【正文】 這是一種由梯形聚合物六元環(huán)所連接起來的疊狀結構，具有很好的拉伸強度。隨著熱處理溫度提高，纖維彈性模量也提高，但撿伸強度卻在出現(xiàn)一個最大值后逐漸下降。—7示出了隨著熱處理溫度的提高，纖維強度、彈性模量的變化情況。在低于1 000℃的溫度下熱裂解，纖維的強度和彈性模量均隨溫度的提高而提高。從圖2．3—7可知，可以根據(jù)需要來制取各種不同強度與彈性模量偶合的碳纖維。石墨化階段 石墨化階段的目的主要是引起纖維石墨化晶體取向，使之與纖維軸方向的夾角進一步減小，以提高碳纖維的彈性模量，因為碳纖維的彈性模量是由石墨晶體基面相對于纖維軸的取向程度所決定的。一些碳纖維的X射線圖表明，在彈性模量為103GPa(／dtex)的纖維中，石墨晶體的基面與纖維軸的夾角在土35℃。范圍內(nèi)，而碳纖維彈性模量為412GPa(2 327cN／dtex)，其夾角為土13℃。如果在石墨化過程中對纖維施加張力，可以進一步縮小夾角，則彈性模量可達657Gh(3 712cN／dtex)。這個數(shù)值達到石墨晶須的彈性模量(979GPa(5 529cN／dtex))的68％。石墨化處理在高溫密封裝置中進行，采用碳管爐加熱，或用電流通過纖維自身加熱，加熱溫度一般為2 500—3 000℃，GY—70碳纖維的石墨化處理溫度達到3 000℃以上。使用密封裝置保護石墨不被氧化，密封的方法有水密封、水銀密封、保護氣體正壓密封等。其中保護氣體正壓密封設備簡單，操作方便。為了防止微量的氫氰酸逸出，可在出口處外加一電熱裝置令其分解。選用適當?shù)谋Ｗo氣體很重要，氬氣應用較廣，氦氣也可用；值得注意的是不能用氮氣，因為在2 000℃以上它可以很快與碳反應形成氰。(2)催化法制造碳纖維上述的空氣氧氣法制造碳纖維，是通過空氣中的氧在原絲轉變?yōu)槟脱胬w維階段，促使聚丙烯腈或其高聚物中的氰基聚合或環(huán)化。而催化法促使聚丙烯腈或其共聚物中的氰基聚合或環(huán)化的催化劑不是空氣中的氧，而是外加的一些化學試劑。但兩種方法在本質上是相同的。催化法制造的碳纖維所含的元素，與空氣氧化法碳纖維比較，除含有碳、氫氮之外，還有一定數(shù)量的氯和錫，因此相對碳含量要低一些，如 教材表2—20所示。催化法生產(chǎn)的碳纖維表面含有二氧化錫，而內(nèi)部含有金屬錫。這種纖維的特點，一是在制造過程中可以縮短炭化時間，二是纖維含有雜分子。所以它除能用做一般增強材料外，還能用做纖維狀導電材料。(3)氣相催化法制造碳纖維將聚丙烯腈及其共聚物與NO、NOSO3或HCl等小分子氣體化合物，在200—270℃下進行反應，可以得到產(chǎn)率高(可達55％一65%)、強度好( GPa( cN／dtex))的碳纖維，但這方面的工作還處于研究階段。2 碳纖維結構與形態(tài)理想的石墨點陣結構屬于六方晶系。碳纖維的結構決定于原絲結構和炭化工藝。對有機纖維進行預氧化、炭化等工藝處理，除去有機纖維中碳以外的元素，形成聚合多環(huán)芳香族平面結構。在碳纖維形成過程中，隨著原絲的不同，質量損失可達l0一80％，因此形成了各種微小的缺陷。但無論用哪種原料，高模量碳纖維中的碳分子平面總是沿纖維軸平行的取向。用X一射線、電子衍射和電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，真實的碳纖維結構并不是理想的石墨點陣結構，而是屬于亂層石墨結構。碳纖維的亂層石墨結構中，石墨層片仍是最基本的結構單元，一般由數(shù)張到數(shù)十張層片組成石墨微晶，這是碳纖維的二級結構單元。層片與層片之間的距離叫面間距，由石墨微晶再組成原纖維，這是纖維的三級結構單元(圖2．3—8(c)、(d)、(e))。最后由原纖維組成碳纖維的單絲，直徑一般為6—8181。m。3碳纖維的性能　碳纖維的高強度(2~7GPa)能代表當今世界水平的是日本東麗公司生產(chǎn)的聚丙烯腈基(PAN)碳纖維,(),T1000的抗拉強度是T300的近2倍,~。截止目前,采用高壓氫氣條件碳弧放電所制得的石墨晶須,抗拉強度為21GPa,它是目前纖維強度最高者,而石墨晶須理論強度達到180GPa,%~%。根據(jù)經(jīng)典的Griffith脆性理論和脆性材料的最弱連接理論,碳纖維屬于脆性材料,影響其強度的主要因素有原絲的高密化和致密化程度,生產(chǎn)環(huán)境的清潔程度,生產(chǎn)工藝,纖維細纖度化程度以及細晶化程度等。因此,高強碳纖維應該向細旦化,均質化(主要是徑向結構)以及表面無瑕化(無表面缺陷)方向發(fā)展?！√祭w維的其它主要性能　密度小,質量輕。碳纖維的密度主要取決于其碳化溫度,PAN基碳纖維在1000℃,經(jīng)2300℃以上溫度處理,~,?！∧Ａ扛?200~700GPa),剛性好,耐疲勞,具有自潤滑性,磨擦系數(shù)小,耐磨性能好。高模量碳纖維也叫石墨纖維(GRF),含碳量一般在92%~96%之間,PAN基石墨纖維M70J的模量為理論值(1020GPa)%,最近日本三菱公司產(chǎn)的K13C20的模量達900GPa,%,石墨纖維的模量仍在不斷提高。試驗表明,在銅中混入25%的碳纖維可使其磨擦率降低到原來的l/100,而加在塑料制品中,其磨擦率可望降低到原來的1/1000?！釋院?10~160Wm1K1),不蓄熱,熱膨脹系數(shù)小(11106K1),尺寸穩(wěn)定,尤其是在惰性氣氛中的耐熱性極好。碳纖維的熱導率隨溫度的上升而下降,在1500℃時僅為常溫時的15%~30%。其熱膨脹系數(shù)呈各向異性,平行于纖維軸向的熱膨脹系數(shù)比垂直于纖維軸向低得多,這一缺點使其與環(huán)氧樹脂復合而成的復合材料易于產(chǎn)生裂紋。　導電性能極好(5~17μΩm),呈非磁性,具有屏蔽電磁波的功能,同時對X射線的透過性好。此外,碳纖維還具有吸能減振,對振動有優(yōu)異的衰減功能?！∧陀?耐酸,耐腐蝕性能好,與生物有很好的相容性能。除了強氧化劑外,一般如濃鹽酸,30%的硫酸,以及堿對其均不起作用。碳纖維的耐腐蝕性能比玻璃纖維好?！≥S向剪切模量較低,斷裂伸長小,使耐沖擊性差,并且后加工較為困難。4碳纖維增強復合材料及其應用CFRP的力學性能主要取決于基體(常用環(huán)氧樹脂)的力學性能,碳纖維的表面性狀以及纖維與基體鍵合界面的性質,而基體的性能及纖維的表面性狀直接關系到界面的鍵合和粘接性能,以下從兩個方面加以敘述:　基體　CFRP常用環(huán)氧樹脂作為基體,它的粘接性好,機械性能優(yōu)異,但是,通用型的環(huán)氧樹脂固化后,質地脆硬,抗沖擊性能較差,耐熱性不好。目前,較為成熟的增韌方法是將固化前能和環(huán)氧樹脂相容的橡膠溶解在樹脂里,固化時,橡膠能順利析出,呈兩相結構。目前一般使用的都是RLP型橡膠,分子量小(1000~10000),并帶有能與環(huán)氧樹脂反應的官能團,以便產(chǎn)生牢固的化學交聯(lián)點。我們可以通過使環(huán)氧樹脂基體主鏈結構含有芳香環(huán)以及增加交聯(lián)密度等方法,來提高環(huán)氧樹脂的使用溫度和熱穩(wěn)定性,同時改善其與碳纖維的粘接性能。　碳纖維的表面性狀　未經(jīng)表面處理的碳纖維表面光滑,摩擦系數(shù)小,表面呈現(xiàn)出憎液性,從而導致與基體的潤濕性差,粘結力低,復合材料的層間剪切強度(ILSS),界面剪切強度(IFSS)均較低,達不到實際要求常用的表面處理方法有氧化和涂層處理、電聚合與電沉積處理、等離子體處理等。利用電化學氧化(陽極氧化)表面處理法,反應緩和,易于控制,處理效果好。經(jīng)過表面處理的碳纖維利用有效的掃描隧道電鏡(STM)表面分析技術發(fā)現(xiàn),其表面石墨層片邊緣較大面積氧化,邊緣活性點數(shù)量大量增加,致使凹凸不平的表面更有利于與基體的鍵合,復合材料的剪切性能提高。同時,其表面能增加顯著改善了碳纖維與基體之間的潤濕性,接觸角減小,表面呈現(xiàn)出親液性。另外,經(jīng)表面處理后,其表面出現(xiàn)了大量的羥基,羧基,醌類及吡喃酮類官能團,提高了碳纖維表面的極性,增強起與基體之間的潤濕性和粘接程度。碳纖維增強復合材料(CFRP)在航空航天及國防軍事領域已相當廣泛。如CFRP可以用于制造人造衛(wèi)星支架,衛(wèi)星天線,航天飛機的機翼,火箭的噴火口,戰(zhàn)略導彈的末級助推器,機器人的外殼等。飛機要滿足質輕,牢固,抗強扭曲的要求,一架波音767飛機,其機身傳動裝置艙門,起落架艙門,引擎罩,主翼,副翼頂端,后部平板等部件均由碳纖維及CFRP制成,總量超過1噸。汽車制造方面汽車的外殼,操縱桿,片狀彈簧等用CFRP制成,可使汽車的總重量減輕70%。運動休閑方面,釣魚竿,網(wǎng)球拍,滑雪板,賽車,跳高撐竿均由CFRP制成,性能大大增強。高層建筑的框架結構利用CFRP可以起到增強,增牢,并減輕建筑基座的負荷等作用,其它方面,如自行車的梁,劍桿織機的劍帶,承受大負荷的高架立交橋的梁,柱等均可利用CFRP制成。5　碳纖維織物的應用　碳纖維針刺氈的應用　研制開發(fā)一種能滿足高速急剎車的高性能剎車制動片,所用原料是日本東麗公司生產(chǎn)的PAN基碳纖維無捻連續(xù)長絲T300,其拉伸強度超過3400MPa,拉伸模量230GPa,%,含碳量在94%以上,纖維直徑介于6~8μm之間,支數(shù)為6K。其針刺氈制造工藝及要求如下:　短碳纖維網(wǎng)胎的制造　將長碳纖維束短切成68~70mm長的短碳纖維束,然后在成網(wǎng)機上鋪疊成網(wǎng),制成均勻的短碳纖維網(wǎng)胎。　整體針刺氈的制造　按照一層短碳纖維網(wǎng)胎,一層長纖維無緯布的方式替層交疊,無緯布層間夾角90176。,每鋪設一層短碳纖維網(wǎng)胎針刺一遍,針刺密度≤3mm,針刺深度為10~12mm,達到整體針刺氈的各層針刺密度均勻一致,長纖維與短纖維比例為75/25。~。層間密度為12~13單元層/cm。制成的碳纖維針刺氈經(jīng)過試驗,具有高強及良好的抗靜電性能,能滿足高速緩沖剎車制動要求。　碳纖維針織物的應用　用新型導紗器的針織新工藝可以得到碳纖維的增強針織物,這種針織物是由一根碳纖維長絲連續(xù)織成,它可以取代合股增強或機織物增強材料的作用,而且針織工藝可以提供能任意成型和成本相對低廉的產(chǎn)品。增強針織物不受基體樹脂和預浸工藝的任何限制,均可獲得一定穩(wěn)定性、纖維分布永久性和一定抗拉性能的復合材料,這種復合材料由于增強材料的組織結構而表觀出各向異性,但其空間變形可能要較機織物或未取向材料增強的復合材料要小,針織織圈的立體形態(tài)更有效的防止材料的起層現(xiàn)象。利用碳纖維針織物作增強材料的缺點是其性能受到基體樹脂的粘合能力、針織物紗圈的方向以及牽伸形式和程度等的影響。目前,碳纖維非織造布,機織物,三向織物的研制開發(fā)工作正進一步加強,其產(chǎn)品的用途也越夾越廣?！』钚蕴祭w維布(氈)的應用　以粘膠纖維基布為原料經(jīng)過化學處理烘干,熱處理,高溫碳化和活化制成活性碳纖維布(氈),具有生產(chǎn)效率高、質量穩(wěn)定、便于使用等特點,其表面積一般達到1200~2000m2/g,吸附速度是普通顆粒活性碳的10~100倍,脫附方便且性能基本不變,便于后加工。但其強度很低,成本較高,可以考慮針刺、熱熔、衍縫等復合方式制成碳纖維復合制品。目前,活性碳纖維布(氈)已廣泛應用于紡織、環(huán)保、交通化學、電子、醫(yī)療、食品、日常生活等領域。它可以用于液相和氣相的吸附,如制造人工肝臟和腎臟,水質凈化,室內(nèi)空氣的凈化,血液凈化器,防毒面具,汽車過濾汽油蒸氣裝置等。同時還可以用于制作放射性保護的服裝,理想的催化劑的載體及電子電器材料等?！　　√祭w維在醫(yī)療保健領域的應用大家知道,人體是一個遠紅外輻射和吸收體,其有效的遠紅外波長范圍為5~14μm。北京化工大學的楊小平博士等人研制出一種新的碳纖維層壓面狀發(fā)熱材料,它是將碳纖維導電復合紙與絕緣材料、電極等通過層壓成型的。在利用5DX型傅立葉變換紅外光譜儀對其進行遠紅外測試時發(fā)現(xiàn)該面狀發(fā)熱板在8~15μm遠紅外波段內(nèi),法向發(fā)射率為85%,具有較高的遠紅外法向發(fā)射強度。因此,碳纖維導電發(fā)熱材料作為一種有源遠紅外加熱元件,具有輔助理療保健作用,是醫(yī)療保健品可選用的新材料,它可以促進血液循環(huán),加快新陳代謝,減緩類風濕關節(jié)炎疼痛,加快傷口的愈合速度等。利用碳纖維及其復合材料可以制造人工韌帶,人造假肢及人造骨骼等。碳纖維是開發(fā)人工韌帶的適當材料,其性能穩(wěn)定,生物親和性好,直徑細小,有利于促進細胞的長入。英國最近的一則專利介紹了一種碳纖維和聚酯纖維的復合線性材料,以碳纖維長絲為芯體,聚酯纖維旋覆于芯體之上,這種結構使碳纖維表面盡量露在外,有利于與新生組織長成一體。80年代末90年代初我國科學家也進入該研究行列,并取得較大的進展。隨著碳纖維技術的不斷發(fā)展和成熟,人民生活水平的不斷提高,在醫(yī)療保健及其它新的領域,碳纖維將會扮演一個越來越重要的角色。第四節(jié) 玻璃纖維 第五節(jié) 其他纖維[教學目的]：掌握玻璃纖維的性能特點；了解玻璃纖維結構特征，掌握玻璃纖維的應用。了解其他高性能纖維。[教學重點]：玻璃纖維的性能特點；玻璃纖維的應用。[教學難點]：玻璃纖維結構特征。[教學方法及手段]：課堂講授[課外作業(yè)]：本章節(jié)相關習題[學時分配]：2+2[教學內(nèi)容]： 玻璃纖維具有原料易得、拉伸強度高、斷裂伸長低、彈性模量高、防火、防霉、耐熱、耐腐蝕和尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點，是一種常用的性能優(yōu)良的增強材料。玻璃纖維最主要的缺點是脆性大和不耐磨，因此，它的復合材料制品也往往具有上述缺點。 玻璃纖維是在復合材料中應用最廣泛的一種纖維。大約30年代初，聚合物基復合材料玻璃纖維就已問世，稱為玻璃纖維增強塑料。 數(shù)十年來，由于玻璃纖維性能及結構的特點，它在國民經(jīng)濟各個部門都得到了廣泛的應用。玻璃纖維本身具有許多特有的性能，價格又低，因此它又在混雜纖維復合材料中受到重視。玻璃纖維與碳纖維制成的混雜復合材料，可以不降低碳纖維復合材料的強度而又提高其韌性，并降低材料的成本，同時可根據(jù)零件和實際要求進行混雜纖維復合材料的設計。 玻璃纖維制造及品種 玻璃纖維品種很多：根據(jù)纖維的化學成分有無堿纖維、低堿纖維和有堿纖維之分；根據(jù)纖維的外觀形狀有連續(xù)長纖維、短纖維、空心纖維和卷曲纖維等類型；根據(jù)玻璃纖維的特性又可分為高強度高模量纖維、耐堿纖維和耐高溫纖維。 玻璃纖維經(jīng)過浸潤槽集束而成原絲。原絲的粗細與單絲直徑及漏板孔數(shù)有關。一般拉絲爐的漏孔板有102孔、204孔、408孔或更多的孔，近年來，國外已發(fā)展到了4000孔。 玻璃纖維的化學組成主要是二氧化硅、三氧化硼。加入氧化鈉、氧化鉀等堿性氧化物能降低玻璃的熔化溫度和粘度，有利于玻璃熔液中氣泡的排除，故稱這類氧化物為助熔氧化物。加入氧化鈣、三氧化二鋁等能改善玻璃的某些性質和工藝性能。