碳纤维简介和其优缺点

1  碳纤维

碳纤维(英语:Carbon fiber),是一种高强度和模量的耐高温纤维,为化纤的高端品种。碳纤维是以经过特殊处理的高质量聚丙烯腈(PAN)为原料。PAN基碳纤维拥有1000至48000条碳丝,每条碳丝直径为5-10μm,都是微晶石墨结构。为了产生碳纤维,碳原子在晶体中被键合在一起,平行排列的纤维长轴给予碳纤维相当高的强度-体积比。几千条碳纤维集束在一起形成一个纤维束,其可以单独使用或被编织成织物。

碳纤维通常与树脂(Resin)一起固化成复合材料。同金属(例如铝)或其他纤维增强复合材料制造的零部件相比,这些碳纤维部件质量轻、强度大。

独特的性能可设计性,令碳纤维成为各种工艺和应用的理想选择。

1.1  碳纤维机械数据与动力性能特点

  • 高强度
  • 高模量
  • 低密度
  • 低蠕变率
  • 吸振性良好
  • 耐疲劳

1.2  碳纤维化学性能特点

  • 化学惰性
  • 无腐蚀性
  • 强耐酸、耐碱以及耐有机溶剂性

1.3  碳纤维热学性能特点

  • 低热膨胀
  • 低导热率

1.4  碳纤维电磁性能特点

  • 低X光吸收率
  • 无磁性

1.5  碳纤维电气性能特点

  • 高导电率

2  碳纤维加工

碳纤维既可以干法加工,又可以湿法加工/配合树脂加工。

2.1  干法加工

  • 预成型体
  • 织物
  • 炭绳
  • 多轴向织物/无屈曲织物(NCF)
  • 单向织物/经编织物
  • 特种纸

2.2  湿法加工/配合树脂加工:

  • 热固性预浸料
  • 热塑带
  • 缠绕
  • RTM、VARTM以及SCRIMP
  • 其它树脂注入工艺,譬如RIM与SRIM
  • 拉挤

3  碳纤维缺点

  • 碳纤维制品难以自然分解,大量弃置会造成环境问题。
  • 碳纤维制造需要模具,投入较大且复杂。
  • 价格昂贵,工艺复杂(相对传统金属而言)。
  • 维护成本高,一旦碳结构变脏或破裂,无法像金属一样维修。纤维就会断裂,结构可能强度不足。在多数情况下,只能拆除并丢弃该零部件,更换新零部件。
  • 不易回收,碳纤维无法像回收钢和其他材料一样。尽管目前世界上已经对如何回收碳纤维进行了大量研究,但是到目前为止,还没有行之有效且低成本的方法来回收碳纤维。

4  碳纤维用途

碳纤维是航空航天、汽车、娱乐以及医疗应用中大荷载结构件的理想选择。此外,碳纤维还广泛应用于风力发电、能源以及化工行业。

空中客车的A350与A380,波音787均利用碳纤维复合材料来减轻耗油量。大型风力发电机的叶片,赛车、汽机车的车身均为碳纤维复合材料需求量增加的重要因素。

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