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    碳纖維的各個應用領域

    發布時間:2020-9-26    本文被閱讀 434 次

       碳纖維(carbon fiber,簡稱CF),是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”,質量比金屬鋁輕,但強度卻高于鋼鐵,并且具有耐腐蝕、高模量的特性,在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強纖維。

      碳纖維具有許多優良性能,碳纖維的軸向強度和模量高,密度低、比性能高,無蠕變,非氧化環境下耐高溫,耐疲勞性好,比熱及導電性介于非金屬和金屬之間,熱膨脹系數小且具有各向異性,耐腐蝕性好,X射線透過性好。良好的導電導熱性能、電磁屏蔽性好等。

      碳纖維與傳統的玻璃纖維相比,楊氏模量是其3倍多;它與凱夫拉纖維相比,楊氏模量是其2倍左右,在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹,耐蝕性突出。

    應用領域

      碳纖維是發展國防軍工與國民經濟的重要戰略物資,屬于技術密集型的關鍵材料,隨著從短纖碳纖維到長纖碳纖維的學術研究,使用碳纖維制作發熱材料的技術和產品也逐漸普及。在當今世界高速工業化的大背景下,碳纖維用途正趨向多樣化。中國已經有使用長纖作為高性能纖維的一種,在要求高溫,物理穩定性高的場合,碳纖維復合材料具備不可替代的優勢。材料的比強度愈高,則構件自重愈小,比模量愈高,則構件的剛度愈大,正是由于兼具優異性能,碳纖維在國防和民用領域均有廣泛的應用前景。

      碳纖維碳材料已在軍事及民用工業的各個領域取得廣泛應用。從航天、航空、 汽車、 電子、 機械、化工、輕紡等民用工業到運動器材和休閑用品等。碳纖維增強的復合材料可以應用于飛機制造等軍工領域、風力發電葉片等工業領域、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等。球棒等體育領域。碳纖維是典型的高科技領域中的新型工業材料。

    復合材料

      碳纖維在傳統使用中除用作絕熱保溫材料外。 多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中,構成復合材料。碳纖維已成為先進復合材料重要的增強材料。由于碳纖維復合材料具有輕而強、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結構尺寸穩定性好以及設計性好、可大面積整體成型等特點,已在航空航天、國防軍工和民用工業的各個領域得到廣泛應用。碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。高性能碳纖維是制造先進復合材料重要的增強材料。

    土木建筑

      土木建筑領域:碳纖維也應用在工業與民用建筑物、鐵路公路橋梁、隧道、煙囪、塔結構等的加固補強, 在鐵路建筑中,大型的頂部系統和隔音墻在未來會有很好的應用,這些也將是碳纖維很有前景的應用方面。具有密度小, 強度高, 耐久性好, 抗腐蝕能力強, 可耐酸、堿等化學品腐蝕, 柔韌性佳, 應變能力強的特點。用碳纖維管制作的桁梁構架屋頂, 比鋼材輕50%左右, 使大型結構物達到了實用化的水平, 而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外, 碳纖維做補強混凝土結構時, 不需要增加螺栓和鉚釘固定, 對原混凝土結構擾動較小, 施工工藝簡便。

    航空航天

      碳纖維是火箭、衛星、導彈、戰斗機和艦船等武器裝備必不可少的戰略基礎材料。將碳纖維復合材料應用在戰略導彈的彈體和發動機殼體上,可大大減輕重量,提高導彈的射程和突擊能力,如美國80年代研制的洲際導彈三級殼體全都采用碳纖維和環氧樹脂復合材料。碳纖維復合材料在新一代戰斗機上也開始得到大量使用,如美國第四代戰斗機F22采用了約為24%的碳纖維復合材料,從而使該戰斗機具有高音速巡航、超視距作戰、高機動性和隱身等特性。美國波音推出新一代高速寬體客機的音速巡洋艦,約60%的結構部件都將采用強化碳纖維塑料復合材料制成,其中包括機翼。中國自行研制的碳纖維復合材料剎車預制件性能達到國際水平。采用這一預制件技術所制備的的國產碳和碳剎車盤已批量裝備于國防型號的軍用飛機,并在B757型民航飛機上使用,在其它機型上的使用也在實驗考核中,并將向坦克、高速列車、轎車、賽車等推廣使用。碳纖維比鋁輕但強度相似。碳纖維在艦艇上也有的應用價值,可減輕艦艇的結構重量,增加艦艇有效載荷,從而提高運送作戰物資的能力,碳纖維不存在腐蝕生銹的問題。由于使用碳纖維材料可以大幅降低結構重量,因而可顯著提高燃料效率。采用碳纖維與塑料制成的復合材料制造的飛機以及衛星、火箭等宇宙飛行器,噪音小,而且因質量小而動力消耗少,可節約大量燃料。據報道,航天飛行器的質量每減少1kg,就可使運載火箭減輕500千克。

      碳纖維還是讓大型民用飛機、汽車、高速列車等現代交通工具實現“輕量化“的材料。航空應用中對碳纖維的需求正在不斷增多,新一代大型民用客機空客A380和波音787使用了約為50%的碳纖維復合材料。波音777飛機利用碳纖維做結構材料,包括水平和垂直的橫尾翼和橫梁稱為重要結構材料,所以對其質量要求苛刻。波音787的機身也采用碳纖維,這使飛機飛得更快,油耗更低,同時能增加客艙濕度,讓乘客更舒適??湛鸵苍谒麄兊娘w機上使用了大量的碳纖維,碳纖維將被大量應用在新型客機A380上。這使飛機機體的結構重量減輕了20%,比同類飛機可節省20%的燃油,從而大幅降低了運行成本、減少二氧化碳排放。

    汽車材料

      碳纖維材料也成為汽車制造商青睞的材料,

      在汽車內外裝飾中開始大量采用。碳纖維作為汽車材料,優點是質量輕、強度大,重量僅相當于鋼材的20%到30%,硬度卻是鋼材的10倍以上。所以汽車制造采用碳纖維材料可以使汽車的輕量化,取得突破性進展,并帶來節省能源的社會效益。業界認為,碳纖維在汽車制造領域的使用量會變大。

      中科院研發的一輛碳纖維小汽車主要在外殼上:在普通材質的汽車引擎蓋上,榔頭用力敲擊,漆蓋上很有可能會有凹陷,而這輛車的車殼卻非常堅固,用力敲擊車蓋后會迅猛反彈,表面絲毫未損。研究人員表示采用碳纖維復合材料做的汽車,比起普通用鋼材制造的汽車的特點是輕和快。碳纖維汽車拋棄了傳統的鋼結構,大量采用碳纖維材料制成,比普通鋼材的汽車重量能減少60%。在同樣用油情況下,這輛車每小時可以多開50公里。

      碳纖維雖然輕,但有較好的安全性,雖然碳纖維的看起來像塑料,但實際上這種材料抗沖擊性比鋼鐵強,特別是用碳纖維做成的方向盤,機械強度和抗沖性更高。在復合材料的配合下,碳纖維汽車成了家用車中的裝甲車。這種碳纖維材料已經在高速列車的裙擺上應用。

    纖維加固

      碳纖維加固包括碳纖維布加固和碳纖維板加固兩種。碳纖維材料用于混凝土結構加固修補的研究始于80年代美、日等發達國家。中國的這項技術起步很晚,但隨著中國經濟建設和交通事業的飛速發展,現有建筑中有相當一部分由于當時設計荷載標準低造成歷史問題,一些建筑由于使用功能的改變,難以滿足當前規范使用的需求,亟需進行維修、加固。常用的加固方法有很多,如:加大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法、碳纖維加固法等。碳纖維加固修補結構技術是繼加大混凝土截面、粘鋼之后的又一種新型的結構加固技術。

      中國從1997年開始從國外引進碳纖維復合材料加固混凝土結構技術研究。成為了研究和工程應用的熱點。國內已有數十個高校和科研院所開展了此項研究工作,并取得了一批接近國際先進水平的研究成果。由于中國具有世界上為巨大的土木建筑市場,碳纖維加固建筑結構的應用將呈現不斷增長的的趨勢。

    體育用品

      碳纖維在運用在運動休閑領域中,像球桿、釣魚竿、網球拍羽毛球拍、自行車、滑雪杖、滑雪板、帆板桅桿、航海船體等運動用品都是碳纖維的主要用戶之一。碳纖維運用在日常用品,像音響、浴霸、取暖器等家用電器以及手機、筆記本電腦等電子產品也可以看到碳纖維的身影。

      體育應用中的三項重要應用為球棒和球拍框架。據估計每年的球棒的產量為3400萬副。全世界40%的碳纖維球棒都是由碳纖維制成的。全世界碳纖維釣魚桿的產量約為每年2000萬副。網球拍框架的市場容量約為每年600萬副,其它的體育項目應用還包括冰球棍、滑雪杖等。碳纖維還應用在劃船、賽艇等其它海洋運動中。


    來源:《揭秘未來100大潛力新材料(2019年版)》_新材料在線


    碳纖維的各個應用領域

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