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碳纖維複合材料

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碳纖維複合材料,主要是由碳元素組成的一種特種纖維,其含碳量隨種類不同而異,一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性,如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等。

1 碳纖維複合材料 -概況


在複合材料大家族中,纖維增強材料一直是人們關注的焦點。自玻璃纖維與有機樹脂複合的玻璃鋼問世以來,碳纖維、陶瓷纖維以及硼纖維增強的複合材料相繼研製成功,性能不斷得到改進,使複合材料領域呈現出一派勃勃生機。下面讓我們來了解一下別具特色的碳纖維複合材料。

2 碳纖維複合材料 -結構


碳纖維材料結構示意圖碳纖維材料結構示意圖
主要是由碳元素組成的一種特種纖維,其含碳量隨種類不同而異,一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性,如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等,但與一般碳素材料不同的是,其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物,沿纖維軸方向表現出很高的強度。碳纖維比重小,因此有很高的比強度。

碳纖維是由含碳量較高,在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維,經熱穩定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝製成的。

3 碳纖維複合材料 -用途


碳纖維複合材料用於汽車與航空業碳纖維複合材料用於汽車與航空業
碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體複合,製成結構材料。碳纖維增強環氧樹脂複合材料,其比強度、比模量綜合指標,在現有結構材料中是最高的。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域,在要求高溫、化學穩定性高的場合,碳纖維複合材料都頗具優勢。

碳纖維是50年代初應火箭、宇航及航空等尖端科學技術的需要而產生的,現在還廣泛應用於體育器械、紡織、化工機械及醫學領域。隨著尖端技術對新材料技術性能的要求日益苛刻,促使科技工作者不斷努力提高。80年代初期,高性能及超高性能的碳纖維相繼出現,這在技術上是又一次飛躍,同時也標誌著碳纖維的研究和生產已進入一個高級階段。

由碳纖維和環氧樹脂結合而成的複合材料,由於其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料。因為航天飛行器的重量每減少1公斤,就可使運載火箭減輕500公斤。所以,在航空航天工業中爭相採用先進複合材料。有一種垂直起落戰鬥機,它所用的碳纖維複合材料已佔全機重量的1/4,占機翼重量的1/3。據報道,美國太空梭上3隻火箭推進器的關鍵部件以及先進的MX導彈發射管等,都是用先進的碳纖維複合材料製成的。

現在的F1(世界一級方程錦標賽)賽車,車身大部分結構都用碳纖維材料。頂級跑車的一大賣點也是周身使用碳纖維,用以提高氣動性和結構強度。

碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。傳統使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外,一般不單獨使用,多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中,構成複合材料。碳纖維增強的複合材料可用作飛機結構材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用於製造火箭外殼、機動船、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等。

4 碳纖維複合材料 -優勢

1、高強度(是鋼鐵的5倍)

2、出色的耐熱性(可以耐受2000℃以上的高溫)

3、出色的抗熱衝擊性

4、低熱膨脹係數(變形量小)

5、熱容量小(節能)

6、比重小(鋼的1/5)

7、優秀的抗腐蝕與輻射性能

5 碳纖維複合材料 -化學性質

碳纖維是含碳量高於90%的無機高分子纖維。其中含碳量高於99%的稱石墨纖維。碳纖維的軸向強度和模量高,無蠕變,耐疲勞性好,比熱及導電性介於非金屬和金屬之間,熱膨脹係數小,耐腐蝕性好,纖維的密度低,X射線透過性好。但其耐衝擊性較差,容易損傷,在強酸作用下發生氧化,與金屬複合時會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象。因此,碳纖維在使用前須進行表面處理。

6 碳纖維複合材料 -應用領域

碳纖維廣泛用於民用,軍用,建築,化工,工業,航天以及超級跑車領域。

碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。傳統使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外,一般不單獨使用,多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中,構成複合材料。碳纖維增強的複合材料可用作飛機結構材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用於製造火箭外殼、機動船、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等。1994年至2002年左右,隨著從短纖碳纖維到長纖碳纖維的學術研究,使用碳纖維製作發熱材料的技術和產品也逐漸進入軍用和民用領域。中國已經有使用長纖碳纖維製作國家電網電纜的使用案例多處。

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。以前,以美國為首的巴黎統籌委員會(COCOM),對當時的社會主義國家實行禁運封鎖政策,1994年3月,COCOM雖然已解散,但禁運封鎖的陰影仍籠罩在上空,先進的碳纖維技術仍引不進來,特別是高性能PAN基原絲技術,即使中國進入WTO,形勢也不會發生大的變化。因此,除了國人繼續自力更生髮展碳纖維工業外,別無其它選擇。因此,國外尤其是碳纖維生產技術領先的日韓等國對中國的碳纖維材料及製品的出口一直保持相當謹慎的態度,只有為數很少的中國企業能夠與其建立合作關係,擁有其產品的進口渠道。

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