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碳纤维,碳纤维是什么?碳纤维有什么作用?

来源:碳纤维电地暖网,时间:2019-06-26,阅读:1
碳纤维(Carbon Fibre)什么是碳纤维?是一种纤维材料,其碳含量在95%左右,碳含量在99%左右的石墨纤维也被称为碳纤维。碳纤维有粘胶、晴纶、芳纶、聚酰亚胺等纤维在高温下烧制而成。

碳纤维(Carbon Fibre)


什么是碳纤维?

是一种纤维材料,其碳含量在95%左右,碳含量在99%左右的石墨纤维也被称为碳纤维。

碳纤维有粘胶、晴纶、芳纶、聚酰亚胺等纤维在高温下烧制而成。


简介

碳纤维是一种具有很高强度和模量的耐高温纤维,是化纤中的高端品种。

主要由碳原子构成,直径约5-10微米。

为了产生碳纤维,碳原子在晶体中被键合在一起,平行排列的纤维长轴给予碳纤维相当高的强度-体积比。几千条碳纤维集束在一起形成一个纤维束,其可以单独使用或被编织成织物。

相对于类似的纤维,例如玻璃纤维或塑料纤维,碳纤维是相当昂贵的。

碳纤维通常与其他材料结合以形成复合材料。当混合塑料树脂并缠绕或模塑后具有非常高的强度 - 重量比的碳纤维强化聚合物(通常也被称为碳纤维)。然而,碳纤维也会与其它如石墨的材料复合,以形成耐高温的碳 - 碳复合材料。


碳纤维的特性

高硬度,高强度,重量轻,高耐化学性,耐高温和低的热膨胀

每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成,直径大约5至8微米,几乎全部由碳构成。

最早的一代(如T300,HTA和AS4)有16-22微米直径。 新研发的碳纤维(如IM6或IM600)的直径大约有5微米。

在原子层面,碳纤维与石墨很相近,是由一层层以六边形模式(石墨烯薄片)排列的碳原子所构成。两者差别在于层与层之间的连结的方式。

石墨是晶体结构,它的层间连结松散,而碳纤维不是晶体结构,层间连结是不规则的。这样便防止滑移,增强物质强度。

一般碳纤维的密度为1750 kg/m3。导热能力高但传电能力低,碳纤维的比热容亦比铜低。

当加热的时候,碳纤维会变厚而短。

虽然碳纤维的天然颜色是黑色,但可以把它染上不同的颜色。


碳纤维的应用

2012年,碳纤维复合材料的全球需求价值大约为103亿至140亿美元。2012年到2018年,年增长率约为10%至12%。强劲的需求来自于飞机和航空航天,风力发电,以及来自汽车行业。

碳纤维又轻又坚硬特性,使它的用途很广泛。

复合材料

用碳纤维制造的增强塑料质地强而轻,耐高温、防辐射、耐水、耐腐蚀,是制造飞行器、兵器及耐腐蚀设备等的优良材料。

碳纤维制品的缺点是难以自然分解,大量弃置会造成环境问题。

近年来碳纤维更是广泛被使用于大型飞机,例如空中客车的A350与A380,波音787均利用碳纤维复合材料来减轻耗油量。

另外大型风力发电机的叶片,赛车、汽机车的车身均为碳纤维复合材料需求量增加的重要因素。

脚踏车亦有使用碳纤维复合材料作为车架,但因碳纤维复合材料制造成本高,多为高阶车种才能使用。

纺织品

碳纤维的前体是聚丙烯腈(PAN), 人造纤维和沥青。碳纤维长丝纱被用于多个处理技术——直接的用途是用于预浸渍,长丝卷绕,拉挤,纺织,编织等。

微电极

碳纤维用于碳纤维微电极的制作。在此应用中通常与5-7微米直径的单个碳纤维被密封在玻璃毛细管。

在毛细管的尖端或者用环氧树脂密封并抛光制作成为碳纤维圆盘微电极,或纤维被切割成长度为75-150微米,制作成为碳纤维圆柱电极。

碳纤维微电极使用,也可以在安培检测法(英语:Amperometry)或快速扫描循环伏安法(英语:Fast-scan cyclic voltammetry)检测生物化学信号。

生医产业

碳纤维经过活化之后,成为“活性碳纤维”。

此种活性碳纤维具有大量的微孔,形成奈米空间,拥有极大的比表面积。具有吸附及脱附的能力,最常见的产品即是生活上所用的口罩。

此种材料也被用在各种过滤器或水质净化器中。

航空、航天方面的应用

在航空工业中,碳纤维可以用作为航空器的主承力结构材料,如主翼、尾翼和机体;也可以用于次承力构件,如方向舵、起落架、扰流板、副翼、发动机舱、整流罩及碳一碳刹车片等。

在航天工业中,碳纤维可用作导弹防热及结构材料,如火箭喷嘴、鼻锥、防热层,卫星构架、天线、太阳能翼片底板,航天飞机机头、机翼前缘和舱门等。

交通运输方面的应用

碳纤维复合材料可用来制造汽车传动轴、板簧、构架等,也可用于制造快艇、巡逻艇、鱼雷快艇等。

运动器材

用碳纤维可制造网球拍、羽毛球拍以及棒球杆、曲棍球杆和高尔夫球杆、自行车、滑雪板以及赛艇的壳体、桅杆、划水桨等。

其他工业

碳纤维可用来制造化工耐腐蚀复合材料制品,如泵、阀、管道、贮罐。碳纤维复合材料还是较好的桥梁和建筑物的修补材料,并广泛用于制造医疗器械和纺织机的部件等。

 

碳纤维的发展历史

 人类制造碳纤维的历史可以追溯至1880年爱迪生用棉、亚麻、竹等天然植物纤维炭化得到碳纤维用于筛选白炽灯灯丝。但最初得到的碳纤维气孔率高,脆性大且容易氧化。

1881年,发现可在碳纤维表面涂覆一层碳膜使其性能有所改善。

1909年,将碳纤维在惰性气体中加热到2300℃以上。获得了最早的石墨纤维。

1910年钨丝的出现并成功用于白炽灯灯丝使碳纤维的研究停顿。

20世纪50年代,美国联合碳化物公司报道了以人造丝为原料,通过控制热解制备碳纤维的研究结果。

1959年,日本工业技术大阪工业试验所进藤昭男首次以聚丙烯腈为原料制得碳纤维,1962年申报专利。

1969年,日本碳公司根据进藤昭男的研究成果实现T业化生产。

1963年,日本群马大学大谷杉郎教授以石油沥青为原料制成碳纤维,1970年,由吴羽化学公司实现T业化生产。

当时,无论是以人造丝为原料,还是聚丙烯腈或沥青为原料制的碳纤维,强度和模量均较低。

1964年,在碳纤维制造技术上有过两次飞跃,使碳纤维性能大幅度提高。

第一次飞跃是1964年以后,英国和美国分别利用人造丝和聚丙烯腈为原料,研究出在1000~3000℃高温下,边加热边牵伸的炭化技术,使聚丙烯腈碳纤维的性能有了突破性提高。英国皇家航空研究院的瓦特(Watt)与日本进藤昭男合作,制备出高强度和高模量碳纤维,1964年由日本碳公司和东丽公司实现T业化生产。

第二次飞跃是以日本东丽公司为代表发明的聚合催化环化原纤维,改革了传统的炭化工艺,缩短了生产周期,提高了产量。直到现在日本东丽公司仍然占据着碳纤维贸易第一的位置。
 


碳纤维的分类

当前国内外已商品化的碳纤维种类很多,一般可以根据原丝的类型、碳纤维的性能和用途进行分类。

1.根据碳纤维的性能分类

(1)高性能碳纤维

在高性能碳纤维中有高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等。

(2)低性能碳纤维

这类碳纤维有耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。

2.根据原丝类形分类

(1)聚丙烯腈基纤维

(2)粘胶基碳纤维

(3)沥青基碳纤维

(4)木质素纤维基碳纤维

(5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。

3.根据碳纤维功能分类

(1)受力结构用碳纤维

(2)耐焰碳纤维

(3)活性碳纤维(吸附活性)

(4)导电用碳纤维

(5)润滑用碳纤维

(6)耐磨用碳纤维

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