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碳纖維

茄子社区app最新版下载 碳纖維(carbon fiber,簡稱CF),是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”,質量比金屬鋁輕,但強度卻高于鋼鐵,并且具有耐腐蝕、高模量的特性,在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強纖維。

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碳纖維

 

一、碳纖維簡介



碳纖維(carbon fiber,簡稱CF),是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”,質量比金屬鋁輕,但強度卻高于鋼鐵,并且具有耐腐蝕、高模量的特性,在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強纖維

 


二、碳纖維結構



碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維。其中含碳量高于99%的稱石墨纖維。碳纖維的微觀結構類似人造石墨,是亂層石墨結構。碳纖維各層面間的間距約為3.39到3.42A,各平行層面間的各個碳原子,排列不如石墨那樣規整,層與層之間借范德華力連接在一起。


三、碳纖維性能



物理性質

碳纖維兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征。

 

 

    碳纖維是一種的力學性能優異的新材料。碳纖維拉伸強度約為2到7GPa,拉伸模量約為200到700GPa。密度約為1.5到2.0克每立方厘米,這除與原絲結構有關外,主要決定于炭化處理的溫度。一般經過高溫3000℃石墨化處理,密度可達2.0克每立方厘。再加上它的重量很輕,它的比重比鋁還要輕,不到鋼的1/4,比強度是鐵的20倍。碳纖維的熱膨脹系數與其它纖維不同,它有各向異性的特點。碳纖維的比熱容一般為7.12。熱導率隨溫度升高而下降平行于纖維方向是負值(0.72到0.90),而垂直于纖維方向是正值(32到22)。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關,在25℃時,高模量為775,高強度碳纖維為每厘米1500。這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強度和比模量。同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比,碳纖維在物理性能上具有強度大、模量高、密度低、線膨脹系數小等特點,可以稱為新材料之王。

 

碳纖維編織布

 

碳纖維除了具有一般碳素材料的特性外,其外形有顯著的各向異性柔軟,可加工成各種織物,又由于比重小, 沿纖維軸方向表現出很高的強度,碳纖維增強環氧樹脂復合材料,其比強度、比模量綜合指標,在現有結構材料中是最高的。碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500兆帕以上,是鋼的7到9倍,抗拉彈性模量為230到430G帕亦高于鋼;因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000兆帕以上,而A3鋼的比強度僅為59兆帕左右,其比模量也比鋼高。與傳統的玻璃纖維相比,楊氏模量(指表征在彈性限度內物質材料抗拉或抗壓的物理量)是玻璃纖維的3倍多;與凱芙拉纖維相比,不僅楊氏模量是其的2倍左右。碳纖維環氧樹脂層壓板的試驗表明,隨著孔隙率的增加,強度和模量均下降。孔隙率對層間剪切強度、彎曲強度、彎曲模量的影響非常大;拉伸強度隨著孔隙率的增加下降的相對慢一些;拉伸模量受孔隙率影響較小。

 

 

碳纖維還具有極好的纖度(纖度的表示法之一是9000長纖維的克數),一般僅約為19,拉力高達300kg每微米。幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那么多一系列的優異性能, 因此在旨度、剛度、重度、疲勞特性等有嚴格要求的領域。在不接觸空氣和氧化劑時,碳纖維能夠耐受3000度以上的高溫,具有突出的耐熱性能,與其他材料相比,碳纖維要溫度高于1500時強度才開始下降,而且溫度越高,纖維強度越大。碳纖維的徑向強度不如軸向強度,因而碳纖維忌徑向強力(即不能打結)而其他材料的晶須性能也早已大大的下降。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能,如在液氮溫度下也不脆化。

化學性質

碳纖維的化學性質與碳相識,它除能被強氧化劑氧化外,對一般堿性是惰性的。在空氣中溫度高于400時則出現明顯的氧化,生成COCO2。碳纖維對一般的有機溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性,不溶不脹,耐蝕性出類拔萃,完全不存在生銹的問題。有學者在1981年將PAN基碳纖維浸泡在強堿氫氧化鈉溶液中,時間已過去30多年,它仍保持纖維形態。但其耐沖擊性較差,容易損傷,在強酸作用下發生氧化,碳纖維的電動勢為正值,而鋁合金的電動勢為負值。當碳纖維復合材料與與鋁合金組合應用時會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象。因此,碳纖維在使用前須進行表面處理。碳纖維還有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。

 

四、碳纖維分類



碳纖維按原料來源可分為聚丙烯腈基碳纖維瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維;按性能可分為通用型、高強型、中模高強型、高模型和超高模型碳纖維;按狀態分為長絲、短纖維和短切纖維;按力學性能分為通用型和高性能型。

 

1K碳纖制作的管


PAN基碳纖維

 PAN基碳纖維的生產工藝主要包括原絲生產和原絲碳化兩個過程:首先通過丙烯腈聚合和紡紗等一系列工藝加工成被稱為“母體”的聚丙烯腈纖維或原絲, 將這些原絲放入氧化爐中在200到300℃進行氧化,還要在碳化爐中,在溫度為1000到2000℃下進行碳化等工序制成碳纖維

 

瀝青基碳纖維

美國發明了紡織瀝青基碳纖維用的含有基金屬中間相瀝青,原絲經穩定化和碳化后,碳纖維的拉伸強度為3.5G帕,模量為252G帕;法國研制了耐熱和高導電的中間相瀝青基碳纖維;波蘭開發了新型金屬涂覆碳纖維的方法,例如涂覆銅的瀝青基碳纖維是用混合法制成,先用銅鹽與各向同性煤瀝青混勻,進行離心紡絲,在空氣中穩定化并在高溫氫氣中處理,得到合金銅的碳纖維。 世界瀝青基碳纖維的生產能力較小,國內瀝青基碳纖維的研究和開發較早,但在開發、生產及應用方面與國外相比有較大的差距。 

碳纖維按產品規格的不同被劃分為宇航級和工業級兩類,亦稱為小絲束和大絲束。通常把48K以上碳纖維稱為大絲束碳纖維,包括360K和480K等。宇航級碳纖維初期以3K為主,逐漸發展為12K和24K,主要應用于國防軍工和高技術,以及體育休閑用品,像飛機、導彈、火箭、衛星和釣魚桿、球桿球拍等。工業級碳纖維應用于不同民用工業,包括:紡織、醫藥衛生、機電、土木建筑、交通運輸和能源等。

五、碳纖維應用



碳纖維是發展國防軍工與國民經濟的重要戰略物資


屬于技術密集型的關鍵材料,隨著從短纖碳纖維到長纖碳纖維的學術研究,使用碳纖維制作發熱材料的技術和產品也逐漸普及。在當今世界高速工業化的大背景下,碳纖維用途正趨向多樣化。中國已經有使用長纖作為高性能纖維的一種,在要求高溫,物理穩定性高的場合,碳纖維復合材料具備不可替代的優勢。材料的比強度愈高,則構件自重愈小,比模量愈高,則構件的剛度愈大,正是由于兼具優異性能,碳纖維在國防和民用領域均有廣泛的應用前景。

碳纖維碳材料已在軍事及民用工業的各個領域取得廣泛應用。從航天、航空、 汽車、 電子、 機械、化工、輕紡等民用工業到運動器材和休閑用品等。碳纖維增強的復合材料可以應用于飛機制造等軍工領域、風力發電葉片等工業領域、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等。球棒等體育領域。碳纖維是典型的高科技領域中的新型工業材料。

 

 


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