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碳纖維材料的特新和應(yīng)用領(lǐng)域

發(fā)布時間:2024-11-01  瀏覽人數(shù):已有0 瀏覽

碳纖維(CarbonFiber)是一種由碳原子組成的高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料,是一種含碳量在90%以上的高分子纖維狀碳材料,具有出色的力學(xué)性能和物理特性。碳纖維因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),在航空航天、汽車、體育器材、建筑

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  碳纖維(Carbon Fiber)是一種由碳原子組成的高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料,是一種含碳量在90%以上的高分子纖維狀碳材料,具有出色的力學(xué)性能和物理特性。碳纖維因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),在航空航天、汽車、體育器材、建筑加固等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

  一、化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)

  碳纖維是一種由聚丙烯腈(PAN)、瀝青或人造絲等前驅(qū)體材料在高溫下熱解而成的纖維狀材料。碳纖維的直徑通常在5到10微米之間,長度可以根據(jù)需要裁剪。碳纖維主要由碳元素組成,其分子結(jié)構(gòu)介于石墨與金剛石之間,微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨,是亂層石墨結(jié)構(gòu)。根據(jù)含碳量的不同,碳纖維可分為含碳量約95%的碳纖維和含碳量99%以上的石墨纖維。

  二、特性

  1、高強(qiáng)度:碳纖維的抗拉強(qiáng)度非常高,抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上,可以達(dá)到鋼的幾倍甚至十幾倍。

  2、輕質(zhì):碳纖維的密度很低,大約只有鋼的五分之一。因此比強(qiáng)度和比模量高。

  3、高模量:碳纖維的彈性模量(剛性)很高,接近于鋼,但重量更輕。模量可達(dá)2300043000Mpa,亦高于鋼。

  4、耐腐蝕性:碳纖維對大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)具有很好的耐腐蝕性。

  5、耐高溫性:碳纖維在高溫下仍能保持其力學(xué)性能,溫度高于1500時強(qiáng)度才開始下降。同時耐低溫性能良好,在液氮溫度下也不脆化。

  6、導(dǎo)電性:某些類型的碳纖維具有良好的導(dǎo)電性。碳纖維的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能介于非金屬和金屬之間。

  7、導(dǎo)熱性:碳纖維具有良好的導(dǎo)熱性。

  8、低熱膨脹系數(shù):碳纖維的熱膨脹系數(shù)很低,這意味著它在溫度變化時尺寸變化很小。碳纖維的熱膨脹系數(shù)具有各向異性的特點(diǎn),平行于纖維方向是負(fù)值,而垂直于纖維方向是正值。

  三、制備方法

  1、聚丙烯腈(PAN)基碳纖維:

  預(yù)氧化:將聚丙烯腈纖維在空氣中加熱至200-300C,使其轉(zhuǎn)化為一種不易燃的中間態(tài)。

  碳化:進(jìn)一步加熱至1000-3000C,使纖維中的非碳元素?fù)]發(fā)掉,留下幾乎純碳的纖維。

  2、瀝青基碳纖維:

  中間相瀝青:將瀝青在高溫下處理,使其轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g相瀝青。

  紡絲:將中間相瀝青紡絲成纖維。

  碳化:加熱至高溫使纖維中的非碳元素?fù)]發(fā)掉。

  3、人造絲基碳纖維:

  紡絲:將人造絲紡絲成纖維。

  碳化:加熱至高溫使纖維中的非碳元素?fù)]發(fā)掉。

  碳纖維的原料主要有聚丙烯腈(PAN)纖維、瀝青纖維和粘膠纖維等。其中,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。

  制備過程:纖維紡絲:將原料加工成纖維狀。熱穩(wěn)定化(預(yù)氧化):在200~400下進(jìn)行氧化處理,使纖維穩(wěn)定化。碳化:在400~1400的氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行碳化處理,使纖維中的碳含量進(jìn)一步提高。石墨化(可選):在1800以上的氬氣氣氛下進(jìn)行石墨化處理,進(jìn)一步提高纖維的性能。

  四、應(yīng)用領(lǐng)域

  碳纖維材料憑借其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能,在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用:

  1、航空航天:用于制造飛機(jī)、火箭等航空航天器的結(jié)構(gòu)部件,如機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、彈體整流罩等,顯著減輕重量,提高強(qiáng)度,提高飛行性能和燃料效率?;鸺康臍んw、噴嘴等部件。

  2、汽車工藝:碳纖維復(fù)合材料用于制造汽車的車身、底盤、內(nèi)飾等部件,有效減輕汽車重量,提高燃油效率和行駛性能。同時,碳纖維的高強(qiáng)度和抗沖擊性能也為汽車的安全性提供了有力保障。

  3、電子產(chǎn)品:碳纖維復(fù)合材料用于制造輕質(zhì)高強(qiáng)度的手機(jī)外殼,用于制造輕質(zhì)高強(qiáng)度的筆記本電腦外殼。

  4、船舶制造:用于制造高速船舶的船體結(jié)構(gòu),提高船舶的速度和燃料經(jīng)濟(jì)性。此外,碳纖維材料還具有良好的抗腐蝕性能,可以延長船舶的使用壽命。

  5、建筑結(jié)構(gòu):用于制造建筑結(jié)構(gòu)的支撐和加固材料,提高建筑物的抗震性能。同時,碳纖維材料還可以用于建筑外墻的裝飾和保溫材料。

  6、醫(yī)療器械:用于制造輕質(zhì)高強(qiáng)度的假肢,也可用于制造輕質(zhì)高強(qiáng)度的手術(shù)器械。

  7、體育用品:用于制造高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、自行車等高端運(yùn)動器材,使器材更加靈活輕便,提高運(yùn)動員的表現(xiàn)和競爭力。

  8、風(fēng)力發(fā)電:用于制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片,顯著減輕重量,提高發(fā)電效率,降低維護(hù)成本。


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