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引言
天道周星,物华流转,在当代社会工业技术的发展无疑是改变人类社会的重要一环,而作为已经被广泛使用的一直技术,碳纤维这个名字大家应该都不陌生,因为碳纤维出色的性能而让他被应用在各种产品上,但是碳纤维究竟是什么?
碳纤维
碳纤维,提到这种材料,各位都不会陌生。经常能看到碳纤维应用在很多地方,大到航天器,赛车以及很多高技术器材,小到日常生活中的鱼竿,球拍,自行车甚至是手机壳上。那么,什么是碳纤维,以及为什么碳纤维这种材料能被人们青睐,广泛应用到人们的生活中,今天就来讲一讲。
什么是碳纤维
碳纤维(carbonfiber,简称CF)。含碳量在90%以上的高强度高模量纤维,就被称作碳纤维。碳纤维是一种高强度、高模量的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。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Mpa以上,是钢的7~9倍。抗拉弹性模量为~Mpa,也高于钢。但是,碳纤维材料也只是沿纤维轴方向表现出很高的强度,其耐冲击性却较差,容易损伤,所以在制造成为结构组件时往往利用其耐拉质轻的优势而避免去做承受侧面冲击的部分。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合,制造先进复合材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度及比模量在现有工程材料中是最高的。简单来讲,就是碳纤维不但重量相比其他材料要轻,强度还比其他材料高,但是过脆易折。
碳纤维的发展
早在年,爱迪生就曾用纤维素纤维,如竹、亚麻或棉纱为原料,首先制得碳纤维并获得专利,但当时制得的碳纤维力学性能很低,工艺也不能工业化,未能获得发展。直到几十年后的20世纪50年代,由于火箭,航天航空等尖端技术的发展,迫切需要比强度及比模量高和耐高温的新型材料。另外,采用前驱纤维为原料经热处理的工艺可制得碳纤维连续长丝,这一工艺奠定了碳纤维工业化的基础。
比强度,比模量
碳纤维的密度小,因此比强度和比模量高。单位密度的强度和弹性模量称为常用材料和复合材料的比强度和比模量。材料的强度除以密度称为比强度;材料的模量除以密度称为比模量,这两个参量都是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和比模量较高说明材料质量轻,而强度和刚度大,这是结构设计,特别是航空航天结构设计对材料的重要要求。
碳纤维的制得与分类
碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得;按状态分为长丝、短纤维和短切纤维;按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为兆帕(MPa)、模量为GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度MPa、模量GPa)和高模型(模量GPa以上)。强度大于MPa的又称为超高强型;模量大于GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展,还出现了高强高伸型碳纤维,其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。
碳纤维的应用
碳纤维最主要的应用形式是作为树脂材料的增强体,所形成的碳纤维增强树脂(CFRP)具有优异的综合性能。随着科技的进步,其不论是在军用还是民用方面都逐渐成为非常重要的材料。军用方面例如导弹,运载火箭和卫星,运载火箭和航天器等。民用方面例如船舶,汽车,医疗器械以及体育用品,碳纤维在众多领域已经有着广泛的应用。
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