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碳纤维的制备、特性及主要应用

嘉峪安徽快3网址 网        2020-09-08 18:19

本文以科普形式介绍碳纤维加工流程、关键指标以及最主要的应用领域。

 

碳纤维通常由聚丙烯腈(PAN)纤维通过氧化和更高温度的碳化制成。PAN是一种用于制造合成材料的基于丙烯腈的聚合物。PAN分子由长链制成,在合适的条件下通过对分子链进行加热时,它们会左右结合形成梯形聚合物。

 

通过进一步的碳化处理,它们可以形成圆形长丝,该产品的碳含量约为94-95%。除了PAN,也可以使用沥青或人造丝,但这两种产生纤维品质较低。如果将碳纤维在1500-3000摄氏度的范围内进行进一步热处理,则纤维可以成为模量更高的高强高模碳纤维,由于其含碳量在99%以上、具有类似石墨结构,因此又称为石墨纤维。

 

通过在1500至2000度之间热处理,纤维可以产生最高的抗张强度(> 800,000 psi);通过将纤维材料从2500度加热到3000度,可以获得最高的弹性模量(77,000,000 psi)。强度和弹性之间的这种平衡使碳纤维发动机罩既坚固又耐用。

 

碳纤维密度约为1740 kg/m³。按照模量高低,碳纤维可以分为三种:标准模量,中模量和高模量,而纤维的拉伸强度大多介于2000MPa和7000MPa之间。人造丝曾经是碳纤维最早的前驱体,并且至今仍在某些应用如火箭中使用。

 

碳纤维很少单独使用,一些常见的的处理技术包括:长丝缠绕、编织、预浸料(预浸渍的碳纤维)和拉挤成型等。在制造过程中产生的长丝被绞成纱线。该纱线通过其线密度进行评级和分类。线密度由每单位长度的重量tex(每千米重量克数)确定。它可用于编织碳纤维长丝布或织物。织物上的图案通常取决于纱线的密度和所选的编织方式。

 

那么碳纤维在哪里?如果您一直在寻找碳纤维复合材料,您可能会发现它很难找到。所有这些碳纤维都去哪儿了?全球范围内碳纤维短缺,主要是因为三个最大的用户购买碳纤维的速度比其生产速度快。

 

首先是军事领域。由于碳纤维的重量比某些金属轻100倍,因此非常适合飞机使用。F-22 Raptor具有超过350个碳纤维/环氧树脂复合材料零件。联合战斗机近1/3由碳纤维和玻璃纤维制成。除上述飞机外,碳纤维还用于黑鹰直升机、防弹衣、头盔、皮套和无数其他军事应用。此外,在隐身技术中也已经大量使用了碳纤维。

 

碳纤维的第二大买家是空客公司。空客Superjumbo A380和A350由大量碳纤维制成。A380飞机很大,可容纳850名乘客,并且翼展大于足球场的长度!

 

第三个买家是波音公司。他们正在制造787 Dreamliner。它含有50%的碳纤维,重量很轻,可以从英国飞往澳大利亚而无需加油。

 

碳纤维的制备、特性及主要应用

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来源:碳纤维及其复合材料技术