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什么是碳纤维(碳纤维简介)

什么是碳纤维(碳纤维简介)

碳纤维是一种主要由碳组成的纺织品。它是通过将各种碳基聚合物纺成纤维,对其进行处理以去除大部分其他物质,然后将所得材料编织成织物来生产的。这通常嵌入塑料(通常是环氧树脂)中,以形成碳纤维增强塑料或碳纤维复合材料。该材料最显着的特点是其高强度重量比和相对的化学惰性。这些特性使其具有广泛的应用范围,但其使用受限于它相当昂贵的事实。

生产

轻质碳纤维通常用于建造气垫船的船体。
轻质碳纤维通常用于建造气垫船的船体。

这种材料的生产通常基于聚丙烯腈 (PAN),一种用于服装合成纺织品的塑料,或沥青,一种由石油制成的类似焦油的物质。沥青首先被纺成股,但 PAN 通常以纤维形式开始。它们通过强烈加热转化为碳纤维,以去除其他元素,如氢、氧和氮;这个过程被称为热解。在此过程中拉伸纤维有助于消除可能削弱最终产品的不规则性。

像洛克希德马丁 F-22 猛禽这样的高性能飞机有许多轻质碳纤维部件。
像洛克希德马丁 F-22 猛禽这样的高性能飞机有许多轻质碳纤维部件。

在称为氧化或稳定化的阶段,原始纤维最初在空气中和张力下加热到 590°F (300°C) 左右。这会从分子中去除氢并将纤维转化为机械更稳定的形式。然后在一个称为碳化的阶段,在没有氧气的情况下将它们加热到 1,830°F (1,000°C) 左右。这会进一步去除非碳材料,主要留下碳。

今天,碳纤维被用于建造桥梁和隧道,以及其他土木工程项目。
今天,碳纤维被用于建造桥梁和隧道,以及其他土木工程项目。

当需要高质量、高强度的纤维时,会发生称为石墨化的进一步阶段。该材料被加热到 1,732 到 5,500°F(1,500 到 3,000°C)之间,以便将碳原子的形成转化为类似石墨的结构。这也去除了大部分残留的非碳原子。术语“碳纤维”用于碳含量至少为 90% 的材料。在碳含量大于 99% 的情况下,这种材料有时被称为石墨纤维。

碳纤维可用于制造滑雪板。
碳纤维可用于制造滑雪板。

产生的原始碳纤维不能与用于制造复合材料的物质很好地结合,因此通过适当的化学品处理会被轻度氧化。添加到结构中的氧原子使其能够与塑料(如环氧树脂)形成键合。在涂上一层薄薄的保护涂层后,它被编织成所需尺寸的纱线。这些反过来可以编织成织物,然后通常将其结合到复合材料中。

结构和性质

单根光纤的直径约为 0.0002 至 0.0004 英寸(0.005 至 0.010 毫米);纱线由数千根这样的股线编织而成,形成一种极其坚固的材料。在每条链中,碳原子的排列方式与石墨相似:六角环连接在一起形成薄片。在石墨中,这些薄片是平的,彼此之间只是松散地结合在一起,因此它们很容易滑开。在碳纤维中,薄片被折叠和弄皱,形成许多微小的、互锁的晶体,称为微晶。制造中使用的温度越高,这些微晶越多地沿着纤维的轴定向并且强度越大。

在复合材料中,纤维本身的取向也很重要。取决于此,材料可以在某个方向上更坚固,或者在所有方向上都同样坚固。在某些情况下,一小块可以承受许多吨的冲击,并且变形仍然很小。纤维的复杂交织特性使其非常难以断裂。

就强度重量比而言,碳纤维复合材料是文明可以大量生产的最佳材料。最强的比钢强大约五倍,而且轻得多。正在研究将碳纳米管引入材料的可能性,这可能会将强度重量比提高 10 倍或更多。

它具有的其他有用特性是它能够承受高温和惰性。分子结构与石墨一样,非常稳定,具有较高的熔点,不太可能与其他物质发生化学反应。因此,它适用于可能受热的部件和需要耐腐蚀的应用。

用途

碳纤维用于需要高强度和低重量组合的许多领域。这些包括公共和私人交通工具,例如汽车、飞机和航天器;运动器材,如赛车、滑雪板和钓鱼竿;和建设。这种材料的相对惰性使其非常适合在化学工业和医学中的应用——它可以用于植入物,因为它不会与体内的物质发生反应。在土木工程中,已经确定旧桥可以通过简单的碳纤维增强材料免于破坏和重建,这些碳纤维增强材料相对便宜。

经济学

截至 2013 年,碳纤维的用途和需求受到其成本的限制。由复合材料制成的自行车通常成本约为几千美元 (USD)。以超过 200 英里/小时(320 公里/小时)的速度行驶的一级方程式赛车的建造和维护成本可能超过 100 万美元,这一成本在很大程度上取决于大量使用这种材料。然而,需求显着上升,主要是由于大型商用飞机产量的增加。如果成本能够显着降低,它可能会成为车辆和小型产品的通用材料,这些产品具有极高的耐用性和轻便性。

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