排列的整齐性和精确度高于任何其它成型方 法，制品能充分发挥纤维的强度，因此比强度和比刚度均高。
3）玻璃钢压力容器比钢质减重40~60%。 4）生产效率高可成型各种尺寸的制品； 5）设备投资大； 6）不能生产凹形制品；
4、模具
由于压力低，故RIM工艺所使用的模具的价格也比较 低，一般采用高质量工具钢、铝合金以及环氧树脂 （温度低于65℃)等
四、制品缺陷
1、由工艺过程造成的缺陷 1）原料污染； 2）温度控制； 3）混合计量控制； 4）模具是否清洁； 5）模具温度； 6）脱模时间；
第二节：树脂转移成型
树脂转移成型具有开发高性能、大体积低成本复合材料的能力
模压成型、注射成型相和反应注射成型的 温度和压力对比
成型工艺 温 度（℃） 模腔压力（bar)
RIM
60-120
5-15
IM CM RTM
120-350 130-175 20-120
20-140 70-2000
4-10
RIM的几种不同形式：
1、SRIM：结构反应注射成型（Structural RIM) 2、RRIM：增强反应注射成型 (Reinforced RIM) 3、MMRIM:(Mat Molding RIM)
碳纤维增强树脂基复合材料的概述
第1章绪论1.1碳纤维增强树脂基复合材料的概述CFRP是以碳纤维为增强体，树脂为基体的复合材料，所选用的树脂基体主要分为两类：热固性树脂和热塑性树脂。
其中，热固性树脂由反应性的低分子量预聚体或者带有活性基团的高分子量聚合物组成，其在成型过程中，在固化剂或热作用下进行交联、缩聚，形成不熔不溶的交联体型结构，在复合材料中常采用的有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等[15-17]；而热塑性树脂则由线型的高分子量聚合物组成，在一定条件下溶解熔融，只发生物理变化，常用的热塑性树脂基体有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等[18-20]。
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)作为新型材料，崛起于20世纪60年代中期，在众多先进复合材料中，CFRP在技术成熟度与应用范围方面的表现尤为突出。
与传统材料相比，CFRP 具有多种优异的性能，例如，(1)具有高的比强度和比模量，其密度为钢材的1/5，钛合金的1/3，比玻璃钢(GFRP)和铝合金还轻，使其比强度(强度/密度)是高强度钢、超硬铝、钛合金的4倍左右，玻璃钢的2倍左右，而比模量却是他们的3倍；(2)具有良好的耐疲劳性，如在静态下，CFRP循环105次且承受90%的极限强度应力时，才会被破坏，而钢材却只能承受极限强度的50%左右；(3)具有耐摩擦和抗摩擦性能，耐水性，耐蚀性；(4)同时还具有热膨胀系数小，导电性好等特点[21]。
碳纤维在碳纤维增强树脂基复合材料中起到增强作用，而其中树脂基体则使复合材料成型为一承载外力的整体，通过界面传递载荷于碳纤维，因此它对碳纤维复合材料的技术性能、成型工艺以及产品价格等都有直接的影响[22, 23]。
此外，碳纤维的复合方式也会对其复合材料的性能产生影响。
碳纤维按照制备时的需要，大致可分为两种类型：连续纤维和短纤维，其中，通常采用连续纤维增强的复合材料具有更好的机械性能，但由于其制造成本较高，并不适应于大规模的生产；而短纤维复合材料可采用与树脂基体相同的加工工艺，如模压成型、注射成型以及挤出成型等。
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成型技术
树脂传递模塑（RTM）特点：具有生产周期短、劳动力成本低、环境污染少 、制造尺寸精确、外形光滑、可制造复杂产品等优点，是目前国际上发展应 用最快并在航空工业应用最多的低成本技术之一。
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发展与应用
高性能环氧复合材料已广泛应用在各种飞机上， 其发展可分为三个阶段：
第一阶段：
第二阶段应：
➢ 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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碳纤维增强树脂基复合材料的性能研究
1）比强度和比模量高 2）材料性能的可剪裁性 3）成型工艺的多选择性 4）良好的耐疲劳性能 5）良好的抗腐蚀性
通过设计增强纤维的取向及用量 来对结构材料的性能实行剪裁
热压罐、模压、纤维缠绕、树脂传递模塑 （RTM）、拉挤、注射、喷塑、搓管等
钢和铝的疲劳强度是静力强 度的50%，CFRP 可达90%
➢ 增强体纤维可分为金属纤维，陶瓷纤维、玻璃纤维、碳纤维和 有机纤维，其中目前用得最多的和最重要的是碳纤维。
➢ 复合材料中的碳纤维分为两大类：
直径范围在 6~8微米内
聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，通过碳化工艺制备，使纤维
中的氢、氧等元素得以排出，含碳量一般都在90%以上。碳纤
维是一种一种轻质、高强度、高模量、化学性能稳定的高性能
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表面为高性能的环氧 树脂或其他树脂塑料
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增强机理
➢ 当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从基体 中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度提高。
➢ 复合增强的另一原因是基体抑制裂纹的效应，当材料受到较大应力 时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂 纹扩展方向。
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
➢ 复合材料：基体+增强体
➢ 碳纤维增强树脂基复合材料：树脂基体+碳纤维 （CFRP)
1.基体通过与纤维间的界面以剪应力的形式向纤维传递载荷。
树脂基体： 2.保护纤维材料免受外界环境的化学作用和物理损伤。
3.阻止纤维断裂的裂纹传递。
碳纤维： 复合材料的承载主脂基复合材料简介——碳纤维
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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）
树脂传递模塑（RTM）
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在一定的温度和压力 下，把黏度低的树脂 注入置有增强纤维坯 的模具中，然后加热
并固化成型 13
碳纤维增强树脂基复合材料 研究进展
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碳纤维增强树 脂基复合材料
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2
目录
• 树脂基复合材料的发展历史 • 碳纤维增强树脂基复合材料简介 • 性能研究 • 增强机理 • 成型工艺 • 发展与应用
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3
树脂基复合材料的发展历史
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4
碳纤维增强树脂基复合材料简介
纤维
材料。
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6
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）
环氧树脂基体：粘附力强、收缩 性低、化学稳定性、价格较低， 但韧性不足，耐湿热性差。
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碳纤维增强树脂基复合材料简介——树脂基体
树脂基体的重要性能有：使用温度、强度、刚度、耐疲劳性、韧性和耐湿热老化等。
目前发展高性能树脂基体主要方向是：
1）新型高温型树脂基体，使用温度在300 ℃以上； 2）高韧性的树脂基体，如冲击后压缩强度（CAI）＞300 MPa 的树脂基 体； 3）适用于低成本的液体成型工艺（如RTM 成型工艺）的树脂基体； 4）能满足复合材料结构功能一体化的新型树脂基体，如具有透波和吸波功 能的树脂基体。