科學(xué)技術(shù)隨著時(shí)代的發(fā)展也是越來越先進(jìn)了，其實(shí)人類社會(huì)的發(fā)展一直是這樣，從沒有工具、沒有材料發(fā)展為會(huì)制造和使用簡單的石制工具，后來又演變成了青銅器，再到后來的鐵器農(nóng)耕時(shí)代，再到合金再到高科技合成材料，人類正在努力的改善這我們自己的生活，今天小編要為大家講述的就是這種叫做碳纖維的合成材料。

組成結(jié)構(gòu)

碳纖維是含碳量高于90%的無機(jī)高分子纖維。其中含碳量高于99%的稱石墨纖維。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維各層面間的間距約為3.39到3.42A，各平行層面間的各個(gè)碳原子，排列不如石墨那樣規(guī)整，層與層之間借范德華力連接在一起。

通常也把碳纖維的結(jié)構(gòu)看成由兩維有序的結(jié)晶和孔洞組成，其中孔洞的含量、大小和分布對碳纖維的性能影響較大。

當(dāng)孔隙率低于某個(gè)臨界值時(shí)，孔隙率對碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度無明顯的影響。有些研究指出，引起材料力學(xué)性能下降的臨界孔隙率是1%-4%。孔隙體積含量在0-4%范圍內(nèi)時(shí)，孔隙體積含量每增加1%，層間剪切強(qiáng)度大約降低7%。通過對碳纖維環(huán)氧樹脂和碳纖維雙馬來亞胺樹脂層壓板的研究看出，當(dāng)孔隙率超過0.9%時(shí)，層間剪切強(qiáng)度開始下降。由試驗(yàn)得知，孔隙主要分布在纖維束之間和層間界面處。并且孔隙含量越高，孔隙的尺寸越大，并顯著降低了層合板中層間界面的面積。當(dāng)材料受力時(shí)，易沿層間破壞，這也是層間剪切強(qiáng)度對孔隙相對敏感的原因。另外孔隙處是應(yīng)力集中區(qū)，承載能力弱，當(dāng)受力時(shí)，孔隙擴(kuò)大形成長裂紋，從而遭到破壞。

即使兩種具有相同孔隙率的層壓板(在同一養(yǎng)護(hù)周期運(yùn)用不同的預(yù)浸方法和制造方式)，它們也表現(xiàn)處完全不同的力學(xué)行為。力學(xué)性能隨孔隙率的增加而下降的具體數(shù)值不同，表現(xiàn)為孔隙率對力學(xué)性能的影響離散性大且重復(fù)性差。由于包含大量可變因素，孔隙對復(fù)合材料層壓板力學(xué)性能的影響是個(gè)很復(fù)雜的問題。這些因素包含：孔隙的形狀、尺寸、位置;纖維、基體和界面的力學(xué)性能;靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的荷載。相對于孔隙率和孔隙長寬比，孔隙尺寸、分布對力學(xué)性能的影響更大些。并發(fā)現(xiàn)大的孔隙(面積>0.03mm2)對力學(xué)性能有不利影響，這歸因于孔隙對層間富膠區(qū)的裂紋擴(kuò)展的產(chǎn)生影響。

材料特性

物理

碳纖維兼具碳材料強(qiáng)抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征，是一種的力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。碳纖維拉伸強(qiáng)度約為2到7GPa，拉伸模量約為200到700GPa。密度約為1.5到2.0克每立方厘米，這除與原絲結(jié)構(gòu)有關(guān)外，主要決定于炭化處理的溫度。一般經(jīng)過高溫3000℃石墨化處理，密度可達(dá)2.0克每立方厘。再加上它的重量很輕，它的比重比鋁還要輕，不到鋼的1/4，比強(qiáng)度是鐵的20倍。碳纖維的熱膨脹系數(shù)與其它纖維不同，它有各向異性的特點(diǎn)。碳纖維的比熱容一般為7.12。

熱導(dǎo)率隨溫度升高而下降平行于纖維方向是負(fù)值(0.72到0.90)，而垂直于纖維方向是正值(32到22)。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關(guān)，在25℃時(shí)，高模量為775，高強(qiáng)度碳纖維為每厘米1500。這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和比模量。同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維在物理性能上具有強(qiáng)度大、模量高、密度低、線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，可以稱為新材料之王。

碳纖維還具有極好的纖度(纖度的表示法之一是9000米長纖維的克數(shù))，一般僅約為19克，拉力高達(dá)300kg每微米。幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那么多一系列的優(yōu)異性能， 因此在旨度、剛度、重度、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域。在不接觸空氣和氧化劑時(shí)，碳纖維能夠耐受3000度以上的高溫，具有突出的耐熱性能，與其他材料相比，碳纖維要溫度高于1500℃時(shí)強(qiáng)度才開始下降，而且溫度越高，纖維強(qiáng)度越大。碳纖維的徑向強(qiáng)度不如軸向強(qiáng)度，因而碳纖維忌徑向強(qiáng)力(即不能打結(jié))而其他材料的晶須性能也早已大大的下降。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。

化學(xué)性質(zhì)

碳纖維的化學(xué)性質(zhì)與碳相識(shí)，它除能被強(qiáng)氧化劑氧化外，對一般堿性是惰性的。在空氣中溫度高于400℃時(shí)則出現(xiàn)明顯的氧化，生成CO與CO2。 碳纖維對一般的有機(jī)溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性，不溶不脹，耐蝕性出類拔萃，完全不存在生銹的問題。 有學(xué)者在1981年將PAN基碳纖維浸泡在強(qiáng)堿氫氧化鈉溶液中，時(shí)間已過去30多年，它仍保持纖維形態(tài)。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強(qiáng)酸作用下發(fā)生氧化，碳纖維的電動(dòng)勢為正值，而鋁合金的電動(dòng)勢為負(fù)值。當(dāng)碳纖維復(fù)合材料與與鋁合金組合應(yīng)用時(shí)會(huì)發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。因此，碳纖維在使用前須進(jìn)行表面處理。碳纖維還有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。

分類

PAN基碳纖維

PAN基碳纖維的生產(chǎn)工藝主要包括原絲生產(chǎn)和原絲碳化兩個(gè)過程:首先通過丙烯腈聚合和紡紗等一系列工藝加工成被稱為“母體“的聚丙烯腈纖維或原絲， 將這些原絲放入氧化爐中在200到300℃進(jìn)行氧化，還要在碳化爐中，在溫度為1000到2000℃下進(jìn)行碳化等工序制成碳纖維。

瀝青基碳纖維

美國發(fā)明了紡織瀝青基碳纖維用的含有基金屬中間相瀝青，原絲經(jīng)穩(wěn)定化和碳化后，碳纖維的拉伸強(qiáng)度為3.5G帕，模量為252G帕;法國研制了耐熱和高導(dǎo)電的中間相瀝青基碳纖維;波蘭開發(fā)了新型金屬涂覆碳纖維的方法，例如涂覆銅的瀝青基碳纖維是用混合法制成，先用銅鹽與各向同性煤瀝青混勻，進(jìn)行離心紡絲，在空氣中穩(wěn)定化并在高溫氫氣中處理，得到合金銅的碳纖維。世界瀝青基碳纖維的生產(chǎn)能力較小，國內(nèi)瀝青基碳纖維的研究和開發(fā)較早，但在開發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用方面與國外相比有較大的差距。

碳纖維按產(chǎn)品規(guī)格的不同被劃分為宇航級(jí)和工業(yè)級(jí)兩類，亦稱為小絲束和大絲束。通常把48K以上碳纖維稱為大絲束碳纖維，包括360K和480K等。宇航級(jí)碳纖維初期以3K為主，逐漸發(fā)展為12K和24K，主要應(yīng)用于國防軍工和高技術(shù)，以及體育休閑用品，像飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星和釣魚桿、球桿球拍等。工業(yè)級(jí)碳纖維應(yīng)用于不同民用工業(yè)，包括：紡織、醫(yī)藥衛(wèi)生、機(jī)電、土木建筑、交通運(yùn)輸和能源等。

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碳纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)：

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，不同于其他使用傳統(tǒng)纖維，如玻璃纖維或芳香族聚酰胺纖維等的FRP復(fù)合材料，CFRP復(fù)合材料的優(yōu)良性能包括：重量輕——傳統(tǒng)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料采用連續(xù)的玻璃纖維，其含量為70%(重量玻璃/總重量)，每立方英寸的密度通常為0.065磅。

強(qiáng)度高——CFRP復(fù)合材料盡管重量輕，然而相比于玻璃纖維復(fù)合材料，每單位重量的CFRP復(fù)合材料卻具有更高的強(qiáng)度和更大的硬度。而與金屬材料相比時(shí)，這一優(yōu)勢則更加突出。例如，經(jīng)驗(yàn)告訴我們，CFRP材料相比于鋼材，在等強(qiáng)度條件下，其重量只有鋼的1/5。可以想像為什么所有汽車制造企業(yè)都在研究使用碳纖維來代替鋼材，從而提高其產(chǎn)品性能。

當(dāng)CFRP復(fù)合材料與鋁，質(zhì)量最輕的金屬之一，相比較時(shí)，根據(jù)基本假設(shè)，等強(qiáng)度的鋁材，其重量約為碳纖維體的1.5倍。當(dāng)然實(shí)驗(yàn)中也存在許多其他變量，可能會(huì)影響對比結(jié)果，比如，材料的檔次和質(zhì)量不同，復(fù)合過程，生產(chǎn)過程，纖維結(jié)構(gòu)及品質(zhì)也需要被考慮在內(nèi)。

碳纖維復(fù)合材料的缺點(diǎn)：

成本高

盡管CFRP復(fù)合材料性能優(yōu)異，為什么碳纖維沒有廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)品生產(chǎn)呢?目前，CFRP復(fù)合材料生產(chǎn)成本過高。根據(jù)當(dāng)前的市場情況(供給和需求)，碳纖維的種類(航天VS商品級(jí))，纖維束的大小不同，纖維的價(jià)格也判若云泥。每磅碳纖維原材料的價(jià)格，可達(dá)5-25倍玻璃纖維價(jià)格不等。而相比于鋼材，CFRP材料的高成本性就更加突出了。

導(dǎo)電性

這既可以作為碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢，也可能成為實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)缺陷。碳纖維導(dǎo)電性極強(qiáng)，而玻璃纖維是絕緣的。許多產(chǎn)品使用玻璃纖維，而不能用碳纖維或金屬替代，是因?yàn)槠湟缶邆鋰?yán)格的絕緣性。

在公用設(shè)施生產(chǎn)中，許多產(chǎn)品都需要使用玻璃纖維。例如，梯子的生產(chǎn)使用玻璃纖維作為梯架，原因在于：當(dāng)玻璃纖維梯子與電力線接觸時(shí)，觸電的可能性會(huì)降低許多。而碳纖維梯子導(dǎo)電性極強(qiáng)，后果則不可想象。

盡管碳纖維復(fù)合材料的成本居高不下，然而伴隨著科技進(jìn)步，更多高效益產(chǎn)品的涌現(xiàn)指日可待?；蛟S有生之年，我們將有望見證高性能碳纖維產(chǎn)品在消費(fèi)市場，工業(yè)生產(chǎn)和汽車制造中的大范圍應(yīng)用。

以上就是小編今天要為大家講述的這種叫做碳纖維的新式合成材料。本來碳合成物就在我們的生活中使用的比較廣泛，現(xiàn)在又出來了碳纖維更是將碳化材料地使用提升到的一個(gè)新的層次，可以說碳纖維是迄今人類發(fā)明出來的用途最多、性質(zhì)穩(wěn)定的一種非金屬材料。總之一句話，科學(xué)技術(shù)為我們帶來了無限的美好，但是我們一定要懂得合理使用。