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碳纖維有多“強”？
2024-09-14
碳纖維主要由碳元素組成，具有耐高溫、抗摩擦、導熱及耐腐蝕等特性 外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物，由于其石墨微晶結構沿纖維軸擇優(yōu)取向，因此沿纖維軸方向有很高的強度和模量。碳纖維的密度小，因此比強度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強材料與樹(shù)脂、金屬、陶瓷及炭等復合，制造先進(jìn)復合材料。碳纖維增強環(huán)氧樹(shù)脂復合材料，其比強度及比模量在現有工程材料中是最高的。
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1.碳纖維的分類(lèi)
按原料來(lái)源：聚丙烯腈（PAN）基、瀝青基、粘膠基、酚醛基、氣相生長(cháng)。按力學(xué)性能：通用型（強度/1000MPa、模量/100GPa ）、高性能型（高強型：強度>2000MPa、模量 >250GPa；高模型>模量300GPa）；或高強型、高強中模型、高模型、高強高模型。按絲束大?。盒〗z束、大絲束。按產(chǎn)品形態(tài)：長(cháng)絲、短纖維和短切纖維。
2.碳纖維的用途
碳纖維最優(yōu)良的性能是比強度和比模量超過(guò)一般的有機或無(wú)機增強纖維，碳纖維比重在1.8左右，是比重7.8的鐵的1/4左右，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，同時(shí)其復合材料抗拉強度可以達到鋼的7-9倍。進(jìn)入21世紀，隨著(zhù)碳纖維生產(chǎn)工藝技術(shù)的提高和成熟，碳纖維的應用領(lǐng)域開(kāi)始從航空工業(yè)擴大到民用商業(yè)領(lǐng)域，現已廣泛應用于航天航空、醫藥器械、汽車(chē)、機械制造、建筑、文體娛樂(lè )等行業(yè)。
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3.碳纖維上漿
碳纖維是脆性材料，在運輸和加工過(guò)程中受到反復彎曲和磨損容易起毛，造成纖維表面損傷或纖維斷裂等現象，形成毛絲。60％~70％用于復合材料的碳纖維都需要經(jīng)歷編織、制備預浸料的過(guò)程。當碳纖維在織機上編織時(shí)，由于不斷的遭受拉伸、摩擦、彎曲等作用，碳纖維會(huì )發(fā)生起毛、松散或劈絲現象，使得編制難以進(jìn)行，織物質(zhì)量低下。毛絲會(huì )阻礙基體樹(shù)脂浸潤纖維，造成復合材料的氣孔，影響最終的復合材料性能。另一方面，碳纖維表面呈類(lèi)石墨結構，因表面幾乎沒(méi)有化學(xué)官能團而表現出憎液性和惰性化學(xué)表面，和樹(shù)脂間的粘附性能差，導致最終碳纖維增強樹(shù)脂復合材料界面剪切強度（IFSS）和層間剪切強度（ILSS）低，影響復合材料整體性能，碳纖維表面的化學(xué)性質(zhì)及其與樹(shù)脂基體的相容性是影響界面強度的重要因素，其表面的化學(xué)性質(zhì)影響纖維的表面能、潤濕性和反應性。通過(guò)表面處理可以增加碳纖維表面的粗糙度，改變纖維表面化學(xué)性質(zhì)和浸潤性。表面處理的方法有電化學(xué)處理、上漿處理、高能輻射處理、化學(xué)接枝、納米粒子改性等。
4.碳纖維產(chǎn)業(yè)
碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節包括上游原絲生產(chǎn)、中游碳化環(huán)節、下游復合材料及應用；工業(yè)鏈條從原絲、碳化、預浸料、復合材料，有甚高的一致性要求，體現為技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)。碳纖維制造工藝復雜，是一項集多學(xué)科、精細化、高尖端技術(shù)于一體的系統工程，其涉及物理、化學(xué)、紡織、材料、精密機械、自動(dòng)化等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域；工藝流程包括溫濕度、濃度、年度、流量等上千個(gè)參數的高精度控制，綜合控制最終才能保證碳纖維性能與質(zhì)量的穩定性。所以整個(gè)行業(yè)有技術(shù)壁壘高，研發(fā)周期長(cháng)、投入高、粘性大、先發(fā)優(yōu)勢較強的特點(diǎn)。
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