01

碳纖維簡(jiǎn)介

碳纖維簡(jiǎn)介

    碳纖維是含碳量高于90%以上的一種無(wú)機(jī)纖維。它是利用各種有機(jī)纖維在惰性氣體中、高溫狀態(tài)下碳化而制得。碳纖維具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，是目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和最高的比模量的纖維，特別是在2000℃以上的高溫惰性環(huán)境中碳材料是唯一強(qiáng)度不下降的物質(zhì)，是其它主要結(jié)構(gòu)材料所無(wú)法比擬的。

碳纖維的結(jié)構(gòu)

    碳纖維的結(jié)構(gòu)在分子尺度上類似于石墨，但并不是理想的石墨點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，而是屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)。與石墨不同，碳纖維的分子之間沒(méi)有層狀結(jié)構(gòu)，而是比較混亂的分布，這也是碳纖維能不像石墨一樣軟的原因。

02

碳纖維的制備工藝

    根據(jù)碳纖維合成方式的不同，碳纖維有聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和黏膠基碳纖維等。

聚丙烯腈基碳纖維

    聚丙烯腈（PAN）基碳纖維由聚丙烯腈經(jīng)紡絲、預(yù)氧、碳化幾個(gè)階段形成。PAN基碳纖維具有高強(qiáng)度、高剛度、重量輕、耐高溫、耐腐蝕、優(yōu)異的電性能等特點(diǎn)，并具有很強(qiáng)的抗壓抗彎性能，一直在增強(qiáng)復(fù)合材料中保持著主導(dǎo)地位。目前，PAN基碳纖維仍是碳纖維市場(chǎng)中的主流。

聚丙烯腈環(huán)化

黏膠基碳纖維

    粘膠基碳纖維是由主要成分為纖維素的粘膠纖維經(jīng)過(guò)脫水、熱解然后碳化而得來(lái)的。粘膠基碳纖維的三維石墨結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá)，導(dǎo)熱系數(shù)?。皇珜娱g距大，石墨微晶取向度低，因此是理想的耐燒蝕和隔熱及熱防護(hù)材料。同時(shí)，粘膠基碳纖維是由天然纖維素木材或棉絨轉(zhuǎn)化而來(lái)，與生物的相容性極好，又可作為良好的環(huán)保和醫(yī)用衛(wèi)生材料。 

    但是，由于生產(chǎn)粘膠基碳纖維的工藝流程較長(zhǎng)，工藝條件苛刻，不適宜大批量生產(chǎn)，成本較高；另外，粘膠基碳纖維的整體性能指標(biāo)比PAN基碳纖維的要差，綜合性能價(jià)格比在競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，因此從20世紀(jì)60年代以來(lái)其生產(chǎn)規(guī)模逐漸萎縮，目前產(chǎn)量已不足世界碳纖維產(chǎn)量的 １％。

瀝青基碳纖維

    瀝青基碳纖維是以石油瀝青或煤瀝青為原料，經(jīng)瀝青的精制、紡絲、預(yù)氧化、碳化或石墨化而制成。瀝青基碳纖維的生產(chǎn)原料成本低于聚丙烯腈基碳纖維，但由于瀝青基碳纖維的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，反而使其生產(chǎn)成本大大增加。此外，瀝青基碳纖維抗壓強(qiáng)度比較低，其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纖維，因此其生產(chǎn)規(guī)模和應(yīng)用領(lǐng)域都受到了一定限制。不過(guò)，由于瀝青基碳纖維具有優(yōu)良的傳熱、導(dǎo)電性能和極低的熱膨脹系數(shù)，因此仍在必須要求這些性能的軍工及航天領(lǐng)域發(fā)揮著獨(dú)特作用。

03

碳纖維的性能

    碳纖維具有一系列優(yōu)良的性質(zhì)，最典型的的性質(zhì)為高強(qiáng)度、高模量，其強(qiáng)度比鋼大4~5倍，彈性回復(fù)接近100%。

    除了高強(qiáng)高模以外，碳纖維還有密度小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。碳纖維的密度為1.5~2g/cm3，相當(dāng)于鋼密度的 1/4、鋁合金密度的1/2。

    除上述性質(zhì)外，碳纖維還有一些性質(zhì)可以用于特殊用途，如熱膨脹系數(shù)小，耐驟冷、急熱；摩擦系數(shù)小，并具有潤(rùn)滑性；導(dǎo)電性好，25℃時(shí)高模量碳纖維的比電阻為 775μΩ／ｃｍ，高強(qiáng)度碳纖維則為1150μΩ／ｃｍ；耐高溫和低溫性好，在 3000℃非氧化氣氛下不熔化、不軟化，在液氮溫度下依舊很柔軟，也不脆化；化學(xué)穩(wěn)定性好，對(duì)酸呈惰性，能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕。

04

碳纖維的應(yīng)用

航空航天

    在航空航天領(lǐng)域，對(duì)材料的重量有嚴(yán)格的要求。輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料（CFRP）成為解決這一難題的關(guān)鍵。它所具有的高比強(qiáng)度和比模量、性能可設(shè)計(jì)和易于整體成形等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以滿足航天結(jié)構(gòu)高結(jié)構(gòu)效率的要求，易于得到尺寸穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。自從CFRP 被廣泛應(yīng)用于軍事、民用各個(gè)領(lǐng)域，尤其是航空航天領(lǐng)域后，其所展現(xiàn)出的優(yōu)異特性使它已經(jīng)成為一種不可或缺，同時(shí)又不可多得的多功能的特種工程材料?，F(xiàn)在，CFRP 已經(jīng)與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為航空、航天領(lǐng)域的四大結(jié)構(gòu)材料。

波音787中用到的復(fù)合材料約占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的50%

國(guó)防軍工

    新武器裝備研制過(guò)程中的小型化、輕質(zhì)化、高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命、機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性等都離不開(kāi)碳纖維的應(yīng)用，可以說(shuō)碳纖維在國(guó)防軍工中有舉足輕重的影響。

風(fēng)電葉片

    近年來(lái)，我國(guó)清潔能源的發(fā)展迅速，對(duì)風(fēng)電設(shè)備有巨大的需求。傳統(tǒng)的葉片制造材料主要為玻璃纖維復(fù)合材料，而當(dāng)葉片長(zhǎng)度超過(guò)一定值后，葉片重量比較大，性能上也有較多不足，已經(jīng)無(wú)法滿足風(fēng)電葉片大型化，輕量化的要求。而碳纖維復(fù)合材料比玻璃纖維復(fù)合材料具有更低的密度，更高的強(qiáng)度，其突破了玻璃纖維復(fù)合材料的性能極限,而且可以保證風(fēng)電葉片在增加長(zhǎng)度的同時(shí),重量大大降低了。

交通運(yùn)輸

    在交通領(lǐng)域，碳纖維擴(kuò)大應(yīng)用的最大希望在于汽車業(yè)。國(guó)外的各大主要汽車廠家，均競(jìng)相開(kāi)發(fā)碳纖維復(fù)合材料（CFRP）化的節(jié)能、環(huán)保和 CFRP安全性汽車。新一代的汽車要求大大降低能耗，最重要的措施之一就是減輕汽車質(zhì)量，用一般鋼材是不可能實(shí)現(xiàn)的，最有效的辦法就是應(yīng)用復(fù)合材料。設(shè)計(jì)表明，一輛典型小車的碳纖維用量可超過(guò) 113kg，以此推算，僅滿足北美需求，碳纖維復(fù)合材料的需求量就達(dá)世界碳纖維總生產(chǎn)能力的100倍。因此碳纖維復(fù)合材料用作汽車材料，將具有廣闊的發(fā)展前景。

土木建筑

    隨著碳纖維成本的降低與復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，土木建筑領(lǐng)域成為碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的新市場(chǎng)。利用碳纖維復(fù)合材料棒材替代圓鋼，利用碳纖維片材加固或修復(fù)橋梁及建筑物，及利用碳纖維增強(qiáng)混凝土等將會(huì)有很大的發(fā)展。目前在土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要是：復(fù)合材料棒材、纖維增強(qiáng)膠接層板、碳纖維增強(qiáng)混凝土、碳纖維復(fù)合材料板、碳纖維單向布等。

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總結(jié)

    碳纖維復(fù)合材料是一種高性能、多功能的先進(jìn)復(fù)合材料。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)主要集中于復(fù)合材料的制備與工藝優(yōu)化以及復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的損傷破壞和承載能力分析等領(lǐng)域。我國(guó)在碳纖維復(fù)合材料的研究方面起步不晚，但由于在復(fù)合材料的制備、性能分析和設(shè)計(jì)等方面還比較落后，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，碳纖維復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域特別是航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用還存在較大差距。要擴(kuò)大碳纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，應(yīng)該一方面開(kāi)發(fā)高性能的碳纖維，打破國(guó)外對(duì)我國(guó)的封鎖，滿足我國(guó)軍事、航空航天等行業(yè)的要求；另一方面研究開(kāi)發(fā)有特色的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低成本碳纖維生產(chǎn)技術(shù)以及成型費(fèi)用低的復(fù)合材料制造新工藝。相信隨著我國(guó)在碳纖維生產(chǎn)以及復(fù)合材料制備工藝領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，碳纖維及其復(fù)合材料在建筑、交通、化工等民用領(lǐng)域的應(yīng)用前景將十分樂(lè)觀，而其在航空航天及軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也會(huì)更加廣泛。

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