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什麽是碳纖維?是怎麽來的?
发布时间:2016-12-10 14:01 | 浏览次数:


        什么是碳纤维?

  碳纤维(carbon fiber,CF) 是一种连续细丝碳材料,直径范围在6~8μm内,仅为人的头发丝的1/3左右,是近数十年来为满足高性能飞机对材料的需求而发展起来的一种新型材料。尽管碳纤维的含碳量在90%以上,但是它的制备不是直接用碳材料抽取的。碳材料不溶于任何溶剂,也不能用熔融纺丝法制取,而是由有机高分子纤维,即聚丙烯腊纤维,或石油沥青或煤沥青纤维经专门的碳化处理而制得的。用于制备碳纤维的有机纤维称为前驱体或原丝。在美国,碳纤维也被称为石墨纤维(graphite fiber),但真正意义上的石墨纤维是将相应的有机前驱体纤维制成碳纤维后,再经2000~ 3300℃石墨化处理后而得到的纤维材料,含碳量高达99%,因此弹性模量也大为提高,用石墨纤维制造的复合材料,不仅轻质高强,而且刚性和尺寸稳定性特别好,在航天应用中,被用来制造卫星天线或太阳能电池矩阵。

  碳纤维的研究开发启迪于对20世纪50年代开发的玻璃纤维复合材料性能的认识和经验。通常的玻璃纤维复合材料,密度要高出碳纤维复合材料1/3 以上,而拉伸强度仅是碳纤维复合材料的2/3,模量则更低,不到1/3,满足不了高性能飞机的要求,因此研究高强、高模及低密的增强纤维成为发展高性能纤维复合材料的前提。在碳纤维之前,曾经开发过硼纤维,1960年钨丝芯硼纤维开始了小批量的生产,硼纤维直径约100μm,拉伸模量达400GPa,拉伸强度达3800MPa,纤维体积分数为60%的硼纤维增强环氧复合材料(相对密度≈2.0),拉伸模量达200GPa,比玻璃纤维复合材料(相对密度≈1.8)的拉伸模量(40GPa) 大5倍,比铝合金(相对密度≈2.7) 的拉伸模量(70Pa)大3倍,因此美国空军材料实验室将

  硼纤维/环氧复材料命名为先进复合材料(advanced composite materials,ACM),并于20世纪的年代后期开始了在飞机结构上的应用,如飞机水平尾翼和垂直安定面翼盒结构等。

  但是,硼纤维生产工艺复杂, 成本高,硼纤维本身粗硬,很难在结构上推广应用。

  在这种背景下,于20世纪60年代后期,创新型的聚丙烯腈基碳纤维研发成功并实现批量生产,从此开始了碳纤维复合材料在航空航天领域应用的里程砷. 由于碳纡维复合材料优异的综合性能,特别是超常的高比强度和比模量,使结构的效率得以极大程度的发挥,因而到目前为止,被看成是一种理想的航空航天结构材料,近50年来,它在航空航天领域的应用得到了长足的发展。

碳纤维
 

  此外,碳纖維還具有耐腐蝕、抗疲勞、耐高溫、膨脹系數小、尺寸穩定性高、導電等優點。

  目前碳纖維主要從原絲類型、使用性能方面進行分類。

  按原絲類型分類有聚丙烯腈基纖維、瀝青基纖維、黏膠基纖維、木質素纖維基纖維和其他有機纖維基碳纖維。

  按使用性能分則有通用級碳纖維(其拉伸強度<1.4GPa,拉伸模量<140GPa)和高性能碳纖維,包括:高強型(強度2000MPa,模量250GPa)、高模型(模量300GPa以上)、超高強型(強度大于4000MPa)、超高模型(模量大于450GPa),還有高強-高模、中強-中模等碳纖維。

  商品化的碳纤维主流产品有两大类,一是聚丙烯腈基碳纤维(PANbaseCF),二是沥青基碳纤维(pitch-base CF)。

  同玻璃纖維一樣,用作增強體的碳纖維可以是纖維本身,包括連續、長、短纖維,以及各種纖維織物、布、帶、氈等。

  如此性能良好的碳纖維是怎樣制成的?

  盡管碳纖維主要由碳組成,微觀結構也和石墨非常接近;然而,人們至今還不能直接用碳或石墨來制取碳纖維,只能采用一些含碳的有機纖維原料,將有機纖維與塑料樹脂結合在一起炭化制得碳纖維。

  被選用來制備碳纖維的有機纖維主要包括:聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維等,其中應用較普遍的是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。選用不同的有機纖維作爲原料,對具體的工藝參數會有不同的要求,制備出來的碳纖維的性能也會有一定的差異。

  然而,在這過程中,普遍需要經曆纖維紡絲、熱穩定化(預氧化)、氧化、碳化四個過程,其間伴隨著脫氫、環化、預氧化、氧化及脫氧等化學變化。經過這些過程以後,MANBETX体育就可以得到碳纖維的原絲。

  然而,制備出原絲並不意味著制備碳纖維的過程就結束了。制備出原絲後,還需要經過上漿和固化的過程。所謂的上漿就是將原絲和環氧樹脂混合的過程。上漿過程使用的方法可以很多,可以通過自動放置機械會將碳纖維浸泡在環氧樹脂中,也可以人工地將環氧樹脂和其他高分子與碳纖維混合起來。

  上漿結束後,就需要經過最後的一個程序,那就是固話。固化過程常用到的方法是加熱,或者將環氧樹脂放在真空中加壓。固化主要是讓包裹了環氧樹脂的碳纖維硬化;此外,在固化過程中,碳纖維可能會發生化學反應,生成原絲材料中不含碳的物質,導致纖維顆粒之間的團聚作用力更加強。這時候,碳纖維的産品就真正做好了。
 

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