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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(shí)用的白熾燈碳燈絲，不過由于1910年庫里奇發(fā)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(jì)50年代以后，為了解決導(dǎo)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(fā)明了聚丙烯腈(PAN)基碳纖維，聚丙烯腈基碳纖維具有生產(chǎn)工藝成熟、綜合性能好和生產(chǎn)成本較低的優(yōu)勢，產(chǎn)量占碳纖維全部產(chǎn)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(jié)構(gòu)

碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)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(jié)構(gòu)類似人造石墨(C原子層狀排列)，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。
碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)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(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個(gè)意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。
2、碳纖維的化學(xué)性質(zhì)/生產(chǎn)方式
①化學(xué)性質(zhì)：碳纖維是含碳量高于90%的無機(jī)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(qiáng)度和模量高，無蠕變，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)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(qiáng)酸作用下發(fā)生氧化，與金屬復(fù)合時(shí)會發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。因此，碳纖維在使用前須進(jìn)行表面處理。

通常采用一些含碳的有機(jī)纖維（如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等）做原料，將有機(jī)纖維跟塑料樹脂結(jié)合在一起，放在稀有氣體的氣氛中，在一定壓強(qiáng)下強(qiáng)熱炭化而成。
②生產(chǎn)方式：碳纖維可通過高分子有機(jī)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(chǎn)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(chǎn)過程
④主要生產(chǎn)商：日本和美國掌握著世界碳纖維的大多數(shù)產(chǎn)能，并控制了碳纖維的生產(chǎn)。
日本東麗公司在PAN基碳纖維研制生產(chǎn)中早起步，是日本碳纖維生產(chǎn)企業(yè)的代表。美國赫氏Hexcel公司也緊隨日本東麗的步伐，20世紀(jì)80年代美國研制的三叉戟II潛射導(dǎo)彈和侏儒小型機(jī)動洲際導(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)量相差較大，但技術(shù)上仍可與日本三巨頭媲美。此外臺灣臺塑公司擁有數(shù)千噸的產(chǎn)能，并在2013年開始批量供應(yīng)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(kuò)張。
大絲束碳纖維的主要生產(chǎn)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(chǎn)上優(yōu)勢明顯，日本在小絲束碳纖維的生產(chǎn)上壟斷地位更為穩(wěn)固。
3、碳纖維分類
①按照原絲分類：聚丙烯腈基(多)、粘膠基(適宜作燒蝕材料)、瀝青基(成本低，發(fā)展中)、木質(zhì)素纖維基、其他有機(jī)纖維基
②按照性能分類：
通用級CF（拉伸強(qiáng)度<1400MPa，拉伸模量<140GPa）
高性能CF（強(qiáng)度>2000MPa，模量>250GPa）：高強(qiáng)度CF(HS):強(qiáng)度>2000MPa、高模量CF(HM):模量>300GPa、強(qiáng)CF(UHS):強(qiáng)度>4000MPa、模CF(UHM):模量>450GPa、高強(qiáng)－高模CF、中強(qiáng)－中模CF、高強(qiáng)高伸型:延伸率>2%

4、碳纖維特性
碳纖維是復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、耐化學(xué)腐蝕、熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)點(diǎn)。 
①輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量
碳纖維的密度是1.6-2.5g/cm3，碳纖維拉伸強(qiáng)度在2.2Gpa以上。因此，具有高的比強(qiáng)度和比模量，它比絕大多數(shù)金屬的比強(qiáng)度高7倍以上，比模量為金屬的5倍以上。由于這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、運(yùn)動器材等。
②熱膨脹系數(shù)小
絕大多數(shù)碳纖維本身的熱膨脹系數(shù)，室內(nèi)為負(fù)數(shù)(-0.5～-1.6)×10-6/K，在200～400℃時(shí)為零，在小于1000℃時(shí)為1.5×10-6/K。由它制成的復(fù)合材料膨脹系數(shù)自然比較穩(wěn)定，可作為標(biāo)準(zhǔn)衡器具。
碳纖維特性
③導(dǎo)熱性好
通常無機(jī)和有機(jī)材料的導(dǎo)熱性均較差，但碳纖維的導(dǎo)熱性接近于鋼鐵。利用這一優(yōu)點(diǎn)可作為太陽能集熱器材料、傳熱均勻的導(dǎo)熱殼體材料。
④耐化學(xué)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(wěn)定的元素之一。它除對強(qiáng)氧化酸以外，對酸、堿和有機(jī)化學(xué)藥品都很穩(wěn)定，可以制成各種各樣的化學(xué)防腐制品。我國已從事這方面的應(yīng)用研究，隨著今后碳纖維的價(jià)格不斷降低，其應(yīng)用范圍會越來越廣。
⑤耐磨性好
碳纖維與金屬對磨時(shí)，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(jī)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(wěn)定，甚至在1000℃時(shí)仍無太大變化。復(fù)合材料耐高溫性能主要取決于基體的耐熱性，樹脂基復(fù)合材料其長期耐熱性只達(dá)300℃左右，陶瓷基、碳基和金屬基的復(fù)合材料耐高溫性能可與碳纖維本身匹配。因此碳纖維復(fù)合材料作為耐高溫材料廣泛用于航空航天工業(yè)。
⑦突出的阻尼與優(yōu)良的透聲納
利用這二種特點(diǎn)可作為潛艇的結(jié)構(gòu)材料，如潛艇的聲納導(dǎo)流罩等。
⑧高X射線透射率
此特點(diǎn)已經(jīng)在器材中得到應(yīng)用。
⑨疲勞強(qiáng)度高
碳纖維的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，制成的復(fù)合材料，經(jīng)應(yīng)力疲勞數(shù)百萬次的循環(huán)試驗(yàn)后，其強(qiáng)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(shè)計(jì)制品所取的系數(shù)，碳纖維復(fù)合材料為低。
5、碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域
碳纖維(carbonfiber,簡稱CF)不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性,是新一代增強(qiáng)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(yè)的各個(gè)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用，從航天、航空、汽車、電子、 機(jī)械、化工、輕紡等民用工業(yè)到運(yùn)動器材和休閑用品等。因此，碳纖維被認(rèn)為是高科技領(lǐng)域中新型工業(yè)材料的典型代表，為世人所矚目。
碳纖維在日常生活中的運(yùn)用 
碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。在多個(gè)領(lǐng)域都出現(xiàn)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(yè)中的應(yīng)用
傳統(tǒng)使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨(dú)使用，多作為增強(qiáng)材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料可用作飛機(jī)結(jié)構(gòu)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(dǎo)彈防熱及結(jié)構(gòu)材料（火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層）、機(jī)動船、工業(yè)機(jī)器人、汽車板簧和驅(qū)動軸等、衛(wèi)星構(gòu)架、天線、太陽能翼片底板、衛(wèi)星-火箭結(jié)合部件；航天飛機(jī)機(jī)頭，機(jī)翼前緣和艙門等制件；哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的測量構(gòu)架，太陽能電池板和無線電天線。

6、碳纖維的缺點(diǎn)
①復(fù)雜的應(yīng)力計(jì)算
碳纖維的特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度強(qiáng)，但剪斷強(qiáng)度弱，加工時(shí)需要進(jìn)行復(fù)雜的應(yīng)力計(jì)算(縱剛性、橫剛性)，根據(jù)計(jì)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(yīng)多尺寸多款式的訂單。
③老化
很多使用者發(fā)現(xiàn)碳纖維產(chǎn)品放置在陽光下時(shí)會逐漸變白。因此好不要放置在陽光下。
④價(jià)格較高
原因有兩個(gè)：1.生產(chǎn)原材料的廠家不多，產(chǎn)量有限。2.工藝復(fù)雜，開模的費(fèi)用較高，機(jī)械價(jià)格也較貴。

 


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