碳纖維究竟好在哪里？

2022-11-21 來源：高分子物理學(xué)公眾號(hào)

碳纖維究竟好在哪里？

引言

1959年，日本人 Shindo A 首先發(fā)明了用聚丙烯腈（PAN ）纖維制造碳纖維，如今碳纖維已發(fā)展成為獨(dú)立完整的新型工業(yè)體系，并被喻為是當(dāng)今世界上材料綜合性能的頂峰，是21世紀(jì)的黑色革命。美國提出世紀(jì)革命性的材料技術(shù)共有12 項(xiàng)，其中“新一代碳纖維、納米碳管”位居第四。

碳纖維簡介

碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，分了結(jié)構(gòu)界于石墨與金剛石之問，含碳體積分?jǐn)?shù)隨種類不同而異，一般在0.9以上。碳纖維的顯著優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、纖度好和抗拉強(qiáng)度高，同時(shí)具有一般碳材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、膨脹系數(shù)小等。由于碳纖維這些優(yōu)異的綜合性能，使其與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合后形成的碳纖維復(fù)合材料，也具有高的比強(qiáng)度、比模量、耐疲勞、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等一系列優(yōu)良性質(zhì)，在現(xiàn)代工業(yè)方面應(yīng)用非常廣泛。

碳纖維的性能

要了解碳纖維為何那么重要，我們需要了解碳纖維的性能：

①強(qiáng)度高。其抗拉強(qiáng)度在3 500 MPa以上。

②模量高。其彈性模量在230 GPa以上。

③密度小，比強(qiáng)度高。碳纖維的密度是鋼的1/4，是鋁合金的1/2，其比強(qiáng)度比鋼大16倍，比鋁合金大12倍。

④能耐超高溫。在非氧化氣氛條件下，碳纖維可在2 000 0C時(shí)使用，在3 0000C的高溫下不融熔軟化。

⑤耐低溫性能好。在一180 0C低溫下，鋼鐵變得比玻璃脆，而碳纖維依舊很柔軟。

⑥耐酸性能好。能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介質(zhì)侵蝕。將碳纖維放在濃度為50%的鹽酸、硫酸和磷酸中，200 d后其彈性模量、強(qiáng)度和直徑基本沒有變化;在50%濃度的硝酸中只是稍有膨脹，其耐腐蝕性能超過黃金和鉑金。此外，碳纖維的耐油、耐腐蝕性能也很好。

⑦熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)大。可以耐急冷急熱，即使從3 000 0C的高溫突然降到室溫也不會(huì)炸裂。

⑧防原了輻射，能使中了減速。

⑨導(dǎo)電性能好((5-17 } S2 m)·

⑩軸向抗剪切模量較低，斷裂延仲率小，耐沖擊差，并且后加工較為困難。

從以上性能我們可以看出，碳纖維的是各種極端環(huán)境中性能的佼佼者，這么多優(yōu)質(zhì)性能集合于一種材料是十分難得的，這也不難怪中國自主掌握碳纖維生產(chǎn)是件多么重要的事。

碳纖維為什么這么“變態(tài)”

碳纖維的優(yōu)異性能得益于它的結(jié)構(gòu)，碳纖維屬于聚合的碳，它是由有機(jī)物經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)化為三維碳化合物、碳化歷程不同，形成的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)也不同。

碳纖維和石墨纖維在強(qiáng)度和彈性模量上有很大差別，這主要是由于其結(jié)構(gòu)不同。碳纖維是由小的亂層石墨晶體所組成的多晶體，含碳量約75- -95%;石墨纖維的結(jié)構(gòu)與石墨相似，含碳量可達(dá)98- -99%，雜質(zhì)相當(dāng)少，碳纖維的含碳量與制造纖維過程中碳化和石墨化過程有關(guān)。

碳化過程:有機(jī)化合物在惰性氣體中加熱到1000- 1500度時(shí)，所有非碳原子(氮、氫、氧等)將逐步被驅(qū)除，碳含量逐步增加，隨著非碳原子的排除，固相間發(fā)生一系列脫氫、環(huán)化、交鏈和縮聚等化學(xué)反應(yīng)，形成碳纖維。

石墨化過程:溫度升高到2000一3000度時(shí)，殘留的非碳原子繼續(xù)排除，進(jìn)一步反應(yīng)形成的芳環(huán)平面逐步增加，排列也較規(guī)整，取向性顯著提高，并由二維亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，形成的石墨纖維，其彈性棋量大大提高。