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碳纤维的性能、发展及应用

2022-11-18 来源:高分子物理学公众号 浏览数:1

“碳纤维的性能及应用”

 

引言

碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、优异的电性能和较小的体积质量等特性,既具有碳材料的固有特性,又具备纺织纤维的柔软可加工性和优异的力学性能,近年来,已广泛用于国防、军用和民用等领域,是我国现阶段鼓励优先发展的高技术纤维.国外已经实现了碳纤维的工业化,而我国还处于研制阶段.由于发达国家作为战略物资进行管制,在一定程度上制约了我国碳纤维的发展.因此,加速碳纤维的研制和生产是一项艰巨而迫切的任务.

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Part 01

碳纤维的性能及分类

 

01

性能

强度比钢材大 68倍以上,弹性模量比钢材大 1.8~2.6 倍.而碳纤维的密度为钢材的1/4,即便是制作复合材料,密度也变化不大.碳纤维的热膨胀系数小,热导性好,导热率随温度升高而下降,耐高温和低温性能好,耐骤冷、急热性能好.碳纤维的导电性优良,25 ℃高模量碳纤维电阻率为7.75×10-2 Ω·m,高强度碳纤维为1.5×10-1 Ω·m .碳纤维的稳定性好,如耐酸性强,能耐浓盐酸、硫酸的腐蚀和浸渍,还抗辐射,能吸收有毒气体.碳纤维与其他材料相容性好.碳纤维质量较轻,弯曲性好,可加工性好,适用于不同的构件形状.碳纤维设计自由度大,成型较方便,能满足不同产品性能的要求.施工时不需要大型设备,工艺简单,对原结构没有损伤.

 

02

分类

按原丝类型分为4类:聚丙烯腈碳纤维、沥青碳纤维、粘胶碳纤维和酚醛碳纤维.聚丙烯腈碳纤维应用最广、发展最快,产量约占95%,主要用于碳复合材料骨架构件;沥青碳纤维具有高模量、高强度、导电、耐高温等优良特性,用于航天工业的工程材料,产量约占4%;粘胶碳纤维产量约占1%,用于隔热和耐烧蚀材料;酚醛碳纤维处于研究阶段,暂未形成工业化.按形态分为:长丝、短纤维和短切纤维.长丝用于宇航和工业构件中;短纤维用于建筑行业.按力学性能分为:高性能型和通用型.高性能型碳纤维强度为2000 MPa、模量为250 GPa 以上;通用型碳纤维强度为1000 MPa、模量为100 GPa左右.按行业应用分为:宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维.小丝束为1 K、3 K、6K(1 K为1000根长丝),现在较多的为12 K和24 K;大丝束为48 K以上,直到480 K.

 

Part 02

碳纤维的应用

 

01

航空航天

碳纤维质量小,可以节约大量燃料,据报道,航天飞机质量每减少 1 kg就可使运载火箭减轻500 kg.碳纤维具有一定的刚性和导热性,使碳纤维复合材料在导弹、火箭等航天领域得到了广泛应用.碳纤维增强树脂复合材料是生产武器、飞行器的重要材料,用于飞行器上可以起到明显的减重作用,提高抗疲劳、耐腐蚀性能.波音公司生产的飞机材料中,50%使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料,可减轻飞机质量,而刚度和强度不降低,节约了燃料.如果碳材料的比例继续增加,会使飞行速度提高20%左右.预测到2020年,只有复合材料才有潜力使飞机获得20%~50%的性能提升,碳纤维复合材料用量将达到65%.

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02

体育

 

碳纤维复合材料具有树脂基体和碳纤维的特性,力学性能优良,所以,体育器材中碳纤维复合材料的力学性能比传统的木材及其复合材料高得多.碳纤维在体育领域应用较多,如高尔夫球杆、球拍、帆船桅杆、棒球球杆等.高尔夫球杆使用碳纤维使其质量减轻,球可以获得较大的初速度;同时,碳纤维具有高阻尼特性,所以击球时间增加,球被击起的距离增加.高级自行车的关键部位大多使用碳纤维,赋予车体较好的刚性和减震性能,且质量较轻.2008年,国内研究碳纤维在自行车上的应用取得突破性进展,由碳纤维制造的自行车,质量仅9.5 kg,为普通自行车的2/5,但是抗撞击能力却为普通自行车的8倍.

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03

工业

碳纤维用于家用电器、半导体和机器部件中,有提高强度、防护电磁波等作用.例如,碳纤维已经成为汽车制造及内外装饰的常用材料,在刹车片、引擎、尾翼和传动轴中广泛应用,最大的特点是强度大、质量轻,质量仅为钢材的20%~30%,硬度为10倍以上.随着碳纤维在汽车领域应用的发展,节能效益也十分显著.随着环保要求的提高,目前在汽车发动机、燃料箱和汽车尾部沸腾器应用较多.奔驰跑车车身几乎全部采用碳纤维复合材料,质量轻,但对碰撞能量的吸收能力却很高,不仅降低车重,车速提高,而且提供安全保障.李建利等研究了制动性好、密度低的碳纤维复合材料刹车片的发展历程以及在火车、汽车和飞机上的应用,从使用寿命、噪音和性能等方面考察,碳纤维复合材料刹车片均具有很大的优势.

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04

建筑

碳纤维密度小、强度高、抗腐蚀性好、柔韧性好、稳定性好、应变能力强,是桥梁、建筑物加固和抗震的理想材料,在工业与民用建筑物、桥梁、隧道等建筑领域发展很快.碳纤维制成的构架屋顶,可减小建筑的体积和质量,使施工效率和抗震性提高.碳纤维复合材料的强度和模量高于钢材,弹性模量与钢材相当,但是拉伸强度远远大于钢材,耐久性能好.作为土木工程材料,在美国、日本和欧洲等国家和地区得到了大量推广.碳纤维复合材料补强混凝土时,不需要加铆钉和螺栓固定,耐久性好,可提高结构构件抗弯承载力,减少地震危害,施工工艺简单,不改变混凝土结构,延长使用寿命.

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05

能源

由于传统火力发电对环境有污染,所以风力发电越来越受到人们的重视.提高发电效率一直是风力发电追求的目标.随着科技的进步,传统玻璃纤维在大型复合材料叶片中逐渐显示其性能的不足,耐久性好、质量轻、高强的玻璃纤维和碳纤维复合材料成为发电机叶片的首选材料,可以提高叶片的捕风能力.用于对材料强度和刚度要求高的翼缘部位,不但可以提高叶片的承载能力,促进风力发电的发展,而且碳纤维的导电性可避免雷击损伤.据分析,采用碳纤维叶片可减重20%~40%.此外,碳纤维在电化学领域也有应用.研究发现,碳纤维可以满足燃料电池的要求,与传统碳材料相比,具有质量轻、体积小和效率高等优点.用碳纤维制成质子交换膜扩散电极材料已经得到很好的发展.

 

06

医疗卫生

碳纤维及其复合材料可以制成人造假肢和人工骨骼等,性能稳定,生物相容性好,可与人体细胞共存.杨小平等研制的碳纤维导电发热材料具有辅助理疗保健的作用,可加快新陈代谢,促进血液循环,加快伤口愈合速度.碳纤维还具有X 光透过性,CT 扫描时将木床改为碳纤维纺织品覆盖可以减少对X 光的吸收,碳纤维X光线透过性为木材的10倍.随着医疗水平的提高,在仪器设备上采用碳纤维复合材料具有较大的应用前景.

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Part 03

结语

碳纤维具有很多优良的物理化学性能,在生产和生活中应用广泛.国外已实现了工业化,而在我国还处于研究开发阶段.目前任务是突破关键技术,实现自主创新,完善生产工艺,稳定产品质量,积极发展碳纤维循环再利用产业.坚持科学管理,实现研究、生产和应用相结合,可进一步提高碳纤维的质量和性能.大力开发碳纤维复合材料,拓宽应用领域,满足人们的需求.同时,借鉴国外研究碳纤维的经验,建立相关机制,使我国碳纤维快速健康地发展.

 

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