高分子材料毕业论文设计.docx
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高分子材料毕业论文设计
毕业论文
碳纤维/NR/CR复合材料结构性能的研究
学生某某：
孙峻航学号：
092074238
系部：
材料工程系
专业：
高分子材料与工程
指导教师：
X保卫
二零一三年六月
诚信声明
本人X重声明：
本论文与其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
本人签名：
年月日
毕业论文任务书
论文题目：
碳纤维/NR/CR复合材料结构性能的研究
系部：
材料工程系专业：
高分子材料与工程学号：
092074238
学生：
孙峻航指导教师：
X保卫〔副教授〕专业负责人：
李歆
主要任务：
设计采用不同含量的碳纤维来改性NR/CR，比照研究没加碳纤维
时NR/CR复合材料的力学性能。
实现目标：
改性后获得的NR/CR复合材料的各个力学性能较纯NR/CR复合材料
的力学性能明显提高。
2．设计〔论文〕的根本要求和内容
〔1〕根本要求
1〕撰写格式规X、工整，章节内容明确，字数1~2万；
2〕文献综述包括国内外的前沿动态以与本课题的创新点；
3〕数据真实可信、图表准确，分析合理；
4〕结论具有代表性与再现性；
5〕外文翻译准确，且与课题有关。
〔2〕主要内容
1）碳纤维的外表处理和烘干；
2〕处理好的碳纤维参加NR/CR时混炼的程序；
3〕比拟改性后的NR/CR和纯NR/CR的力学性能
3.参考文献
[1]谢富霞,李拥军,李吉宏,等.偶联剂改性炭黑对橡胶性能的影响[J].橡胶工业业,1996,43（6）:
335-338.
[2]杨清芝.现代橡胶工艺学[M].:
某某,1997:
194.
度的影响[J].炭素技术，1999
（2）:
24一27.
[4]王作龄编译.海绵橡胶.世界橡胶工业，2000，27〔2〕：
22.
[5]许嘉敏.碳纤维外表改性与其表征的研究[J].高分子材料科学与工程，1990，
（1）:
66.
[6]李润民，贺福.碳纤维的外表处理研究一碳纤维外表自由能与其退化浅析[J].纤维复合材料，1993，
（1）:
17一20.
4.进度安排
论文各阶段名称
起止日期
1
分析题目，查阅资料，开题报告。
2013
2
备料，制定实验方案。
2013
3
依照方案进展前期实验。
2013
4
进展宏观取舍，优化方案。
2013
5
进展后期实验，制备成品，进展性能测试。
2013
6
整理数据，编写实验论文。
2013
7
论文审阅，修改，进展论文辩论。
2013.6.202
碳纤维/NR/CR复合材料结构性能的研究
摘要：
本文采用NR/CR按一定比例混合形成混合胶，然后按不同含量的参加碳纤维（碳纤维先放至硫酸里，再烘干4小时〕，不同含量的碳纤维对NR/CR混合胶的性能的影响，再炼胶过程中参加炭黑，氧化锌，硬脂酸，促进剂，硫磺。
本文研究了一定比例下的NR/CR按1比1〔各自50克〕，不同的碳纤维含量〔测5组，分别参加0.5克，1克，1.5克，2克.....4克，碳纤维放入之前要放到硫酸里脱水保存，在取出烘干，在用炼胶机进展炼胶混合，期间分别参加上述几种添加剂，直至成品，在用硫化仪测试硫化曲线，测试完后用平板硫化机进展硫化至成品，最后测试成品的拉伸性能，撕裂性能，硬度，并用电子显微镜测出其结构。
关键字：
碳纤维，NR/CR，性能，结构
Researchon/NR/CRcarbonfiberpositematerialstructureandperformance
Abstract:
inthispaper,usingNR\/CRaremixedaccordingtoacertainproportiontoformamixedglue,andthenaccordingtothedifferentcontentoftheaddedcarbonfiber（carbonfiberfirstputtosulfuricacid,thendryingfor4hours）,influencestheperformanceofcarbonfiberwithdifferentcontentofNR\/CRmixedwithglue,thenmixingprocessbyaddingcarbonblack,zincoxide,stearicacid,accelerator,sulfur.ThispaperstudiesacertainproportionofNR\/CRataratioof1to1（each50grams）,carbonfibercontentofdifferent（measured5groups,respectively,add0.5grams,1grams,1.5grams,2grams..4grams,put...Sulfuricaciddehydrationbeforepreservation,carbonfiberplacedinremovalofrubbermixing,drying,intherubbermixingmachineduringtheseveraladditiveswereaddedinthetest,untilthefinishedproduct,vulcanizationcurve,witharheometertestaftervulcanizingvulcanizingmachinewithaflattothefinishedproduct,tensileproperties,thetestproducttearproperties,hardness,andelectronmicroscopywasusedtomeasuretheirstructure.
Keywords:
carbonfiber,NR/CR,performance,structure
1前言
碳纤维（CF）是由元素C构成的一类有机纤维，由于它本身具有高比强度、高模量、耐高温，耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异的性能．用它增强树脂基体可畦予其复合材料以上性能。
目前几乎没有什么材料具有这么多的特性．因此，碳纤维与其复合材料近年来开展十分迅速。
用碳纤维增强复合材料的研究、开发报道已有很多．并且获得了广泛的应用。
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸与其他材料。
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，多作为增强材料参加到树脂、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与用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
1994年至2002年左右，随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域。
国内已经有使用长纤碳纤维制作国家电网电缆的使用案例多处。
同时，碳纤维发热产品，碳纤维采暖产品，碳纤维远红外理疗产品也越来越多的走入寻常百姓家庭。
碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。
以前，以美国为首的巴黎统筹委员会（CO），对当时的社会主义国家实行禁运封锁政策，1994年3月，CO虽然已解散，但禁运封锁的阴影仍笼罩在上空，先进的碳纤维技术仍引不进来，特别是高性能PAN基原丝技术，即使中国进入WTO，形势也不会发生大的变化。
因此，除了国人继续自力更生开展碳纤维工业外，别无其它选择。
因此，国外尤其是碳纤维生产技术领先的日韩等国对中国的碳纤维材料与制品的出口一直保持相当慎重的态度，只有为数很少的中国企业能够与其建立合作关系，拥有其产品的进口渠道。
碳纤维广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天以与石油化工、机械制造等领域。
碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能两个个方面。
（1）密度低〔1.7g/cm3左右〕在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200oC时可保存室温强度；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应〞即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。
（2）热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。
1.1天然橡胶的概述
天然橡胶介绍：
天然橡胶是从天然产胶植物中制取的橡胶。
市售的天然橡胶主要是由三叶橡胶树的乳胶制得。
天然橡胶是一种以聚异戊二烯为主要成分的天然高分子化合物，分子式是〔C5H8〕n，其成分中91％～94％是橡胶烃〔聚异戊二烯〕，其余为蛋白质、脂肪酸、糖类等非橡胶物质。
天然橡胶是应用最广的通用橡胶。
世界上约有2000种不同的植物可生产类似天然橡胶的聚合物，已从其中500种中得到了不同种类的橡胶，但真正有实用价值的是三叶橡胶树。
橡胶树的外表被割开时，树皮内的乳管被割断，胶乳从树上流出。
从橡胶树上采集的乳胶，经过稀释后加酸凝固、洗涤，然后压片、枯燥、打包，即制得市售的天然橡胶。
天然橡胶根据不同的制胶方法可制成烟片胶、风干胶片、绉片胶、技术分级橡胶和浓缩橡胶等。
标准橡胶或颗粒胶，是20世纪60年代开展起来的天然橡胶新品种。
以前，通用的烟片胶、绉片胶、风干胶片这几种传统产品不论在分级方法、制造方法上都束缚着天然橡胶的开展。
因此，马来西亚于1965年开始实行标准橡胶计划，在使用生胶理化性能分级的根底上开展了颗粒橡胶的生产。
标准橡胶是指按机械杂质、塑性保持率、塑性初值、氮含量、灰分含量、颜色指数等理化性能指标进展分级的橡胶。
标准橡胶包装也比拟先进，一般用聚乙烯薄膜包装，并有鲜明的标识，包的重量较小，易于搬动。
我国规定为40kg。
标准胶的分级较为科学，所以这种分级方法很快被各主要天然橡胶生产国以与国际标准化机构所承受，并先后制定了标准胶的分级标准。
这些标准大体一样，但又不完全一致。
例如ISO2000规定分五个等级，我国的标准GB8081—87，规定有四个等级。
天然橡胶的性能：
〔1〕物理常数相对密度0.94〔20℃〕，折射率1.5222〔20℃〕，弹性模量2————2.09kJ/（kg·K）,门尼黏度90。
〔2〕热性能天然橡胶无一定的熔点。
随着温度的变化，它有三态：
在130℃以上为黏流态；在常温下具有较高的弹性，稍带塑性，即为高弹态；温度降低如此逐渐变硬，低于0℃时，逐渐结晶硬化，继续冷至-72℃时，如此变成脆性物质，即为玻璃态。
受冷冻的橡胶加热至常温，可恢复原状。
生胶拉伸时放热，收缩时吸热。
生胶拉伸70%以上如此会引起结晶。
〔3〕弹性天然橡胶具有很好的弹性。
在0—100℃的X围内，回弹率可达70%—80%；温度达130℃时，仍可保持正常的使用性能。
——34.4MPa。
在高温〔93℃〕下的强度损失为35%左右。
天然橡胶的耐屈挠性很好，到出现裂口时为止可达20万次以上。
〔5〕透气性除含大量填充剂的硫化胶外，一般硫化胶均和生胶具有同等程度的透气性。
〔6〕电性能天然橡胶系极性橡胶，电绝缘性优良。
〔7〕天然橡胶分子主链上有不饱和双键，易于用硫磺硫化体系硫化，但硫化胶不耐老化。
高温下老化速度加快，温度每升高10℃老化速度增加一倍。
〔8〕有较好的耐碱性能，但不耐浓强酸。
〔9〕耐油性、耐非极性溶剂性差。
一般说来，烃、卤代烃、二硫化碳、醚、高级酮和高级脂肪酸对天然橡胶均有溶解作用，但其溶解如此受塑炼程度的影响。
而低级酮、低级酯和醇类对天然橡胶如此是非溶剂。
1.2氯丁橡胶的概述
氯丁橡胶介绍
氯丁橡胶又称氯丁二烯橡胶，是氯丁二烯〔即2-氯-1,3-丁二烯〕为主要原料进展α-聚合生成的弹性体。
它由杜邦公司的华莱士·卡罗瑟斯于1930年4月17日首先制得，杜邦于1931年11月公开宣布已经发明氯丁橡胶，并于1937年正式推向市场，使氯丁橡胶成为第一个实行工业化生产的合成橡胶品种
氯丁橡胶的物理性能
CR由于极性与较高的的结晶性，使它具有良好的力学性能和极性橡胶的特点，根本性能如下：
〔1〕较高的力学性能
拉伸强度较大，与天然橡胶相当；长期使用中耐磨性、耐疲劳性优于天然橡胶；其撕裂强度比天然橡胶略差。
〔2〕优良的耐热老化、耐臭氧老化性能
CR耐热老化、耐臭氧老化性能优于天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶，次于乙丙橡胶、丁基橡胶。
〔3〕优异的阻燃性
CR的阻燃性是通用橡胶中最好的，具有不自燃的特点，接触火焰可以燃烧，离火便自行熄灭。
〔4〕优良的耐油耐溶剂性能
〔5〕良好的粘合性
〔6〕电绝缘性能一般只能用于电压低于600V的低压场合，常被用作低压电缆的保护层与低压电线绝缘层。
〔7〕较差的低温性能低温时橡胶失去弹性，甚至发生断裂。
最低使用温度为-30℃。
碳纤维
碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上，他是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。
具有十分优异的力学性能。
特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。
碳纤维与其复合材料具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、密度小和热膨胀系数低等优异性能。
但碳纤维外表较惰性，与基体树脂粘结性差，致使制成的碳纤维复合材料层间剪切强度降低，严重的影响其开展和应用。
通常的做法是通过对纤维的外表进展处理提高与其树脂的结合力，但是如果结合力过大会造成复合材料过脆易碎。
因此，对纤维进展适当的外表处理可以有效的提高复合材料的性能，外表处理程度过大过小对最终的复合材料的性能均有较大的影响。
一般情况下，纤维的模量与纤维外表处理的程度成正比。
目前各国工业用的碳纤维原料有聚丙烯腈纤维、粘胶丝和沥青纤维三种。
按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。
通用型碳纤维强度为1000兆帕、模量为100GPa左右。
高性能型碳纤维又分为高强型〔强度2000MPa、模量250GPa〕和高模型〔模量300GPa以上〕。
强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。
随着航天和航空工业的开展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2%。
用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。
聚丙烯腈基碳纤维性能好，炭化得率较高（50～60％），因此以聚丙烯腈制造的碳纤维约占总碳纤维产量的95％。
以粘胶丝为原料制碳纤维炭化得率只有20～30％，这种碳纤维碱金属含量低，特别适宜作烧蚀材料。
以沥青纤维为原料时，炭化得率高达80～90％，本钱最低，是正在开展的品种。
图1.3碳纤维图片
Figure1.3carbonfiberpictures
碳纤维的结构与性能
碳纤维是由有机纤维经碳化与石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
碳纤维属于过渡形式碳，其微观结构根本类似石墨，但层面的排列并不规整，是乱层石墨结构，层与层之间借X德华力连接在一起。
随着热处理温度的升高，碳纤维的结构逐步向多晶石墨转化。
微晶是碳纤维微结构的根本单元。
构成多晶结构的基元是六角形芳环的层晶格，石墨片层就是由层晶格组成的层平面。
原纤以网状结构存在，它是有带状的石墨层片组成的微原纤构成的。
原纤之间的界面方向错乱复杂，并且有长而窄的间隙存在。
随着温度的升高，原纤沿纤维轴取向排列。
温度越高，X力越大，择优取向角越小，模量越高。
层间距也随温度的升高而减小，趋近石墨的层间〔0.3354nm〕。
纤维由二维乱层石墨结构向三维有序的石墨结构转变。
图1.4碳纤维微结构
Figure1.4carbonfibermicrostructure
目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。
碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化〔预氧化〕、碳化、石墨化等4个过程。
其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、氧化与脱氧等。
碳纤维有如下的优良特性：
①比重轻、密度小；②超高强力与模量；纤维细而柔软；④耐磨、耐疲劳、减振吸能等物理机械性能优异；⑤耐酸、碱和盐腐蚀，可形成多孔、外表活性、吸附性强的活性碳纤维；⑥热膨胀系数小，导热率高，不出现蓄能和过热；高温下尺寸稳定性好，不燃，热分解温度800℃，极限氧指数55；⑦导电性、X射线透过性与电磁波遮蔽性良好；⑧具有润滑性，不沾润在熔融金属中，可使其复合材料磨损率降低；⑨生物相容性好，生理适应性强。
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59Mpa/（g/cm3）左右，其比模量也比钢高。
材料的比强度愈高，如此构件自重愈小，比模量愈高，如此构件的刚度愈大，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、金属基复合材料、陶瓷基复合材料）的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。
碳纤维增强复合材料，当材料受力时，会发生两种极端的破坏情况。
当纤维和树脂界面粘结较差时，纤维被拉出，负荷不能传递，形成剪切破坏，未进展外表处理的高模纤维常常是这种类型的破坏，此时复合材料的剪切强度与基体的力学性能无关。
反之，假如纤维和树脂粘结良好，此时基体会将负荷传递给纤维直至断裂，形成突然的X力破坏，外表处理过的高强型碳纤维常常是这种破坏，此时复合材料的剪切强度与树脂基体的力学性能有关。
实际上，多数情况下破坏是介于上述两种极端情况之间。
1.5.碳纤维复合材料国内外的开展趋势
国外碳纤维的开展趋势
自从碳纤维工业化生产以来，世界各国都特别重视其应用开发。
随着价格不断降低，其应用X围从满足性能要求高的航空、航天领域逐步向文体和民用领域推广。
目前，碳纤维的市场需求在北美、欧洲、亚洲根本上呈鼎足之势。
按应用领域划分，世界聚丙烯腈基碳纤维主要用于宇航、文体休闲用品、其它工业等领域，其总体消费比例分别为25.2%，31.4%，43.4%，不同地区各有侧重。
由于碳纤维复合材料具有高比强度、设计性好、结构尺寸稳定性好、抗疲劳断裂性好和可大面积整体成型，以与特殊的电磁性能和吸波隐身的特点，目前已大量用于生产军用、民用飞机以与战略导弹和运载火箭上，需求量稳步增长。
文体用品方面，目前碳纤维材料已从钓鱼竿和高尔夫球棒推广到网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、冰雪运动器材、水上运动器材等方面，需求量稳步、较快增长。
其中高尔夫球杆、网球拍和钓鱼竿是体育用品用碳纤维复合材料的三大支柱产品，约占该类产品的80%。
一般产业对碳纤维材料的应用开展比拟迅速，包括根底设施的修复、更新和加固；新能源开发如沿海油气田、深海油田的钻井平台、管道和缆绳等，以与风力发电机的螺旋桨和风叶；汽车的刹车系统、转动轴、车身以与环保汽车用的压缩天然气气瓶；电子领域的应用主要有通信、广播、地球观测、空间探测以与各种飞行器的高精度天线。
一般产业的需求增长较快，将成为碳纤维新的主要应用领域。
碳纤维是一种性能优越的结构材料，具有极高的附加值，自商品化以来，应用X围已从最初的航空航天、军事部门逐渐向民用领域渗透，目前已扩展到整个工业民用的多种领域。
随着应用研究的不断深入，特别是在民用方面仍将继续拓宽应用领域，扩大使用量。
国外预测碳纤维除了在航空航天以与体育用品进一步应用外，近年内包括土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。
由此可见，当前世界碳纤维有如下开展趋势：
产品性能趋向于高性能化；价格将大幅度降低；航天航空和文体用品领域用量稳定增加，民用工业用量增幅较大，已超过前两者。
特别是随着大丝束碳纤维的大规模生产，其价格将不断降低，民用工业用量将继续保持大幅度增加的趋势。
国内碳纤维的开展趋势
尽管我国碳纤维生产开展缓慢，但消费量却与日俱增，市场需求旺盛，主要集中在文体用品和航空航天方面，一般产业需求增长也比拟迅速。
近年来，随着市场需求的增加，特别是国防、军工、航天航空、体育用品方面的需求增加，每年主要依靠从国外进口碳纤维以满足要求，据统计1996-2002年国内碳纤维消费年均增长率超过20%，目前国内的市场需求量约为2500t/a，主要依靠进口。
通过对国内市场需求进展广泛深入的调研发现，近几年体育和休闲用品与压力容器等领域对碳纤维的年需求量迅速增长，从我国航空航天技术的开展来看，也急需高性能碳纤维与其复合材料。
综上所述，国内PAN基碳纤维材料加工业已初具规模，有一定的技术根底和市场开发能力，市场需求比拟旺盛，但碳纤维的生产远远不能满足市场需求，需大量进口。
此外，考虑到我国碳纤维的应用还在不断开展，许多用途还有待开发，如碳纤维在工程修补增强方面、飞机和汽车刹车片、汽车和其他机械零部件的应用以与电子设备套壳、集装箱、医疗器械、深海勘探和新能源的开发等方面都将是我国碳纤维未来的潜在消费市场，对碳纤维的需求量将更大。
因此，未来我国碳纤维的市场需求前景广阔，潜力极大。
本论文研究的目的和意义
目的：
1研究不同碳纤维用量对CR/NR并用胶力学性能的影响
意义：
碳纤维在NR/CR中的分布是随机的，并且相互拱接，形成骨架，碳纤维还具有较高的比模量和比强度，参加碳纤维可以让NR/CR的硬度增大，力学性能增强，并提高其拉伸强度和撕裂强度。
2实验局部
实验原料
表2.1试验的主要材料
材料
厂家
天然橡胶〔烟片胶〕
某某来汇化工实业某某
氯丁橡胶
某某华润橡塑某某
氧化锌
潍坊恒丰化工某某
氧化镁
某某弘开化工某某
硫磺
某某安诚科技某某
促进剂M
某某奥森化工某某
防老剂D
某某奥森化工某某
硬脂酸
某某宇祥橡胶化工某某
N220炭黑
某某金秋实化工某某
表2.2设备、仪器的厂家和型号
设备名称
型号
生产厂商
开放式炼胶机
JC-3010
江都市金刚机械厂
电脑型无转子密闭型硫化仪
MDR-2000
某某登杰机器设备某某
平板硫化机
JC-3012
江都市金刚机械厂
拉伸试验机
JG-4000
江都市金刚机械厂
扫描电镜
KYKY-EM3800
中科科仪技术开展某某
冲片机
CP-25
某某化工机械四厂
表2.3试验配方
配方NRCR硬脂酸ZnO碳纤维
CZDMMgO硫磺炭黑
15050150
2505015
35050151
4505015
55050152
6505015
75050153
85050154
0.
0.
0.50.51230
0.50.51230
0.50.51230
0.50.51230
0.50.51230
0.50.51230
2.4实验工艺
塑炼
混炼
图2.4实验工艺图
碳纤维（CF）以其高比强度、耐磨损、
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