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碳纖維是一種具有很高強度和模量的耐高溫纖維,為化纖的高端品種。

1 碳纖維 -概述

碳纖維碳纖維

碳纖維不僅具有碳材料的固有本徵特性,又兼具紡織纖維的柔軟可加工性。它比重不到鋼的1/4,但強度卻非常強。而且其耐蝕性出類拔萃,是新一代增強纖維。

碳纖維廣泛用於民用、軍用、建築、航天以及超級跑車領域。由於碳纖維是軍民兩用新材料,屬於技術密集型和政治敏感的關鍵材料。

美國以前曾對一些國家實行禁運封鎖政策。美日兩國在碳纖維研究領域處於領先地位。

2 碳纖維 -發展歷史

碳纖維最早由美國聯合碳化物公司和美國空軍材料實驗室於1959年投產,原絲採用粘膠纖維。

1962年,日本碳公司進行了通用級聚丙烯腈基碳纖維的生產。

1971年,日本東麗公司的高性能聚丙烯腈基碳纖維投產。瀝青基碳纖維是日本吳羽化學工業公司於1973年投產的。聯合碳化物公司生產了高模量瀝青基碳纖維。

1985年,美國、日本及西歐的聚丙烯腈基碳纖維年生產能力共約有7.25kt,瀝青基碳纖維為1.28kt。

3 碳纖維 -分類

碳纖維按原絲種類可分為聚丙烯腈基、瀝青基、粘膠基及酚醛基等;

按力學性能則可分為通用型(GP)與高性能型(HP)兩類。

4 碳纖維 -結構特性 

每一根碳纖維由數千條更微小的碳纖維所組成,直徑大約5至8微米。在原子層面的碳纖維跟石墨很相近,是由一層層以六角型排列的碳原子所構成。兩者差別在於層與層之間的連結。石墨是晶體結構,它的層間連結鬆散,而碳纖維不是晶體結構,層間連結是不規則的。這樣便防止滑移增強物質強度。

一般碳纖維的密度為1750 kg/m3。導熱能力高但傳電能力低,碳纖維的比熱容量亦比銅低。當加熱的時候,碳纖維會變厚而短。雖然碳纖維的天然顏色是黑色,但可以把它染上不同的顏色。

5 碳纖維 -製造工藝

一般用聚丙烯腈、粘膠纖維等原料,先在200-300℃的空氣中進行預氧化,繼在惰性氣體保護下用1000℃左右的高溫完成碳化,最後加熱到1500-3000℃成碳纖維。

6 碳纖維 -用途

碳纖維碳纖維

因為碳纖維又輕又堅硬,所以它的用途很廣泛。

用碳纖維製造的增強塑料質地強而輕,耐高溫、防輻射、耐水、耐腐蝕,是製造飛行器、兵器及耐腐蝕設備等的優良材料。

近年來碳纖維更是廣泛被使用於大型飛機,例如空中客車的A350與A380,波音787均利用碳纖維複合材料來減輕耗油量。

另外大型風力發電機的葉片,賽車、汽機車的車身均為碳纖維複合材料需求量增加的重要因素。腳踏車亦有使用碳纖維複合材料作為車架,但因碳纖維複合材料製造成本高,多為高階車種才能使用。

7 碳纖維 -產業現狀

碳纖維碳纖維

世界碳纖維產量達到4萬噸/年以上,全世界主要是日本東麗、東邦人造絲和三菱人造絲三家公司以及美國的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司,以及德國SGL西格里集團,韓國泰光產業,中國台灣省的台塑集團,等少數單位掌握了碳纖維生產的核心技術,並且有規模化大生產。

中國對碳纖維的研究開始於20世紀60年代,80年代開始研究高強型碳纖維。多年來進展緩慢,但也取得了一定成績。進入21世紀以來發展較快,

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