碳纤维是什么材料,碳纤维小知识

发表时间：2018-08-30

碳纤维的起源可以追溯到1860年，英国人瑟夫·斯旺早用碳丝制造电灯泡的灯丝，后来美国人爱迪生做出了实用的白炽灯碳灯丝，不过由于1910年库里奇发明了拉制钨丝的方法，灯丝改用钨丝，早期的碳纤维研究被打入冷宫。
20世纪50年代以后，为了解决导弹喷管和弹头耐高温和耐腐蚀等问题，美国研制出粘胶基碳纤维，碳纤维又一次登上历史舞台。
1959年日本人近藤昭男发明了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维，聚丙烯腈基碳纤维具有生产工艺成熟、综合性能好和生产成本较低的优势，产量占碳纤维全部产量的90%以上。今天我们说的碳纤维，不指明的话一般指PAN基碳纤维。
1、碳纤维成分结构

碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨(C原子层状排列)，是乱层石墨结构。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为230-430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。
2、碳纤维的化学性质/生产方式
①化学性质：碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。

通常采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成。
②生产方式：碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。目前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。
③生产过程
④主要生产商：日本和美国掌握着世界碳纤维的大多数产能，并控制了碳纤维的生产。
日本东丽公司在PAN基碳纤维研制生产中早起步，是日本碳纤维生产企业的代表。美国赫氏Hexcel公司也紧随日本东丽的步伐，20世纪80年代美国研制的三叉戟II潜射导弹和侏儒小型机动洲际导弹都是用了Hexcel公司的IM7型碳纤维。
目前世界上小丝束碳纤维的主要生产商包括日本东丽、日本东邦人造丝、日本三菱人造丝三家公司，美国的赫氏Hexcel公司和Cytec公司虽然产量相差较大，但技术上仍可与日本三巨头媲美。此外台湾台塑公司拥有数千吨的产能，并在2013年开始批量供应T800级碳纤维，土耳其阿克萨公司的低端T300碳纤维也在迅速扩张。
大丝束碳纤维的主要生产商包括美国Zoltek、Aldila公司，日本东邦、日本东丽和德国SGL公司等。
总的说来美国在大丝束碳纤维生产上优势明显，日本在小丝束碳纤维的生产上垄断地位更为稳固。
3、碳纤维分类
①按照原丝分类：聚丙烯腈基(多)、粘胶基(适宜作烧蚀材料)、沥青基(成本低，发展中)、木质素纤维基、其他有机纤维基
②按照性能分类：
通用级CF（拉伸强度<1400MPa，拉伸模量<140GPa）
高性能CF（强度>2000MPa，模量>250GPa）：高强度CF(HS):强度>2000MPa、高模量CF(HM):模量>300GPa、强CF(UHS):强度>4000MPa、模CF(UHM):模量>450GPa、高强－高模CF、中强－中模CF、高强高伸型:延伸率>2%

4、碳纤维特性
碳纤维是复合材料的增强材料，具有轻质、高强、高模、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点。
①轻质、高强度、高模量
碳纤维的密度是1.6-2.5g/cm3，碳纤维拉伸强度在2.2Gpa以上。因此，具有高的比强度和比模量，它比绝大多数金属的比强度高7倍以上，比模量为金属的5倍以上。由于这个优点，其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材等。
②热膨胀系数小
绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数，室内为负数(-0.5～-1.6)×10-6/K，在200～400℃时为零，在小于1000℃时为1.5×10-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定，可作为标准衡器具。
碳纤维特性

③导热性好
通常无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。
④耐化学腐蚀性好
从碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外，对酸、碱和有机化学药品都很稳定，可以制成各种各样的化学防腐制品。我国已从事这方面的应用研究，随着今后碳纤维的价格不断降低，其应用范围会越来越广。
⑤耐磨性好
碳纤维与金属对磨时，很少磨损，用碳纤维来取代石棉制成的摩檫材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料。
⑥耐高温性能好
碳纤维在400℃以下性能非常稳定，甚至在1000℃时仍无太大变化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性，树脂基复合材料其长期耐热性只达300℃左右，陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航空航天工业。
⑦突出的阻尼与优良的透声纳
利用这二种特点可作为潜艇的结构材料，如潜艇的声纳导流罩等。
⑧高X射线透射率
此特点已经在器材中得到应用。
⑨疲劳强度高
碳纤维的结构稳定，制成的复合材料，经应力疲劳数百万次的循环试验后，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，而玻璃钢则只有20%-25%.因此设计制品所取的系数，碳纤维复合材料为低。
5、碳纤维应用领域
碳纤维(carbonfiber,简称CF)不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。作为高性能纤维的一种，碳纤维碳材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩目。
碳纤维在日常生活中的运用
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。在多个领域都出现了碳纤维材料的身影，比如说滑雪板、棒球棒、赛车、自行车以及各种体育服装用品中。

碳纤维在工业中的应用
传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、导弹防热及结构材料（火箭喷管、鼻锥、大面积防热层）、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等、卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件；航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件；哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无线电天线。

6、碳纤维的缺点
①复杂的应力计算
碳纤维的特点是拉伸强度强，但剪断强度弱，加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、横刚性)，根据计算把碳纤维片重叠成型。
②难于更改尺寸
由于作好模具后成型，难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。
③老化
很多使用者发现碳纤维产品放置在阳光下时会逐渐变白。因此好不要放置在阳光下。
④价格较高
原因有两个：1.生产原材料的厂家不多，产量有限。2.工艺复杂，开模的费用较高，机械价格也较贵。

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