#带你一起走进复合材料世界Word格式.docx

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芳纶纤维是由聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）的液晶溶液经干喷湿纺工艺成型而制得，按分子结构称为“芳香聚酰胺纤维”，美国商品名为Kevlar纤维。

早在1968年美国杜邦公司就开始了芳香聚酰胺树脂的合成及成纤工艺研究，于1972年杜邦公司实现了聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的工业化生产，称为B纤维，规模为2000吨/年，1973年改称为Kevlar纤维。

芳纶具有优异的力学性能，抗张强度280kg/mm2，模量为6480kg/mm2（kevlar29）和13300kg/mm2（kevlar49），断裂伸长率为2.3~4.0%，比重轻（d=1.44g/cm3），而且耐高温（可在250℃以下使用）。

芳纶纤维主要应用于飞机、火箭、导弹等航空、航天等器具中使用的复合材料，此外还用于汽车、船舶、防弹衣、滑雪板等应用领域的复合材料，以及绳缆，耐高温过滤材料等。

碳纤维是以合成纤维或人造纤维为原料，在**下经热处理预氧化成不熔纤维，进一步在惰性气氛下高温烧制碳化（或称石墨化）而成。

其原料主要有聚丙烯腈纤维（PAN），粘胶纤维和沥青纤维（Pitch）.碳纤维技术于1959年首次出现于美国，1964年英国人对碳纤维技术进行了重大改进，形成了现在的碳纤维工业技术。

碳纤维具有优异的力学性能，抗张强度为360-720kg/mm2,模量为2.4万-3万kg/mm2，断裂伸长率为1.5-2.0%，耐高温（可在380℃左右使用），但比重稍高于芳纶（碳纤维比重为1.76-1.8g/cm3）.碳纤维主要应用于飞机，火箭，导弹，卫星等航空航天器具中使用的复合材料，也可用于赛车，船舶，防弹衣，滑雪板，钓鱼杆，网球拍等需要高强度力学性能用品的制造。

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维的制造技术国际上出现于1978年,国内于1985年左右开始了超高分子量聚乙烯的成纤技术研究。

现在的超高分子量聚乙烯纤维（分子量为100万-500万）是采用凝胶纺丝-超高倍牵伸技术制备的，目前此技术在国内已工业化。

商品的超高分子量聚乙烯纤维性能为：

抗张强度2.4-3.8GPa/mm2,抗张模量88-166GPa/mm2，断裂伸长率2.7-3.6%,比重0.97-0.98g/cm3。

但其熔点在150℃左右，因此使用温度在100℃以下。

超高分子量聚乙烯纤维主要用于制作防弹衣，降落伞，强力绳索，高级包装材料等。

也用于制造使用温度较低的复合材料。

国内还未见工业化的聚苯并噻唑（PBT）纤维和芳香族聚酯纤维。

特种纤维具有重要的军事用途，其制造技术及研发情况，均属各国技术保密内容。

但进一步提高特种纤维的性能，改进特种纤维的制造工艺应是它们的研发趋势。

特种纤维复合材料行业正处于快速发展时期，行业的现状是技术含量高，产品性能优异，产品种类多，产业规模较小，但市场发展空间大。

国内特种纤维复合材料的产量从1994年的33.75万吨，增加到2005年的240万吨，年均增长19.5%，约为我国同期GDP年均增长的一倍。

进入21世纪以来，随着应用领域的不断扩大和技术水平的不断提高，我国特种纤维复合材料得到了飞速发展。

据预测，按行业10%增长率保守测算，2010年国内特种纤维复合材料的市场容量将达到450－500万吨。

碳纤维

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。

碳纤维材料（6张）

碳纤维结构

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。

碳纤维用途

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。

随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。

80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。

由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。

因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。

所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。

有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。

据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。

现在的F1（世界一级方程锦标赛）赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。

顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和结构强度

碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。

传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。

碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。

碳纤维优势

1、高强度（是钢铁的5倍）

2、出色的耐热性（可以耐受2000℃以上的高温）

3、出色的抗热冲击性

4、低热膨胀系数（变形量小）

5、热容量小（节能）

6、比重小（钢的1/5）

7、优秀的抗腐蚀与辐射性能

碳纤维的起源 

1860年，英国人瑟夫·

斯旺将细长的绳状纸片碳化制取碳丝，以此制作电灯的灯丝。

大约在1879年，他把棉纱浸入硫酸，焦干处理，然后碳化，或将硝化纤维素从膜孔中挤出成丝，然后在碳化，并获得专利。

由于当时解决不了灯泡的真空问题，所以没有实用化意义。

但是，碳丝的起源或溯源点应该是从他开始的。

此外，硝化纤维素的膜孔成丝为今后发明合成纤维做了有益的工作和启迪。

碳纤维生产技术

20世纪50年代，美国研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机性能，急需新型结构材料及耐腐蚀材料，使碳纤维重新出现在新材料的舞台上，并逐步形成了黏胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维的三大原料体系。

以下分别介绍此三种生产方法。

1.黏胶基碳纤维

1891年，美国人克洛斯和贝文发明了黏胶纤维；

1950年，Muller采用稀硫酸和硫酸盐作为凝固剂，使黏胶纤维性能得到大幅度提，奠定了近代制造高性能黏胶纤维的基础；

1909年，黏胶纤维产业化，为20世纪50年代黏胶纤维的的发展创造了必要的原料条件。

目前主要生产黏胶纤维的原料主要有木浆型和棉浆型两种浆粕，俄罗斯和白俄罗斯主要采用木浆型，我国主要采用棉浆型。

2.沥青基碳纤维

沥青基碳纤维分为两大类：

一类是通用级，由各向同性沥青制造纤维；

另一类是高性能级，由各向异性中间沥青制造纤维。

目前世界上工业化生产高性能沥青基碳纤维长丝主要有三个公司，即美国的BPAmoco公司和日本的三菱化学产业（MCFP）、日本石墨纤维公司（NGF）。

3.聚丙烯腈基碳纤维

聚丙烯腈基碳纤维为人造合成纤维，俗称人造羊毛。

生产碳纤维不采用民用腈纶，而是采用特殊组分且性能优良的专用PAN基纤维。

PAN原丝经一系列热处理后，由有机合成纤维转化为含碳量在92﹪以上的无机碳纤维。

制取碳纤维的要点是细旦化、结晶化和均质化以及生产全过程的环境洁净化。

碳纤维复合材料的发展和战略地位

碳纤维的出现是材料史上的一次革命。

碳纤维是目前世界首选的高性能材料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能，正逐步征服和取代传统材料。

现已广泛应用于航天、航空和军事领域。

世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。

碳纤维除了在军事领域上的重要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的各个领域。

在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。

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。

经过二十多年的发展，碳纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期，其工业地位已基本确立，美、日、英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分，并已逐步形成垄断优势。

我国对碳纤维的研究由于起步较晚，技术力量薄弱，虽然碳纤维及其复合材料在我国已被纳入国家“863”和“973”计划，但总体情况不尽理想，我国仍不具备成熟的碳纤维工业化生产技术，国防和民用碳纤维产品基本依赖进口。

二、碳纤维复合材料的性能和用途

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，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。

由有机母体纤维（例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青）采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下制成的。

其结果是除碳以外的所有元素都予以去除。

碳纤维呈黑色，坚硬，具有强度高、重量轻等特点，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。

材料的比强度愈高，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，综观多种新兴的复合材料（如高分子复合材料、金属