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碳纖維

一、碳纖維簡(jiǎn)介

碳纖維（carbon fiber，簡(jiǎn)稱(chēng)CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。

二、碳纖維結構

碳纖維是含碳量高于90%的無(wú)機高分子纖維。其中含碳量高于99%的稱(chēng)石墨纖維。碳纖維的微觀(guān)結構類(lèi)似人造石墨，是亂層石墨結構。碳纖維各層面間的間距約為3.39到3.42A，各平行層面間的各個(gè)碳原子，排列不如石墨那樣規整，層與層之間借范德華力連接在一起。

三、碳纖維性能

物理性質(zhì)

碳纖維兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性?xún)纱筇卣鳌?/span>

    碳纖維是一種的力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。碳纖維拉伸強度約為2到7GPa，拉伸模量約為200到700GPa。密度約為1.5到2.0克每立方厘米，這除與原絲結構有關(guān)外，主要決定于炭化處理的溫度。一般經(jīng)過(guò)高溫3000℃石墨化處理，密度可達2.0克每立方厘。再加上它的重量很輕，它的比重比鋁還要輕，不到鋼的1/4，比強度是鐵的20倍。碳纖維的熱膨脹系數與其它纖維不同，它有各向異性的特點(diǎn)。碳纖維的比熱容一般為7.12。熱導率隨溫度升高而下降平行于纖維方向是負值（0.72到0.90），而垂直于纖維方向是正值（32到22）。碳纖維的比電阻與纖維的類(lèi)型有關(guān)，在25℃時(shí)，高模量為775，高強度碳纖維為每厘米1500。這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強度和比模量。同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維在物理性能上具有強度大、模量高、密度低、線(xiàn)膨脹系數小等特點(diǎn)，可以稱(chēng)為新材料之王。

碳纖維編織布

碳纖維除了具有一般碳素材料的特性外，其外形有顯著(zhù)的各向異性柔軟，可加工成各種織物，又由于比重小， 沿纖維軸方向表現出很高的強度，碳纖維增強環(huán)氧樹(shù)脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現有結構材料中是最高的。碳纖維樹(shù)脂復合材料抗拉強度一般都在3500兆帕以上，是鋼的7到9倍，抗拉彈性模量為230到430G帕亦高于鋼；因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000兆帕以上，而A3鋼的比強度僅為59兆帕左右，其比模量也比鋼高。與傳統的玻璃纖維相比，楊氏模量（指表征在彈性限度內物質(zhì)材料抗拉或抗壓的物理量）是玻璃纖維的3倍多；與凱芙拉纖維相比，不僅楊氏模量是其的2倍左右。碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂層壓板的試驗表明，隨著(zhù)孔隙率的增加，強度和模量均下降?？紫堵蕦娱g剪切強度、彎曲強度、彎曲模量的影響非常大；拉伸強度隨著(zhù)孔隙率的增加下降的相對慢一些；拉伸模量受孔隙率影響較小。

碳纖維還具有極好的纖度（纖度的表示法之一是9000米長(cháng)纖維的克數），一般僅約為19克，拉力高達300kg每微米。幾乎沒(méi)有其他材料像碳纖維那樣具有那么多一系列的優(yōu)異性能， 因此在旨度、剛度、重度、疲勞特性等有嚴格要求的領(lǐng)域。在不接觸空氣和氧化劑時(shí)，碳纖維能夠耐受3000度以上的高溫，具有突出的耐熱性能，與其他材料相比，碳纖維要溫度高于1500℃時(shí)強度才開(kāi)始下降，而且溫度越高，纖維強度越大。碳纖維的徑向強度不如軸向強度，因而碳纖維忌徑向強力（即不能打結）而其他材料的晶須性能也早已大大的下降。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。

化學(xué)性質(zhì)

碳纖維的化學(xué)性質(zhì)與碳相識，它除能被強氧化劑氧化外，對一般堿性是惰性的。在空氣中溫度高于400℃時(shí)則出現明顯的氧化，生成CO與CO2。碳纖維對一般的有機溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性，不溶不脹，耐蝕性出類(lèi)拔萃，完全不存在生銹的問(wèn)題。有學(xué)者在1981年將PAN基碳纖維浸泡在強堿氫氧化鈉溶液中，時(shí)間已過(guò)去30多年，它仍保持纖維形態(tài)。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強酸作用下發(fā)生氧化，碳纖維的電動(dòng)勢為正值，而鋁合金的電動(dòng)勢為負值。當碳纖維復合材料與與鋁合金組合應用時(shí)會(huì )發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現象。因此，碳纖維在使用前須進(jìn)行表面處理。碳纖維還有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。

四、碳纖維分類(lèi)

碳纖維按原料來(lái)源可分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長(cháng)碳纖維；按性能可分為通用型、高強型、中模高強型、高模型和超高模型碳纖維；按狀態(tài)分為長(cháng)絲、短纖維和短切纖維；按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。

1K碳纖制作的管

PAN基碳纖維

 PAN基碳纖維的生產(chǎn)工藝主要包括原絲生產(chǎn)和原絲碳化兩個(gè)過(guò)程：首先通過(guò)丙烯腈聚合和紡紗等一系列工藝加工成被稱(chēng)為“母體”的聚丙烯腈纖維或原絲， 將這些原絲放入氧化爐中在200到300℃進(jìn)行氧化，還要在碳化爐中，在溫度為1000到2000℃下進(jìn)行碳化等工序制成碳纖維。

瀝青基碳纖維

美國發(fā)明了紡織瀝青基碳纖維用的含有基金屬中間相瀝青，原絲經(jīng)穩定化和碳化后，碳纖維的拉伸強度為3.5G帕，模量為252G帕；法國研制了耐熱和高導電的中間相瀝青基碳纖維；波蘭開(kāi)發(fā)了新型金屬涂覆碳纖維的方法，例如涂覆銅的瀝青基碳纖維是用混合法制成，先用銅鹽與各向同性煤瀝青混勻，進(jìn)行離心紡絲，在空氣中穩定化并在高溫氫氣中處理，得到合金銅的碳纖維。 世界瀝青基碳纖維的生產(chǎn)能力較小，國內瀝青基碳纖維的研究和開(kāi)發(fā)較早，但在開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)及應用方面與國外相比有較大的差距。 

碳纖維按產(chǎn)品規格的不同被劃分為宇航級和工業(yè)級兩類(lèi)，亦稱(chēng)為小絲束和大絲束。通常把48K以上碳纖維稱(chēng)為大絲束碳纖維，包括360K和480K等。宇航級碳纖維初期以3K為主，逐漸發(fā)展為12K和24K，主要應用于國防軍工和高技術(shù)，以及體育休閑用品，像飛機、導彈、火箭、衛星和釣魚(yú)桿、球桿球拍等。工業(yè)級碳纖維應用于不同民用工業(yè)，包括：紡織、醫藥衛生、機電、土木建筑、交通運輸和能源等。

五、碳纖維應用

碳纖維是發(fā)展國防軍工與國民經(jīng)濟的重要戰略物資

屬于技術(shù)密集型的關(guān)鍵材料，隨著(zhù)從短纖碳纖維到長(cháng)纖碳纖維的學(xué)術(shù)研究，使用碳纖維制作發(fā)熱材料的技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸普及。在當今世界高速工業(yè)化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化。中國已經(jīng)有使用長(cháng)纖作為高性能纖維的一種，在要求高溫，物理穩定性高的場(chǎng)合，碳纖維復合材料具備不可替代的優(yōu)勢。材料的比強度愈高，則構件自重愈小，比模量愈高，則構件的剛度愈大，正是由于兼具優(yōu)異性能，碳纖維在國防和民用領(lǐng)域均有廣泛的應用前景。

碳纖維碳材料已在軍事及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域取得廣泛應用。從航天、航空、 汽車(chē)、 電子、 機械、化工、輕紡等民用工業(yè)到運動(dòng)器材和休閑用品等。碳纖維增強的復合材料可以應用于飛機制造等軍工領(lǐng)域、風(fēng)力發(fā)電葉片等工業(yè)領(lǐng)域、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動(dòng)船、工業(yè)機器人、汽車(chē)板簧和驅動(dòng)軸等。球棒等體育領(lǐng)域。碳纖維是典型的高科技領(lǐng)域中的新型工業(yè)材料。