碳纤维是什么材料呢

科学技术随着时代的发展也是越来越先进了,其实人类社会的发展一直是这样,从没有工具、没有材料发展为会制造和使用简单的石制工具,后来又演变成了青铜器,再到后来的铁器农耕时代,再到合金再到高科技合成材料,人类正在努力的改善这我们自己的生活,今天小编要为大家讲述的就是这种叫做碳纤维的合成材料。

组成结构

碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的微观结构类似人造石墨,是乱层石墨结构。碳纤维各层面间的间距约为3.39到3.42A,各平行层面间的各个碳原子,排列不如石墨那样规整,层与层之间借范德华力连接在一起。

通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成,其中孔洞的含量、大小和分布对碳纤维的性能影响较大。

当孔隙率低于某个临界值时,孔隙率对碳纤维复合材料的层间剪切强度、弯曲强度和拉伸强度无明显的影响。有些研究指出,引起材料力学性能下降的临界孔隙率是1%-4%。孔隙体积含量在0-4%范围内时,孔隙体积含量每增加1%,层间剪切强度大约降低7%。通过对碳纤维环氧树脂和碳纤维双马来亚胺树脂层压板的研究看出,当孔隙率超过0.9%时,层间剪切强度开始下降。由试验得知,孔隙主要分布在纤维束之间和层间界面处。并且孔隙含量越高,孔隙的尺寸越大,并显著降低了层合板中层间界面的面积。当材料受力时,易沿层间破坏,这也是层间剪切强度对孔隙相对敏感的原因。另外孔隙处是应力集中区,承载能力弱,当受力时,孔隙扩大形成长裂纹,从而遭到破坏。

即使两种具有相同孔隙率的层压板(在同一养护周期运用不同的预浸方法和制造方式),它们也表现处完全不同的力学行为。力学性能随孔隙率的增加而下降的具体数值不同,表现为孔隙率对力学性能的影响离散性大且重复性差。由于包含大量可变因素,孔隙对复合材料层压板力学性能的影响是个很复杂的问题。这些因素包含:孔隙的形状、尺寸、位置;纤维、基体和界面的力学性能;静态或者动态的荷载。相对于孔隙率和孔隙长宽比,孔隙尺寸、分布对力学性能的影响更大些。并发现大的孔隙(面积>0.03mm2)对力学性能有不利影响,这归因于孔隙对层间富胶区的裂纹扩展的产生影响。

材料特性

物理

碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征,是一种的力学性能优异的新材料。碳纤维拉伸强度约为2到7GPa,拉伸模量约为200到700GPa。密度约为1.5到2.0克每立方厘米,这除与原丝结构有关外,主要决定于炭化处理的温度。一般经过高温3000℃石墨化处理,密度可达2.0克每立方厘。再加上它的重量很轻,它的比重比铝还要轻,不到钢的1/4,比强度是铁的20倍。碳纤维的热膨胀系数与其它纤维不同,它有各向异性的特点。碳纤维的比热容一般为7.12。

热导率随温度升高而下降平行于纤维方向是负值(0.72到0.90),而垂直于纤维方向是正值(32到22)。碳纤维的比电阻与纤维的类型有关,在25℃时,高模量为775,高强度碳纤维为每厘米1500。这使得碳纤维在所有高性能纤维中具有最高的比强度和比模量。同钛、钢、铝等金属材料相比,碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点,可以称为新材料之王。

碳纤维还具有极好的纤度(纤度的表示法之一是9000米长纤维的克数),一般仅约为19克,拉力高达300kg每微米。几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多一系列的优异性能, 因此在旨度、刚度、重度、疲劳特性等有严格要求的领域。在不接触空气和氧化剂时,碳纤维能够耐受3000度以上的高温,具有突出的耐热性能,与其他材料相比,碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降,而且温度越高,纤维强度越大。碳纤维的径向强度不如轴向强度,因而碳纤维忌径向强力(即不能打结)而其他材料的晶须性能也早已大大的下降。另外碳纤维还具有良好的耐低温性能,如在液氮温度下也不脆化。

化学性质

碳纤维的化学性质与碳相识,它除能被强氧化剂氧化外,对一般碱性是惰性的。在空气中温度高于400℃时则出现明显的氧化,生成CO与CO2。 碳纤维对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性,不溶不胀,耐蚀性出类拔萃,完全不存在生锈的问题。 有学者在1981年将PAN基碳纤维浸泡在强碱氢氧化钠溶液中,时间已过去30多年,它仍保持纤维形态。但其耐冲击性较差,容易损伤,在强酸作用下发生氧化,碳纤维的电动势为正值,而铝合金的电动势为负值。当碳纤维复合材料与与铝合金组合应用时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此,碳纤维在使用前须进行表面处理。碳纤维还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和减速中子等特性。

分类

PAN基碳纤维

PAN基碳纤维的生产工艺主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程:首先通过丙烯腈聚合和纺纱等一系列工艺加工成被称为“母体“的聚丙烯腈纤维或原丝, 将这些原丝放入氧化炉中在200到300℃进行氧化,还要在碳化炉中,在温度为1000到2000℃下进行碳化等工序制成碳纤维。

沥青基碳纤维

美国发明了纺织沥青基碳纤维用的含有基金属中间相沥青,原丝经稳定化和碳化后,碳纤维的拉伸强度为3.5G帕,模量为252G帕;法国研制了耐热和高导电的中间相沥青基碳纤维;波兰开发了新型金属涂覆碳纤维的方法,例如涂覆铜的沥青基碳纤维是用混合法制成,先用铜盐与各向同性煤沥青混匀,进行离心纺丝,在空气中稳定化并在高温氢气中处理,得到合金铜的碳纤维。世界沥青基碳纤维的生产能力较小,国内沥青基碳纤维的研究和开发较早,但在开发、生产及应用方面与国外相比有较大的差距。

碳纤维按产品规格的不同被划分为宇航级和工业级两类,亦称为小丝束和大丝束。通常把48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维,包括360K和480K等。宇航级碳纤维初期以3K为主,逐渐发展为12K和24K,主要应用于国防军工和高技术,以及体育休闲用品,像飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、球杆球拍等。工业级碳纤维应用于不同民用工业,包括:纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。

碳纤维复合材料的特点:

碳纤维增强复合材料,不同于其他使用传统纤维,如玻璃纤维或芳香族聚酰胺纤维等的FRP复合材料,CFRP复合材料的优良性能包括:重量轻——传统玻璃纤维增强复合材料采用连续的玻璃纤维,其含量为70%(重量玻璃/总重量),每立方英寸的密度通常为0.065磅。

强度高——CFRP复合材料尽管重量轻,然而相比于玻璃纤维复合材料,每单位重量的CFRP复合材料却具有更高的强度和更大的硬度。而与金属材料相比时,这一优势则更加突出。例如,经验告诉我们,CFRP材料相比于钢材,在等强度条件下,其重量只有钢的1/5。可以想像为什么所有汽车制造企业都在研究使用碳纤维来代替钢材,从而提高其产品性能。

当CFRP复合材料与铝,质量最轻的金属之一,相比较时,根据基本假设,等强度的铝材,其重量约为碳纤维体的1.5倍。当然实验中也存在许多其他变量,可能会影响对比结果,比如,材料的档次和质量不同,复合过程,生产过程,纤维结构及品质也需要被考虑在内。

碳纤维复合材料的缺点:

成本高

尽管CFRP复合材料性能优异,为什么碳纤维没有广泛地应用于产品生产呢?目前,CFRP复合材料生产成本过高。根据当前的市场情况(供给和需求),碳纤维的种类(航天VS商品级),纤维束的大小不同,纤维的价格也判若云泥。每磅碳纤维原材料的价格,可达5-25倍玻璃纤维价格不等。而相比于钢材,CFRP材料的高成本性就更加突出了。

导电性

这既可以作为碳纤维复合材料的优势,也可能成为实际应用中的一个缺陷。碳纤维导电性极强,而玻璃纤维是绝缘的。许多产品使用玻璃纤维,而不能用碳纤维或金属替代,是因为其要求具备严格的绝缘性。

在公用设施生产中,许多产品都需要使用玻璃纤维。例如,梯子的生产使用玻璃纤维作为梯架,原因在于:当玻璃纤维梯子与电力线接触时,触电的可能性会降低许多。而碳纤维梯子导电性极强,后果则不可想象。

尽管碳纤维复合材料的成本居高不下,然而伴随着科技进步,更多高效益产品的涌现指日可待。或许有生之年,我们将有望见证高性能碳纤维产品在消费市场,工业生产和汽车制造中的大范围应用。

以上就是小编今天要为大家讲述的这种叫做碳纤维的新式合成材料。本来碳合成物就在我们的生活中使用的比较广泛,现在又出来了碳纤维更是将碳化材料地使用提升到的一个新的层次,可以说碳纤维是迄今人类发明出来的用途最多、性质稳定的一种非金属材料。总之一句话,科学技术为我们带来了无限的美好,但是我们一定要懂得合理使用。

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