碳纖維

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碳纖維(Carbon Fibre)

目錄

什麼是碳纖維[1]

  碳纖維是指纖維中碳含量在95%左右的碳纖維和碳含量在99%左右的石墨纖維。碳纖維由粘膠、腈綸、芳綸、聚酰亞胺等纖維在高溫下燒制而成。

碳纖維的發展歷史[2]

  人類製造碳纖維的歷史可以追溯至1880年愛迪生用棉、亞麻、竹等天然植物纖維炭化得到碳纖維用於篩選白熾燈燈絲。但最初得到的碳纖維氣孔率高,脆性大且容易氧化。1881年,發現可在碳纖維錶面塗覆一層碳膜使其性能有所改善。1909年,將碳纖維在惰性氣體中加熱到2300℃以上。獲得了最早的石墨纖維。1910年鎢絲的出現併成功用於白熾燈燈絲使碳纖維的研究停頓。20世紀50年代,美國聯合碳化物公司報道了以人造絲為原料,通過控制熱解製備碳纖維的研究結果。1959年,日本工業技術大阪工業試驗所進藤昭男首次以聚丙烯腈為原料制得碳纖維,1962年申報專利。1969年,日本碳公司根據進藤昭男的研究成果實現T業化生產。1963年,日本群馬大學大谷杉郎教授以石油瀝青為原料製成碳纖維,1970年,由吳羽化學公司實現T業化生產。當時,無論是以人造絲為原料,還是聚丙烯腈或瀝青為原料制的碳纖維,強度和模量均較低。1964年,在碳纖維製造技術上有過兩次飛躍,使碳纖維性能大幅度提高。

  第一次飛躍是1964年以後,英國和美國分別利用人造絲和聚丙烯腈為原料,研究出在1000~3000℃高溫下,邊加熱邊牽伸的炭化技術,使聚丙烯腈碳纖維的性能有了突破性提高。英國皇家航空研究院的瓦特(Watt)與日本進藤昭男合作,製備出高強度和高模量碳纖維,1964年由日本碳公司和東麗公司實現T業化生產。第二次飛躍是以日本東麗公司為代表發明的聚合催化環化原纖維,改革了傳統的炭化工藝,縮短了生產周期,提高了產量。

碳纖維的分類[3]

  當前國內外已商品化的碳纖維種類很多,一般可以根據原絲的類型、碳纖維的性能和用途進行分類。

  1.根據碳纖維的性能分類

  (1)高性能碳纖維

  在高性能碳纖維中有高強度碳纖維、高模量碳纖維、中模量碳纖維等。

  (2)低性能碳纖維

  這類碳纖維有耐火纖維、碳質纖維、石墨纖維等。

  2.根據原絲類形分類

  (1)聚丙烯腈基纖維

  (2)粘膠基碳纖維

  (3)瀝青基碳纖維

  (4)木質素纖維基碳纖維

  (5)其他有機纖維基(各種天然纖維再生纖維、縮合多環芳香族合成纖維)碳纖維。

  3.根據碳纖維功能分類

  (1)受力結構用碳纖維

  (2)耐焰碳纖維

  (3)活性碳纖維(吸附活性)

  (4)導電用碳纖維

  (5)潤滑用碳纖維

  (6)耐磨用碳纖維

碳纖維的特點[4]

  碳纖維具有高比強度、高比模量、耐疲勞、質輕耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦、導電性能好、熱膨脹繫數小等一系列優異性能的纖維材料。

碳纖維的應用[5]

  由於碳纖維高溫抗氧化性能差和韌性較差,所以很少單獨使用,主要用作各種複合材料的增強材料。主要用途有以下幾個方面。

  1.航空、航天方面的應用

  在航空工業中,碳纖維可以用作為航空器的主承力結構材料,如主翼、尾翼和機體;也可以用於次承力構件,如方向舵、起落架、擾流板、副翼、發動機艙、整流罩及碳一碳剎車片等。在航天工業中,碳纖維可用作導彈防熱及結構材料,如火箭噴嘴、鼻錐、防熱層,衛星構架、天線、太陽能翼片底板,太空梭機頭、機翼前緣和艙門等。

  2.交通運輸方面的應用

  碳纖維複合材料可用來製造汽車傳動軸、板簧、構架等,也可用於製造快艇、巡邏艇、魚雷快艇等。

  3.運動器材

  用碳纖維可製造網球拍、羽毛球拍以及棒球桿、曲棍球桿和高爾夫球桿、自行車、滑雪板以及賽艇的殼體、桅桿、划水槳等。

  4.其他工業

  碳纖維可用來製造化工耐腐蝕複合材料製品,如泵、閥、管道、貯罐。碳纖維複合材料還是較好的橋梁和建築物的修補材料,並廣泛用於製造醫療器械和紡織機的部件等。

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參考文獻

  1. 劉光華編著.第九章 現代複合材料 現代材料化學.上海科學技術出版社,2000年06月第1版.
  2. 尹洪峰,魏劍編著.第二章 複合材料增強體 複合材料.冶金工業出版社,2010.08.
  3. 付利軍主編.最新新型工程材料生產新技術應用與新產品開發研製及行業技術標準實用大全五複合材料捲.學苑音像出版社,2004.11.
  4. 王闖著.第一章 緒論 碳纖維分散性及其增強水泥基複合材料的電磁性能.哈爾濱工程大學出版社,2009.03.
  5. 倪禮忠,陳麒編著.第二章 增強材料 高等學校材料類專業系列教材聚合物基複合材料.華東理工大學出版社,2007年02月第1版.
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