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碳纤维究竟好在哪里?-凯发k8娱乐官网入口

2022-11-21 来源:高分子物理学公众号

碳纤维究竟好在哪里?

 

引言

 

1959年,日本人 shindo a  首先发明了用聚丙烯腈(pan )纤维制造碳纤维,如今碳纤维已发展成为独立完整的新型工业体系,并被喻为是当今世界上材料综合性能的顶峰,是21世纪的黑色革命。美国提出世纪革命性的材料技术共有12 项,其中“新一代碳纤维、纳米碳管”位居第四。


碳纤维简介

 

    碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,分了结构界于石墨与金刚石之问,含碳体积分数随种类不同而异,一般在0.9以上。碳纤维的显著优点是质量轻、纤度好和抗拉强度高,同时具有一般碳材料的特性,如耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等。由于碳纤维这些优异的综合性能,使其与树脂、金属、陶瓷等基体复合后形成的碳纤维复合材料,也具有高的比强度、比模量、耐疲劳、导热、导电等一系列优良性质,在现代工业方面应用非常广泛。


碳纤维的性能

 

要了解碳纤维为何那么重要,我们需要了解碳纤维的性能:

    ①强度高。其抗拉强度在3 500 mpa以上。

    ②模量高。其弹性模量在230 gpa以上。

    ③密度小,比强度高。碳纤维的密度是钢的1/4,是铝合金的1/2,其比强度比钢大16倍,比铝合金大12倍。

    ④能耐超高温。在非氧化气氛条件下,碳纤维可在2 000 0c时使用,在3 0000c的高温下不融熔软化。

   ⑤耐低温性能好。在一180 0c低温下,钢铁变得比玻璃脆,而碳纤维依旧很柔软。

    ⑥耐酸性能好。能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀。将碳纤维放在浓度为50%的盐酸、硫酸和磷酸中,200 d后其弹性模量、强度和直径基本没有变化;在50%浓度的硝酸中只是稍有膨胀,其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。此外,碳纤维的耐油、耐腐蚀性能也很好。

    ⑦热膨胀系数小,导热系数大。可以耐急冷急热,即使从3 000 0c的高温突然降到室温也不会炸裂。

    ⑧防原了辐射,能使中了减速。

    ⑨导电性能好((5-17 } s2 m)·

   ⑩轴向抗剪切模量较低,断裂延仲率小,耐冲击差,并且后加工较为困难。

从以上性能我们可以看出,碳纤维的是各种极端环境中性能的佼佼者,这么多优质性能集合于一种材料是十分难得的,这也不难怪中国自主掌握碳纤维生产是件多么重要的事。


碳纤维为什么这么“变态”

 

碳纤维的优异性能得益于它的结构,碳纤维属于聚合的碳,它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物、碳化历程不同,形成的产物结构也不同。

     碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别,这主要是由于其结构不同。碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体,含碳量约75- -95%;石墨纤维的结构与石墨相似,含碳量可达98- -99%,杂质相当少,碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。

     碳化过程:有机化合物在惰性气体中加热到1000- 1500度 时,所有非碳原子(氮、氢、氧等)将逐步被驱除,碳含量逐步增加,随着非碳原子的排除,固相间发生一系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应,形成碳纤维。

    石墨化过程:温度升高到2000一3000度时,残留的非碳原子继续排除,进一步反应形成的芳环平面逐步增加,排列也较规整,取向性显著提高,并由二维乱层石墨结构向三维有序结构转化,形成的石墨纤维,其弹性棋量大大提高。

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碳纤维用在哪里?

 

碳纤维制品既可民用也可军用,民用一般

用于体育器具如高尔夫球杆、钓鱼竿、网球拍框,军用则用于航空和航天工。


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