碳纖維

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碳纤维
碳纤维布料

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原子的構成。

为了产生碳纤维,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,重量輕,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製品很受欢迎。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。

碳纖維通常與其他材料結合以形成复合材料。當混合塑料樹脂並纏繞或模塑後具有非常高的強度 - 重量比碳纖維增強聚合物英语Carbon-fiber-reinforced polymer(通常被稱為碳纖維)。然而,碳纖維也合成與其它材料,如石墨,以形成耐高温的碳 - 碳複合材料。

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,是由一層層以六边形模式(石墨烯薄片)排列的碳原子所構成。兩者差別在於層與層之間的連結的方式。石墨晶體結構,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。

纺织品[编辑]

对于碳纤维前体是聚丙烯腈(PAN), 人造纤维沥青。碳纤维长丝纱被用于多个处理技术:直接的用途是用于预浸渍,长丝卷绕,拉挤,纺织,编织等。

微电极[编辑]

碳纤维用于碳纤维微电极的制作。在此应用中通常与5-7微米直径的单个碳纤维被密封在玻璃毛细管[4]。在毛细管的尖端或者用环氧树脂密封并抛光制作成为碳纤维圆盘微电极,或纤维被切割成长度为75-150微米,制作成为碳纤维圆柱电极。碳纤维微电极使用,也可以在安培检测法英语Amperometry快速扫描循环伏安法英语Fast-scan cyclic voltammetry检测生物化学信号。

制造工艺[编辑]

一般用聚丙烯腈(PAN)、嫘縈、粘胶纤维等聚合物原料,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℃左右的高温完成驱除非碳原子(碳化),最后加热到1500-3000℃成碳纤维。碳纤维的长丝可能被进一步处理以提高品质,然后卷绕到筒管[5]

碳纤维的预备

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, 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 (PDF). speautomotive.com. 
  4. ^ Pike, Carolyn M.; Grabner, Chad P.; Harkins, Amy B. Fabrication of Amperometric Electrodes. Journal of Visualized Experiments. 4 May 2009, (27). doi:10.3791/1040. 
  5. ^ How It Is Made. zoltek.com. 

外部链接[编辑]