碳纤维是什么材料呢？简要说明

　　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，今天要为大家讲述的就是这种叫做碳纤维的合成材料。

 

　　碳纤维是什么材料

 

　　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。