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粉体百科丨碳纤维——划时代的材料

发布时间:2019-10-09 20:19:08 已有: 人阅读

  碳纤维(Carbon Fiber)是一种以碳为主要成分的纤维材料。碳纤维中的碳分子数量高于90%,直径范围在5~8μm内,仅为人的头发丝的1/3左右,是一种高强度、高模量、质量轻的高性能新材料,由于碳纤维高强、高模、轻质的特点,以碳纤维为增强材料的树脂基复合材料在航空航天、风电新能源、体育休闲、轨道交通等领域有广泛的应用。

  此后各国相继对碳纤维的研发和产业化投入大量人力物力,我国近年来在碳纤维材料的研究和产业化方面取得重大突破。

  密度小,比强度高。碳纤维的密度是钢的1/4,是铝合金的1/2,其比强度比钢大16倍,比铝合金大12倍。

  能耐超高温。在非氧化气氛条件下,碳纤维可在2000℃时使用,在3000℃的高温下不融熔软化。

  耐酸性能好。能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀。将碳纤维放在浓度为50%的盐酸、硫酸和磷酸中,200d后其弹性模量、强度和直径基本没有变化。在50% 浓度的硝酸中只是稍有膨胀,其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。

  实践证明,用碳纤维复合材料代替钢或铝,减重效率可达20%到 40%。碳纤维首先在追求速度和控制质量的产业部门得到广泛应用。

  此外,碳纤维所具有的耐腐蚀,抗疲劳,耐高温、膨胀系数小、尺寸稳定性高、导电等优点,使得碳纤维以及使用碳纤维做增强材料的树脂基复合材料的应用领域,迅速的从航空航天扩大到其他的工业部门,包括:新能源、汽车交通、生物医疗、信息技术、轨道交通、海洋科技等。

  碳纤维种类繁多,性能各异,价格差异巨大,其下游应用领域广泛,不同行业对材料的性能需求不同,价格敏感度不同。对碳纤维根据不同维度进行分类,能够方便下业准确匹配自身需求。目前常用的碳纤维分类维度包括:纤维数量、制造原料、力学性能、纤维状态。

  根据纤维数量分为小丝束和大丝束碳纤维:小丝束碳纤维指碳纤维单丝数量≤24K(1K=1000根单丝),具体有可以细分为1K、3K、6K、12K、24K等不同品种,主要用在航空航天领域;大丝束指单丝数量≥48K;应用领域更加多元化,也是研制低成本碳纤维的重要发展方向。

  根据制造原料划分:聚丙烯晴(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维。应用最广泛的是聚丙烯晴(PAN)基碳纤维,占全球高性能碳纤维的80%以上。不同原料制造的碳纤维,其性能略有差异。

  根据力学性能划分:根据碳纤维材料力学性能进行分类是在碳纤维分类方法中最重要的一种分类方法。碳纤维可根据不同的强度和模量的力学性分为4类。由于日本东丽公司是碳纤维产业界的龙头,产业界习惯根据东丽的产品标号作为碳纤维力学分类的参考。分别是:超高模量(UHM)碳纤维;高模量(HM)碳纤维;超高强度(UHS)碳纤维;高强度(HS)碳纤维。

  根据纤维状态划分:根据纤维状态可以将碳纤维划分为长丝纤维碳纤维、短丝纤维碳纤维、短切纤维碳纤维。

  碳纤维材料的制作,不同原料、不同目标产品所需要的工艺略有不同,大多需要高温使前驱体碳化,之后再进行进一步的处理。以某款PAN基碳纤维的生产工艺为例。整个生产工艺需要经历溶解、喷丝、固浴、预氧化、碳化、石墨化、浸胶及后续处理。

  随科技发展碳纤维的应用也越来越广泛,除应用于航空航天等高技术领域外,还用在文体、纺织机械、医疗器械、生物工程、建筑材料、化工机械、运输车辆等方面。在开发不用润滑油的轴承、齿轮、轴瓦、转轴、提升轮等运动频繁、负荷大的零件方面也有很好的前景。

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