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盘点碳纤维的主要分类、特性和潜在用途
时间:2021年06月28日 来源:本站原创  作者:佚名 浏览次数:

碳纤维是直径约5-10微米的纤维,主要由碳原子组成。碳纤维具有刚度高、抗拉强度高、重量轻、耐化学腐蚀、耐高温、热膨胀小等优点。这些特性使得碳纤维在航空航天、土木工程、赛车运动以及其他竞技运动中非常受欢迎。但是,与玻璃纤维或其他塑料纤维等类似纤维相比,它们相对昂贵。

01 碳纤维的分类

为了满按照前驱体纤维类型,碳纤维可以分为:
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维
沥青基碳纤维黏胶基碳纤维
其他类型碳纤维(如木质素基碳纤维、聚丙烯基碳纤维等等)

按照纤维力学性能(拉伸模量),碳纤维可以分为
超高模量碳纤维(Ultra-high-modulus,UHM,模量>500GPa)
高模量碳纤维(high-modulus,HM,模量350-500GPa)
中等模量碳纤维(Intermediate-modulus,IM,模量250-300GPa)
标准模量碳纤维(Standard-modulus,模量230-250GPa)
低模量碳纤维(Low modulus,LM,模量<100Gpa,抗拉强度>3.0Gpa)

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根据最终热处理温度,碳纤维分为:
I型,高热处理碳纤维(high-heat-treatment,HTT),最终热处理温度在2000°C以上,可与高模量型碳纤维相关联
II 型,中间热处理碳纤维 (intermediate-heat-treatment,IHT),最终热处理温度在 1500°C 左右或以上,可以与高强度型碳纤维相关联
III 型,低热处理碳纤维,最终热处理温度不超过 1000°C。这些是低模量和低强度碳纤维材料。

02 碳纤维的特性

据有高强度重量比(也称为比强度):材料的强度是失效时每单位面积的力除以其密度。任何坚固且轻便的材料都具有良好的比强度,如铝、钛、镁、碳纤维、玻璃纤维、高强度钢合金等。

非常坚硬:材料的刚性或刚度通过其杨氏模量(拉伸模量)来衡量,来反映材料在应力下的挠曲程度。碳纤维增强塑料的硬度是玻璃纤维增强塑料的 4 倍以上,几乎是松木的 20 倍,是铝的 2.5 倍。

耐腐蚀且化学稳定:虽然碳纤维本身不会变质,但环氧树脂对阳光很敏感,需要加以保护。

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抗疲劳性好:碳纤维复合材料的抗疲劳性很好,测试表明,当循环应力与纤维取向一致时,失效不太可能成为问题。碳纤维在疲劳强度和静态强度以及刚度方面均优于 E 玻璃。

耐火/不可燃:根据制造工艺和前驱体材料,碳纤维可以非常柔软,可以制成或更经常集成到消防防护服中。因为碳纤维在化学上也是非常惰性的,它可以在有火与腐蚀剂结合的地方使用。

热膨胀系数低:这是衡量材料在温度升高或降低时膨胀和收缩的程度。低热膨胀系数使碳纤维适用于至关重要的应用。如望远镜和其他光学机械。

无毒、生物惰性、可透过 X 射线:这些特点使碳纤维可用于医疗应用。假肢使用、植入物和肌腱修复、X 射线附件手术器械都在开发中。

碳纤维主要劣势在于:尽管它提供了强度、刚性和轻量化的特殊优势,但成本是一个不利因素。此外,由于纤维层与层之间由强共价键形成,片状聚集体很容易使裂纹扩展,因此碳纤维很脆,当纤维弯曲时,它们会在非常低的应变下失效。

03 碳纤维的特性应用

 

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(主要参考:Carbon Fibres: Production, Properties and Potential Use)

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