碳纤维的制作过程课件
碳纤维材料PPT优秀课件
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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。
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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。
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碳纤维原丝企业
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就全球碳纤维产能来看，前 5大碳纤维生产企业市场 占有率达到 60%以上，其中 Toray 产能占比 18%
全球前 5 大碳纤维生产企业产能占比 61%
全球小丝束碳纤维行业集中度
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主要碳纤维企业产品领域
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碳纤维材料
碳纤维的分类
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碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、 沥青基 碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维
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根据丝束大小可分为： 大丝束 • 工业级 • 每束碳纤维的根数等于或大于 46000-48000根。 • 一般指48~480K • 价格便宜。
第七章碳纤维PPT课件
环化反应 脱氢反应 吸氧反应
33
环化反应
CCCCC NNNNN
梯 形 ， 六 元 环 CCCCC
NNNNN 耐 热
34
脱氢反应
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：
CC CC C NNNN
35
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，－
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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350℃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3800K以上的高温 时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。 ➢ 碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。
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碳纤维的分类
按制造条件 和方法分类
碳纤维：碳化温度1200～1500oC，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600～ 1200oC，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。
碳纤维结构近乎石墨结构，比金刚石结构 规整性稍差。
4
碳纤维的发展
碳纤维的开发历史可追溯到19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50年代末期。
1959年美国联合碳化公司以粘胶纤维(Viscose firber)为 原丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维。
碳纤维课件ppt
碳纤维的环保意义
05
与价值
减少对传统材料的依赖
01
碳纤维作为一种高性能材料，可 以替代部分传统金属材料，降低 对矿产资源的开采和加工需求， 从而减少对环境的破坏和污染。
02
碳纤维的制造过程相对环保，不 需要经过高温熔炼，可以减少能 源消耗和碳排放。
降低碳排放，助力碳中和目标
碳纤维的制造和使用过程中，碳排放 量相对较低，有助于实现碳中和目标 。
汽车工业领域
车身结构
碳纤维复合材料能够显著 减轻汽车重量，提高燃油 效率和性能，因此在车身 结构中广泛应用。
汽车零部件
碳纤维复合材料也用于制 造汽车零部件，如发动机 罩、车门、车顶等。
电动汽车电池组
碳纤维复合材料在电动汽 车电池组中作为结构材料 ，能够提高电池组的强度 和刚度。
体育器材领域
自行车
VS
建筑补强
碳纤维复合材料也用于对建筑结构进行加 固和补强，提高结构的承载能力和耐久性 。
其他领域
压力容器和管道
碳纤维复合材料在制造高压容器和管道中作为结构材料，能够承受高压力和温度。
电子设备
碳纤维在制造电子设备中也有广泛应用，如电路板、连接器和外壳等。
碳纤维的未来发展
04
与挑战
碳纤维的研发进展
影响因素：生产工艺对碳纤维的性能 有很大影响，如温度、压力、时间等 工艺参数都会影响碳纤维的结构和性 能。
碳纤维的性能优势
02
高强度与轻量化
总结词
碳纤维具有高强度和轻量化的特性，使其成为高性能材料的 重要选择。
详细描述
碳纤维是一种高性能纤维，其强度和刚度都非常高，能够承 受较大的压力和弯曲应力。同时，碳纤维的密度非常低，比 传统的金属材料轻得多，因此使用碳纤维可以大大减轻产品 的重量。
碳纤维板材制造工艺流程
碳纤维板材制造工艺流程Carbon Fiber Plate Manufacturing ProcessThe manufacturing process of carbon fiber plates involves several key steps, ensuring the production of high-quality, durable, and lightweight plates. Here is a detailed overview of the process:Raw Material Preparation: Carbon fibers are the core component of the plates. These fibers are first prepared and cut to the desired length. Resin, which acts as a binder, is also mixed and prepared for use.Layering and Pre-forming: The carbon fibers are then layered and pre-formed into the desired shape using a mold or form. This step ensures that the fibers are aligned and distributed evenly, creating a solid foundation for the plate.Infusion of Resin: The pre-formed carbon fiber structure is then infused with the prepared resin. This infiltration process ensures that the resin coats the fibers evenly, binding them together and enhancing the structural integrity of the plate.Compaction and Consolidation: After resin infusion, the material is compacted and consolidated using a press or vacuum bagging to remove any trapped air and ensure a dense, uniform structure.Curing: The compacted carbon fiber plate is then cured in a controlled environment, typically in an oven or autoclave. This curing process involves heating the plate to activate the resin and complete the chemical reaction, resulting in a hardened and stable structure.Post-processing: Once cured, the carbon fiber plate may undergo further post-processing steps, such as cutting, drilling, or surface finishing, to meet specific application requirements.Quality Control and Inspection: Each carbon fiber plate undergoes strict quality control and inspection to ensure it meets the desired standards for strength, durability, and dimensional accuracy.By following this comprehensive manufacturing process, carbon fiber plates can be produced with consistent quality, ensuring their reliability and performance in various applications.碳纤维板材制造工艺流程碳纤维板材的制造工艺流程涉及多个关键步骤，确保生产出高质量、耐用且轻质的板材。
《新型纺织材料》课件——碳纤维
碳纤维制造过程式中最重要的环节
2 原丝的预氧化
聚丙烯腈原丝的预氧化——原丝在200 ℃~300℃的空气介质
中进行预氧化处理。目的是要使线型分子链转化为耐热的梯型结构，
使其在高温炭化时不熔不燃，保持纤维形态，从而得到高质量的碳
日本进藤昭男发明了以 聚 丙 烯 腈 ( PA N ) 纤 维 为 原 料制取炭纤维的方法
1970
日本吴羽化学工业公司 采用大谷杉郎的专利， 首先建成年产120t普 通型(GPCF)沥青基炭 纤维的生产厂
普通型(A型)碳纤维
在900-1200℃下炭化得到 的碳纤维。这种碳纤维强 度和弹性模量都较低，一 般强度小于107.7cN／tex， 模量小于13462cN／tex。
碳纤维制造过程式中最重要的环节
1 聚丙烯腈原丝的制备
（2）纺丝一般采用湿法纺丝，而不用干法。 干法生产的纤维溶剂不容易洗净。如果纤维中残留少量溶剂，在预氧化及 炭化等一系列热处理过程中，溶剂挥发或分解会使纤维粘结；产生缺陷，所得 碳纤维发脆或毛丝多、强度低。实践证明，在原丝制备时原丝水洗时间长，则 产品碳纤维 的强度及模量高。
新型纺织材料
碳纤维
目录
01
概述
02
加工方法
03 碳纤维的结构和性能
01
概述
碳纤维是指纤维化学组成中碳元素占总量90%以上的纤维。
碳纤维是以聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维为原丝，通过 加热除去碳以外的其它一切元素制得的一种高强度、高模量纤维， 它有很高的化学稳定性和耐高温性能，是高性能增强复合材料中的 优良结构材料。
碳纤维PPT演示课件
（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。
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根据使用要求和热处理温度的不同﹐碳纤 维分为耐燃纤维﹑碳纤维和石墨纤维。例 如 300～350℃ 热处理时得耐燃纤维 ﹔1000～1500℃ 热处理时得碳纤维﹐含碳 量为 90～95％﹔碳纤维经 2000℃以上高 温处理可以制得石墨纤维﹐含碳量高达 99 ％以上。
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碳纤维的优缺点
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。
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（4）运动器材 用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、
曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓
杆、滑雪板、雪车等。
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碳纤维自行车
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（5）土木建筑 幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度 大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地 板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌 板、抗震救灾用补强材料。
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利用碳纤维布加固钢筋混凝土构件以提高 承载力及延长寿命是目前比较流行的方法， 在建筑业中有着广泛的发展前景。
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碳纤维概念
碳纤维是复合材料 碳纤维是一种纤维状碳材料。呈黑色，坚 硬，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。
碳纤维及其复合材料讲解 ppt课件
➢ 碳纤维制造工艺
1、聚丙烯腈PAN配液->纺丝（湿法/干喷湿纺） ->表面处理->收丝（PAN原丝）
2.
➢ 树脂基复合材料（CFRP/CFRTP)
1、基体树脂CFRP：环氧树脂EP、双马酰亚胺树脂BMI、 热固聚酯亚胺PI、氰酸脂.
2.CFRTP热塑性树脂:聚醚醚酮、聚苯硫醚和聚醚砜主要 生产预浸带料。
总结
➢ 碳纤维复合材料(CFRP)具有轻质、高强度、高刚度、抗疲 劳和耐腐蚀等优异性能。为了解决全球气候变暖、温室气 体排放的环境问题,碳纤维复合材料在大型飞机、风力发电 叶片、汽车部件、石油开采抽油杆、电力输送电缆等领域 的应用将推动节能减排的实现。碳纤维复合材料的使用实 现了材料的轻量化,从而达到了节能减排的目的,碳纤维复合 材料在这些领域的实际应用代表了其技术的成熟度和水平。 随着国产化碳纤维制造关键技术的成熟,通过突破碳纤维复 合材料的低成本制造技术,实现国产碳纤维复合材料在节能 减排方面的应用是现实的。
CARBON FIBER AND ITS COMPOSITE MATERIALS
碳 纤维及其复合材料
张慧 冯浩辉 车腾伟
19 60
用当爱源世 的时迪于界 是的生 上 碳白发世最 纤炽明纪早 维灯电 的 。灯灯年碳
丝的代纤 时，维 期，
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
(2) C/C 复合材料
它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成， 主要由各类碳组成，即纤维碳、树脂碳和沉积碳。
这种材料除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐 磨损等特性外，还具有较高的断裂韧性和假塑性。在高温 环境中，强度高、不熔不燃，广泛应用于导弹弹头，固体 火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等领域。
碳纤维的制作过程 ppt课件
苯环结构由于环内电子的共轭作用，使 纤维具有化学稳定性，不发生高温分解。又 由于苯环结构的刚性，使高聚物具有晶体的 本质，使纤维具有高温尺寸的稳定性。
10.2.2 芳纶纤维的基本性能
1972年又研制了以PRD--49命名的主缆纤要、维用涂。于漆绳织索物、、电带
1973年正式登记的商品名称为AR和AM带I状D纤物维，。以及防 弹背用心于等航。空、
ARAMID纤维包括三种牌号的产品，宇并航重、改造名船称。
PRD--49--IV改称为芳纶--29；
工业的复合 材料制件。
PRD--49--III改称为芳纶--49；
强度损失(%)
Kevlar-29 Kevlar-49
3
1
1
0
1.5
0
4.6
0
9.9
0
0
2
1.5
1.5
9.3
28
0
3.6
10.3 芳纶纤维的制造
1. 聚对苯撑对苯二甲酰胺的聚合
两个阶段
第一阶段
对苯二胺与对苯二甲酸酰氯缩 聚成对苯撑对苯二甲酰胺的聚合体。
第二阶段
聚合体溶解在溶剂中再进行 纺丝，制得所需要的纤维材料。
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倍以上，而纤维的强度仅略有下降。
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。
10 芳纶纤维
10.1 概述 10.2 芳纶纤维的结构与特性 10.3 芳纶纤维的制造 10.4 凯芙拉纤维的制品 10.5 芳纶纤维及其复合材料的应用
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碳纤维的制作过程
1. 表面清洁法 2. 气相氧化法 3. 液相氧化法 4. 表面涂层法
碳纤维的制作过程
液相氧化法与气相氧化法比较： 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倍以上，而纤维的强度仅略有下降。
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。
高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度
碳纤维的制作过程
芳纶纤维的历史很短，发展很快。
1968年美国杜邦公司开始研制。
1972年以B纤维为名发表了专利并提供产品。
主要用于绳索、电 1972年又研制了以PRD--49命名的缆纤、维涂。漆织物、带
1973年正式登记的商品名称为AR和AM带I状D纤物维，。以及防 弹背用心于等航。空、
碳纤维的制作过程
(1) 压缩性差，压缩强度仅有不到拉伸强 度的1/5。 (2) 紫外线照射时强度大幅下降。
碳纤维的制作过程
10.2 芳纶纤维的结构与特性
10.2.1 芳纶纤维的结构
碳纤维的制作过程
(1) 聚对苯甲酰胺 (聚对胺基苯甲酰) 纤维Poly (P-benzamide) 简称PBA纤维。
NH
CO
n
NH2
O C CH3
碳纤维的制作过程
(2)聚对苯二甲酰对苯二胺纤维 Poly (P-Phenlene terephthalamide) 简称PPTA纤维
CO
CON H
N H n
O C l C
O
CC l +N H 2
N H 2
碳纤维的制作过程
(1) 聚间苯二甲酰间苯二胺纤维
CO
CO NH
碳纤维的制作过程
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。
碳纤维的制作过程
碳纤维的制作过程
碳纤维的制作过程
石墨化 在2500℃～3000℃的温度下，密封装置，施加
碳纤维的制作过程
芳纶纤维是苯二甲酰与苯二胺的聚合体，经溶 解转为液晶纺丝而成。
碳纤维的制作过程
(1) 分子链由苯环和酰胺基按一定规律排列而成，具有良好 的规整性。致使芳纶纤维具有高度的结晶性。
(2) 键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴向是高度 定向的，各聚合物链是由氢键作横向连结。
碳纤维的制作过程
以聚丙烯腈（PAN）为原料制造的碳纤维 PAN原丝制备碳纤维的过程分为三个阶段： 预氧化：200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况下进行
碳纤维的制作过程
进行预氧化处理的原因： PAN的Tg低于100℃，分解前会软化熔融，不能直
接在惰性气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化处 理，使PAN的结构转化为稳定的梯形六元环结构，就 不易熔融。另外，当加热足够长的时间，将产生纤维 吸氧作用，形成PAN纤维分子间的化学键合。
压力，保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶 碳向石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进 一步减小以提高碳纤维的弹性模量。
碳纤维的制作过程
碳纤维的表面处理
提高碳纤维增强复合材料 中碳纤维与基体的结合强度。
途径：
清除表面杂质；在纤维表面形成微孔或 刻蚀沟槽，从类石墨层面改性成碳状结构以 增加表面能；引进具有极性或反应性官能团； 形成能与树脂起作用的中间层。
NH n
O Cl C
O
C Cl + NH2
碳纤维的制作过程
NH2
高温性能好，高温下的强度保 持率好，以及尺寸稳定性、抗氧化 性和耐水性好，不易燃烧，具有自 熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐 化学试剂，绝热性能也较好。
强度和模量低，耐光性较差。
用途：主要用于易燃易爆环境的工作服，耐高温绝缘 材料，耐高温的蜂窝结构。
ARAMID纤维包括三种牌号的产品，宇并航重、改造名船称。
PRD--49--IV改称为芳纶--29；
工业的复合 材料制件。
PRD--49--III改称为芳纶--49；
B纤维改称为芳纶。
主要用于橡胶增强，制造轮 胎、三角皮带、同步带等
碳纤维的制作过程
（1）不熔融 （2）高温能保持高强度与高弹性模量 （3）耐热、不易燃烧 （4）尺寸稳定、几乎不发生蠕变 （5）耐药性好，在有机溶剂及油中性能不下降 （6）耐疲劳性，耐磨性好 （7）对放射性线的抵抗性大 （8）非导电、且诱电性能优越 （9）与无机纤维相比振动吸收性好、减衰速度快
碳纤维的制作过程
制造的方法：
在惰性气氛中将小分子有机物(如 烃或芳烃等）在高温下沉积成纤维。 此法用于制造晶须或短纤维，不能用 于制造长纤维。
将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰 纤维，然后再在惰性气氛中于高温下进行 焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他 非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状 物。此法用于制造连续长纤维。
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。
碳纤维的制作过程
10 芳纶纤维
10.1 概述 10.2 芳纶纤维的结构与特性 10.3 芳纶纤维的制造 10.4 凯芙拉纤维的制品 10.5 芳纶纤维及其复合材料的应用
碳纤维的制作过程
芳纶纤维：
10.1 概述
芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外商 品牌号为凯芙拉 (Kevlar) 纤维 (美国杜邦 公司1968年开始研究，1973年研制成功)， 我国命名为芳纶纤维。
碳纤维的制作过程
(2) 聚N, N-间苯双-(间苯甲酰胺)对苯二甲酰胺纤维
H N
C OH N
H NC O
C O n
H 2 N
O
C O H + H 2 N
N H 2
O
+ H O C
O C O H
主要用作抗燃纤维及耐高温绝缘材料
碳纤维的制作过程
为制得更高强度和模量的纤维，改进 纤维的耐疲劳性能，采用各种芳环和杂环 的二胺和二酰氯，与对苯二酰氯和对苯二 胺共聚。尚处于研制和试生产阶段。
8 碳8.3 碳纤维的结构与性能 8.4 碳纤维的表面处理
碳纤维的制作过程
1. 碳纤维概念 2. 碳纤维的制作方法 3. 以聚丙烯腈 (PAN) 为原料制造的碳纤维 4. 碳纤维的表面处理
碳纤维的制作过程
由有机纤维或低分子烃气体原料在惰 性气氛中经高温(1500ºC)碳化而成的纤维 状碳化合物，其碳含量在90%以上。