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    碳纖維是什么材料,碳纖維小知識

    碳纖維的起源可以追溯到1860年,英國人瑟夫·斯旺早用碳絲制造電燈泡的燈絲,后來美國人愛迪生做出了實用的白熾燈碳燈絲,不過由于1910年庫里奇發明了拉制鎢絲的方法,燈絲改用鎢絲,早期的碳纖維研究被打入冷宮。
    20世紀50年代以后,為了解決導彈噴管和彈頭耐高溫和耐腐蝕等問題,美國研制出粘膠基碳纖維,碳纖維又一次登上歷史舞臺。
    1959年日本人近藤昭男發明了聚丙烯腈(PAN)基碳纖維,聚丙烯腈基碳纖維具有生產工藝成熟、綜合性能好和生產成本較低的優勢,產量占碳纖維全部產量的90%以上。今天我們說的碳纖維,不指明的話一般指PAN基碳纖維。
    1、碳纖維成分結構

    碳纖維是由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結構類似人造石墨(C原子層狀排列),是亂層石墨結構。
    碳纖維是一種力學性能優異的新材料,它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上,是鋼的7-9倍,抗拉彈性模量為230-430Gpa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2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比鋼高。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,從這個意義上已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景。
    2、碳纖維的化學性質/生產方式
    ①化學性質: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。碳纖維的軸向強度和模量高,無蠕變,耐疲勞性好,比熱及導電性介于非金屬和金屬之間,熱膨脹系數小,耐腐蝕性好,纖維的密度低,X射線透過性好。但其耐沖擊性較差,容易損傷,在強酸作用下發生氧化,與金屬復合時會發生金屬碳化、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。

    通常采用一些含碳的有機纖維(如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等)做原料,將有機纖維跟塑料樹脂結合在一起,放在稀有氣體的氣氛中,在一定壓強下強熱炭化而成。
    ②生產方式:碳纖維可通過高分子有機纖維的固相碳化或低分子烴類的氣相熱解來制取。目前世界上產生的銷售的碳纖維絕大部分都是用聚丙烯腈纖維的固相碳化制得的。
    ③生產過程
    ④主要生產商:日本和美國掌握著世界碳纖維的大多數產能,并控制了碳纖維的生產。
    日本東麗公司在PAN基碳纖維研制生產中早起步,是日本碳纖維生產企業的代表。美國赫氏Hexcel公司也緊隨日本東麗的步伐,20世紀80年代美國研制的三叉戟II潛射導彈和侏儒小型機動洲際導彈都是用了Hexcel公司的IM7型碳纖維。
    目前世界上小絲束碳纖維的主要生產商包括日本東麗、日本東邦人造絲、日本三菱人造絲三家公司,美國的赫氏Hexcel公司和Cytec公司雖然產量相差較大,但技術上仍可與日本三巨頭媲美。此外臺灣臺塑公司擁有數千噸的產能,并在2013年開始批量供應T800級碳纖維,土耳其阿克薩公司的低端T300碳纖維也在迅速擴張。
    大絲束碳纖維的主要生產商包括美國Zoltek、Aldila公司,日本東邦、日本東麗和德國SGL公司等。
    總的說來美國在大絲束碳纖維生產上優勢明顯,日本在小絲束碳纖維的生產上壟斷地位更為穩固。
    3、碳纖維分類
    ①按照原絲分類:聚丙烯腈基()、粘膠基(適宜作燒蝕材料)、瀝青基(成本低,發展中)、木質素纖維基、其他有機纖維基
    ②按照性能分類:
    通用級CF(拉伸強度<1400MPa,拉伸模量<140GPa
    高性能CF(強度>2000MPa,模量>250GPa):高強度CF(HS):強度>2000MPa、高模量CF(HM):模量>300GPa、強CF(UHS):強度>4000MPa、模CF(UHM):模量>450GPa、高強-高模CF、中強-中模CF、高強高伸型:延伸率>2%

    4、碳纖維特性
    碳纖維是復合材料的增強材料,具有輕質、高強、高模、耐化學腐蝕、熱膨脹系數小等一系列優點。 
    ①輕質、高強度、高模量
    碳纖維的密度是1.6-2.5g/cm3,碳纖維拉伸強度在2.2Gpa以上。因此,具有高的比強度和比模量,它比絕大多數金屬的比強度高7倍以上,比模量為金屬的5倍以上。由于這個優點,其復合材料可廣泛應用于航空航天、汽車工業、運動器材等。
    ②熱膨脹系數小
    絕大多數碳纖維本身的熱膨脹系數,室內為負數(-0.5-1.6)×10-6/K,在200400℃時為零,在小于1000℃時為1.5×10-6/K。由它制成的復合材料膨脹系數自然比較穩定,可作為標準衡器具。
    碳纖維特性
    ③導熱性好
    通常無機和有機材料的導熱性均較差,但碳纖維的導熱性接近于鋼鐵。利用這一優點可作為太陽能集熱器材料、傳熱均勻的導熱殼體材料。
    ④耐化學腐蝕性好
    從碳纖維的成分可以看出,它幾乎是純碳,而碳又是穩定的元素之一。它除對強氧化酸以外,對酸、堿和有機化學藥品都很穩定,可以制成各種各樣的化學防腐制品。我國已從事這方面的應用研究,隨著今后碳纖維的價格不斷降低,其應用范圍會越來越廣。
    ⑤耐磨性好
    碳纖維與金屬對磨時,很少磨損,用碳纖維來取代石棉制成的摩檫材料,已作為飛機和汽車的剎車片材料。
    ⑥耐高溫性能好
    碳纖維在400℃以下性能非常穩定,甚至在1000℃時仍無太大變化。復合材料耐高溫性能主要取決于基體的耐熱性,樹脂基復合材料其長期耐熱性只達300℃左右,陶瓷基、碳基和金屬基的復合材料耐高溫性能可與碳纖維本身匹配。因此碳纖維復合材料作為耐高溫材料廣泛用于航空航天工業。
    ⑦突出的阻尼與優良的透聲納
    利用這二種特點可作為潛艇的結構材料,如潛艇的聲納導流罩等。
    ⑧高X射線透射率
    此特點已經在器材中得到應用。
    ⑨疲勞強度高
    碳纖維的結構穩定,制成的復合材料,經應力疲勞數百萬次的循環試驗后,其強度保留率仍有60%,而鋼材為40%,鋁材為30%,而玻璃鋼則只有20%-25%.因此設計制品所取的系數,碳纖維復合材料為低。
    5、碳纖維應用領域
    碳纖維(carbonfiber,簡稱CF)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。作為高性能纖維的一種,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。因此,碳纖維被認為是高科技領域中新型工業材料的典型代表,為世人所矚目。
    碳纖維在日常生活中的運用 
    碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。在多個領域都出現了碳纖維材料的身影,比如說滑雪板、棒球棒、賽車、自行車以及各種體育服裝用品中。

    碳纖維在工業中的應用
    傳統使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外,一般不單獨使用,多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中,構成復合材料。碳纖維增強的復合材料可用作飛機結構材料、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、導彈防熱及結構材料(火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層)、機動船、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等、衛星構架、天線、太陽能翼片底板、衛星-火箭結合部件;航天飛機機頭,機翼前緣和艙門等制件;哈勃太空望遠鏡的測量構架,太陽能電池板和無線電天線。

    6、碳纖維的缺點
    ①復雜的應力計算
    碳纖維的特點是拉伸強度強,但剪斷強度弱,加工時需要進行復雜的應力計算(縱剛性、橫剛性),根據計算把碳纖維片重疊成型。
    ②難于更改尺寸
    由于作好模具后成型,難于更改尺寸。無法相應多尺寸多款式的訂單。
    ③老化
    很多使用者發現碳纖維產品放置在陽光下時會逐漸變白。因此好不要放置在陽光下。
    ④價格較高
    原因有兩個:1.生產原材料的廠家不多,產量有限。2.工藝復雜,開模的費用較高,機械價格也較貴。

     


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