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碳纤维到底是什么材料?为什么要进行碳纤维的研究?

五度易链 2019-05-16 1922 0

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​ 碳纤维具有一些优质的特性,也使得碳纤维能够在一些新兴领域得到应用,比如在碳纤维的自行车应用中,就是利用了碳纤维不会进行形变的物理特性,降低了车的重量,也增加了车的耐用性。


碳纤维具有一些优质的特性,也使得碳纤维能够在一些新兴领域得到应用,比如在碳纤维的自行车应用中,就是利用了碳纤维不会进行形变的物理特性,降低了车的重量,也增加了车的耐用性。

碳纤维到底是什么材料

碳纤维的起源最早可追溯至1860年,英国人瑟夫·斯旺在制作电灯灯丝时发明了碳纤维并获得了专利。碳纤维真正迎来研究应用“井喷”阶段,还是20世纪50年代之后的事。1958年,美国研究人员首次发现了高性能碳纤维,日本和英国研究人员紧随其后,对碳纤维的性能进行改进升级。到20世纪70年代,碳纤维材料开始在战斗机结构件上崭露头角,F-15、B-1、F-16以及F-18等战斗机上都能看到碳纤维材料的身影。除美国空军的F-22和F-35战斗机大量采用碳纤维复合材料外,X-47B、“全球鹰”等装备更是借助碳纤维材料,实现了有效载荷、续航能力和生存能力的大幅度提升。

目前,碳纤维复合材料的特性还存在着巨大的提升空间。在碳纤维材料重点研究的树脂领域,碳纤维的应用将进一步提升武器装备各部件的使用寿命,并将显著改善武器装备抗冲击韧性、耐疲劳损伤性、工艺性和耐湿热性。美国国家航空航天局和美国空军研究实验室实现的3D打印,更将进一步提升加工大尺寸、复杂零部件的可靠性。

碳纤维的制备

碳纤维一种极强而薄的纤维,由排列成蜂窝状的碳晶体制成,由长而链状的纯碳分子组成,由人造纤维(如人造丝)在没有氧气的情况下炭化而成。碳纤维用于飞机、汽车、建筑结构以及其他需要耐高应力的轻材料应用中的高强度复合材料。这些晶体组织成长而扁平的带状,用来生产碳纤维。我们称之为前驱。前体-聚丙烯腈(PAN)是制造90%碳纤维的原料。剩下的10%由人造丝或石油沥青制成。所有这些材料都是有机聚合物,其特点是由碳原子结合在一起的长串分子。制备的每个前体的确切成分因公司而异,通常被视为商业秘密。

在制造过程中,使用了各种气体和液体。材料的设计准备与纤维反应,以达到特定的计划效果。其他材料的设计不反应或防止与纤维发生某些反应。与前体一样,许多这些工艺材料的确切成分是专有的。制造碳纤维的过程是部分化学和部分机械的结合。前体被拉成长丝、丝带或纤维,然后在封闭条件下加热到很高的温度,而不让它接触氧气。没有氧气,纤维就不能燃烧。相反,高温使纤维中的原子剧烈振动,直到大部分非碳原子被排出。这一过程被称为碳化,留下一条由长而紧密连锁的碳原子链组成的纤维,只剩下几个非碳原子。尽管碳纤维制造公司有自己的商业秘密,我们也希望鼓励人们更广泛地了解碳纤维是作为商业用途的理想材料。

碳纤维运用于汽车的几大优势

碳纤维用在汽车框架,座椅,机舱盖,传动轴,后视镜等车身上,汽车用碳纤维有几大优势:

轻量化:目前很火的电动汽车,由于受限于电池技术续航里程短成为制约其发展的瓶颈,就只能从车身结构和材料替换上解决。碳纤维复合材料重量比钢轻1/2,比铝轻1/3,最直接的影响是续航里程长,更加的节能。

舒适性:碳纤维的柔软拉伸性能,对整车的噪音振动控制有很好的提升,会大幅提升汽车的舒适性。

可靠性:碳纤维具有更高的疲劳强度,碰撞吸能性好,在减轻车辆重量的同时还能保住强度和安全性,降低了轻量化后带来的安全风险系数。

提高寿命:汽车上一些配件要求耐腐蚀,要经过高温,低寒,烟雾的考验,普通金属件不能保证不同环境下的使用寿命。碳纤维不存在腐蚀和生锈问题,就增强了汽车部件的使用寿命。

凭借碳纤维广泛的应用范围,碳纤维在之后的市场需求能够达到不断增加的状态,但是鉴于现在国内的碳纤维大多数依赖进口的局面,国内的企业还需加强对碳纤维的研究力度,进而提升之后国内碳纤维的竞争力。


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