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什么是碳纖維?是怎么來的?

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        什么是碳纖維
  碳纖維(carbon fiber,CF) 是一種連續(xù)細(xì)絲碳材料,直徑范圍在6~8μm內(nèi),僅為人的頭發(fā)絲的1/3左右,是近數(shù)十年來為滿足高性能飛機(jī)對(duì)材料的需求而發(fā)展起來的一種新型材料。盡管碳纖維的含碳量在90%以上,但是它的制備不是直接用碳材料抽取的。碳材料不溶于任何溶劑,也不能用熔融紡絲法制取,而是由有機(jī)高分子纖維,即聚丙烯臘纖維,或石油瀝青或煤瀝青纖維經(jīng)專門的碳化處理而制得的。用于制備碳纖維的有機(jī)纖維稱為前驅(qū)體或原絲。在美國,碳纖維也被稱為石墨纖維(graphite fiber),但真正意義上的石墨纖維是將相應(yīng)的有機(jī)前驅(qū)體纖維制成碳纖維后,再經(jīng)2000~ 3300℃石墨化處理后而得到的纖維材料,含碳量高達(dá)99%,因此彈性模量也大為提高,用石墨纖維制造的復(fù)合材料,不僅輕質(zhì)高強(qiáng),而且剛性和尺寸穩(wěn)定性特別好,在航天應(yīng)用中,被用來制造衛(wèi)星天線(解釋:一種變換器)或太陽能電池矩陣。 123456
  碳纖維的研究開發(fā)啟迪于對(duì)20世紀(jì)50年代開發(fā)的玻璃纖維復(fù)合材料性能的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。通常的玻璃纖維復(fù)合材料,密度要高出碳纖維復(fù)合材料1/3 以上,而拉伸強(qiáng)度僅是碳纖維復(fù)合材料的2/3,模量則更低,不到1/3,滿足不了高性能飛機(jī)的要求,因此研究高強(qiáng)、高模及低密的增強(qiáng)纖維成為發(fā)展高性能纖維復(fù)合材料的前提。在碳纖維之前,曾經(jīng)開發(fā)過硼纖維,1960年鎢(wolfram)絲芯硼纖維開始了小批量的生產(chǎn),硼纖維直徑約100μm,拉伸模量達(dá)400GPa,拉伸強(qiáng)度達(dá)3800MPa,纖維體積分?jǐn)?shù)為60%的硼纖維增強(qiáng)環(huán)氧(Oxygen)復(fù)合材料(相對(duì)密度≈2.0),拉伸模量達(dá)200GPa,比玻璃纖維復(fù)合材料(相對(duì)密度≈1.8)的拉伸模量(40GPa) 大5倍,比鋁(Al)合金(熔點(diǎn)660℃)(相對(duì)密度≈2.7) 的拉伸模量(70Pa)大3倍,因此美國空軍材料實(shí)驗(yàn)室將
  硼(B)纖維/環(huán)氧(Oxygen)復(fù)材料(Material)命名為先進(jìn)復(fù)合材料(advanced composite materials,ACM),并于20世紀(jì)的年代后期開始了在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用,如飛機(jī)水平尾翼和垂直安定面翼盒結(jié)構(gòu)等。
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  但是,硼纖維生產(chǎn)(Produce)工藝復(fù)雜, 成本高,硼纖維本身粗硬,很難在結(jié)構(gòu)上推廣應(yīng)用。
  在這種背景下,于20世紀(jì)60年代后期,創(chuàng)新型的聚丙烯腈基碳纖維研發(fā)成功并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),從此開始了碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的里程砷. 由于碳紆維復(fù)合材料優(yōu)異的綜合性能,特別是超常的高比強(qiáng)度和比模量,使結(jié)構(gòu)的效率得以極大程度的發(fā)揮,因而到目前為止,被看成是一種理想的航空航天結(jié)構(gòu)材料,近50年來,它在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用得到了長足的發(fā)展。
 
  此外,碳纖維還具有耐腐化侵蝕 、抗疲勞、耐高溫、膨脹(inflate)系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定(解釋:穩(wěn)固安定;沒有變動(dòng))性高、導(dǎo)電等優(yōu)點(diǎn)。
  目前碳纖維主要從原絲類型、使用性能方面進(jìn)行分類。
  按原絲類型分類有聚丙烯腈基纖維、瀝青(成分:瀝青質(zhì)和樹脂)基纖維、黏膠基纖維、木質(zhì)素纖維基纖維和其他有機(jī)纖維基碳纖維。
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  按使用性能分則有通用級(jí)碳纖維(其拉伸強(qiáng)度<1.4GPa,拉伸模量<140GPa)和高性能碳纖維,包括(bāo kuò):高強(qiáng)型(強(qiáng)度2000MPa,模量250GPa)、高模型(模量300GPa以上)、超高強(qiáng)型(強(qiáng)度大于4000MPa)、超高模型(模量大于450GPa),還有高強(qiáng)-高模、中強(qiáng)-中模等碳纖維。碳纖維配件一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。
  商品化的碳纖維主流產(chǎn)品有兩大類,一是聚丙烯腈基碳纖維(PANbaseCF),二是瀝青(成分:瀝青質(zhì)和樹脂)基碳纖維(pitch-base CF)。
  同玻璃纖維一樣,用作增強(qiáng)體的碳(C)纖維可以是纖維本身,包括(bāo kuò)連續(xù)(Continuity)、長、短纖維,以及各種纖維織物、布、帶、氈等。
  如此性能良好的碳(C)纖維是怎么樣制成的?
  盡管碳(C)纖維主要由碳組成,微觀結(jié)構(gòu)也和石墨非常接近;然而,人們至今還不能直接用碳或石墨來制取碳纖維,只能采用一些含碳的有機(jī)纖維原料,將有機(jī)纖維與塑料樹脂(Resin)結(jié)合在一起炭化制得碳纖維。碳纖維制品就是指以碳纖維預(yù)浸布為原材料,通過不同的加工方法,加工成為能夠滿足使用要求的材料制品。 copyright 123456
  被選用來制備碳(C)纖維的有機(jī)纖維主要包括:聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維等,其中應(yīng)用較普遍的是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。選用不同的有機(jī)纖維作為原料,對(duì)具體的工藝參數(shù)會(huì)有不同的要求,制備出來的碳纖維的性能也會(huì)有一定的差異。
  然而,在這過程中,普遍需要經(jīng)歷纖維紡絲、熱穩(wěn)定化(預(yù)氧化)、氧化、碳(C)化四個(gè)過程,其間伴隨著脫氫(Hydrogen)、環(huán)化、預(yù)氧化、氧化及脫氧等化學(xué)變化。經(jīng)過這些過程以后,我們就可以得到碳纖維的原絲。
  然而,制備出原絲并不意味著制備碳纖維的過程就結(jié)束了。碳纖維生產(chǎn)傳統(tǒng)的玻璃纖維相比,楊氏模量是其3倍多;它與凱夫拉纖維相比,楊氏模量是其2倍左右,在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹,耐蝕性突出。制備出原絲后,還需要經(jīng)過上漿和固化的過程。所謂的上漿就是將原絲和環(huán)氧樹脂混合的過程。上漿過程使用的方法可以非常多,可以通過自動(dòng)放置機(jī)械會(huì)將碳纖維浸泡在環(huán)氧樹脂中,也可以人工地將環(huán)氧樹脂和其他高分子與碳纖維混合起來。
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  上漿結(jié)束后,就需要經(jīng)過最后的一個(gè)程序,那就是固話。固化過程常用到的方法是加熱,或者將環(huán)氧樹脂(Resin)(Epoxy resin)放在真空中加壓。固化主要是讓包裹了環(huán)氧樹脂的碳纖維硬化;此外,在固化過程中,碳纖維可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成原絲材料中不含碳的物質(zhì),導(dǎo)致(cause)纖維顆粒之間的團(tuán)聚作用力更加強(qiáng)。這時(shí)候,碳纖維的產(chǎn)品(Product)就真正做好了。
 
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