碳纖維

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碳纖維布料

碳纤维英语Carbon fiber),又稱石墨纤维,是一种具有很高强度和模量的耐高温纤维,为化纤的高端品种。它是由約5-10微米直徑的纖維構成的材料和主要由碳原子的構成。

为了产生碳纤维,碳原子在晶中体被键合在一起,那些和作为晶体取向有更多或更少的平行排列的纤维长轴给了纤维高强度与体积的比值(以它的大小使之强壮)。几千碳纤维集束在一起形成一个纤维束,其可以单独使用或编织成织物。

碳纤维的特性,如高硬度,高强度,低重量,高耐化学性,耐高温和低的热膨胀,使其在航空航天,土木工程,军事,赛车与其他竞技体育运动很受欢迎。然而,相对于类似的纤维,例如玻璃纤维或塑料纤维,碳纤维是相当昂贵的。

碳纤维通常与其他材料结合以形成复合材料。碳纤维也被复合于其它材料,如石墨,以形成碳-碳复合材料,它具有非常高的耐热性。

結構與特性[编辑]

前面為直徑6微米的碳纖維與後面人類頭髮的比較

每一根碳纖維由數千條更微小的碳纖維所組成,直徑大約5至8微米,幾乎全部由構成。最早的一代(如T300,HTA和AS4)有16-22微米直徑。[1]後來纖維(如IM6或IM600)的直徑大約有5微米。[1]

在原子層面的碳纖維跟石墨很相近,是由一層層以六角型排列的碳原子所構成。兩者差別在於層與層之間的連結。石墨是晶體結構,它的層間連結鬆散,而碳纖維不是晶體結構,層間連結是不規則的。這樣便防止滑移增強物質強度。

一般碳纖維的密度為1750 kg/m3。導熱能力高但傳能力低,碳纖維的比熱容量亦比低。當加熱的時候,碳纖維會變厚而短。雖然碳纖維的天然顏色是黑色,但可以把它染上不同的顏色。

應用[编辑]

RC直升機的尾部,由碳纖維增強聚合物英语Carbon fiber reinforced polymer製成。

在2009年,碳纖維複合材料的全球需求價值大約為108億美元,比上一年減少8-10%。預計到2012年將達到US$132億,到2015年增加擴大至US$186億,有7%以上的年增長率。強勁的需求來自於飛機和航空航天,風力發電,以及來自汽車行業。[2][3]

因為碳纖維又輕又堅硬,所以它的用途很廣泛。

複合材料[编辑]

用碳纤维制造的增强塑料质地强而轻,耐高温、防辐射、耐水、耐腐蚀,是制造飞行器、兵器及耐腐蚀设备等的优良材料。

近年來碳纖維更是廣泛被使用於大型飛機,例如空中巴士A350A380波音787均利用碳纖維複合材料來減輕耗油量。

另外大型風力發電機的葉片,賽車機車的車身均為碳纖維複合材料需求量增加的重要因素。腳踏車亦有使用碳纖維複合材料作為車架,但因碳纖維複合材料製造成本高,多為高階車種才能使用。

制造工艺[编辑]

一般用聚丙烯腈嫘縈、粘胶纤维等原料,先在200-300℃的空气中进行预氧化,继在气等惰性气体保护下,用1000℃左右的高温完成碳化,最后加热到1500-3000℃成碳纤维。

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 W.J. Cantwell, J Morton. The impact resistance of composite materials – a review. Composites. 1991年, 22 (5): 347–62. doi:10.1016/0010-4361(91)90549-V. 
  2. ^ Market Report: World Carbon Fiber Composite Market. Acmite Market Intelligence. July 2010. 
  3. ^ Roman Hillermeier, Tareq Hasson, Lars Friedrich, Cedric Ball. Advanced Thermosetting Resin Matrix Technology for Next Generation High Volume Manufacture of Automotive Composite Structures. speautomotive.com. 

外部链接[编辑]