知识点四 碳纤维
知识点四碳纤维资料
高性能CF
高强度CF （HS） 高模量CF （HM） 超高强CF （UHS） 超高模CF （UHM） 高强－高模CF 中强－中模CF 等
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
按碳纤维的 功能分类
受力结构用CF 耐焰用CF 导电用CF 润滑用CF 耐磨用CF 活性CF
高分子材料专业 聚合物复合材料
❖ 1970年日本昊羽化学公司实现沥青基碳纤维的工业规模生 产；
❖ 1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维投放市场。
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
❖ 1988年，世界碳纤维总生产能力为10054吨/年，其中聚丙 烯腈基碳纤维为7840吨，占总量的78％。日本是最大的 聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力约3400吨/年，占总 量的43％。
高分子材料专业 聚合物复合材料
2、物理性能
碳纤维的物理性能
热
耐 热 性
膨 胀 系
热 导 率
比 热
导 电 性
密 度
润 滑 性
其 他
数
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
耐热性： 在不接触空气或氧化性气氛时，碳纤维具有突出的耐热性，
在高于1500oC下强度才开始下降。 热膨胀系数：
CF的热膨胀系数具有各向异性的特点。 平行于纤维方向为负值 垂直于纤维方向为正值
采用碳纤维复合材料制造汽车
构件不仅可使汽车轻量化，还
可以使其具有多功能性。例如，
用碳纤维增强树脂基复合材料 制造的发动机挺杆，利用其阻
碳纤维汽车弹簧片
尼减振性能，可降低振动和噪
声，行驶有舒适感。
知识点四 碳纤维
3、土木建筑上的应用 比如，短切碳纤维增强水 泥基复合材料可以制造各 种幕墙板，实现建材的轻 量化，特别是沿海建筑显 示出优异的耐蚀性。利用 碳纤维的导电性能可用来 制造采暖地板。
碳纤维是什么材料
碳纤维是什么材料碳纤维是一种由碳元素纤维化制成的高强度材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀、耐高温等优良特性。
它被广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材、建筑材料等领域，成为现代工业中不可或缺的材料之一。
首先，碳纤维是由有机聚合物纤维经过高温碳化而成的。
其主要原料为聚丙烯、聚丙烯腈等有机合成纤维，经过特殊工艺处理后，形成具有高度结晶度和完整结构的碳纤维。
这种材料具有非常高的比表面积和优异的机械性能，可以承受较大的拉伸和压缩力，同时重量却非常轻，是传统金属材料的数倍甚至数十倍。
其次，碳纤维的应用领域非常广泛。
在航空航天领域，碳纤维被广泛应用于飞机、导弹、卫星等航空器的结构材料中，因为其轻质高强的特性可以大幅减轻飞行器的自重，提高燃料利用率和飞行性能。
在汽车制造领域，碳纤维被用于制造汽车车身、底盘等部件，可以减轻汽车自重，提高燃油经济性和行驶稳定性。
在体育器材领域，碳纤维被用于制造高尔夫球杆、网球拍、自行车等，因为其高强度和轻质可以提高运动器材的性能。
在建筑材料领域，碳纤维被用于加固混凝土结构、制造建筑外墙板等，可以提高建筑材料的耐久性和安全性。
最后，随着科技的不断进步，碳纤维的应用前景将更加广阔。
随着碳纤维制造工艺的不断改进和成本的不断降低，碳纤维将会在更多领域得到应用，比如医疗器械、船舶制造、新能源领域等。
同时，碳纤维的再生利用和环保性能也将成为未来发展的重要方向，推动碳纤维材料行业的持续发展。
综上所述，碳纤维作为一种具有优异性能的材料，在现代工业中扮演着越来越重要的角色。
它的轻质、高强、耐腐蚀、耐高温等特性，使其在航空航天、汽车制造、体育器材、建筑材料等领域得到广泛应用，并且在未来有着更加广阔的发展前景。
碳纤维的发展将会推动相关产业的发展，为人类社会的进步做出更大的贡献。
碳纤维名词解释
碳纤维名词解释碳纤维：是指由碳原子组成的纤维，是一种具有很高比强度、刚性和轻质的纤维材料。
它在汽车、航空航天、军事装备等领域有着广泛的应用。
碳纤维的特性：碳纤维具有很高的比强度，一般的钢材的比强度是1，而碳纤维的比强度可以达到5-6，所以它的强度比钢材高出五倍以上。
此外，碳纤维的刚性也非常的高，比如说材料的模量很高，可以几乎不受弯曲变形，因此，具有良好的机械性能。
最后，碳纤维最大的一个特点就是它的质量比钢材轻，其重量只有钢材的一半，所以在安全性和质量控制方面，碳纤维可以大大提高机械设备的性能。
碳纤维的应用：碳纤维的应用非常广泛，主要应用于汽车、航空航天、军事装备等各个领域。
因为碳纤维具有很好的比强度、刚性和轻质特性，因此，在汽车和航空航天领域里，碳纤维被广泛用于制造车身、歼击机和宇宙飞船等飞行器的外壳、机翼和尾翼等部件，以提高飞行器的速度和稳定性。
此外，碳纤维也在军事装备上得到了广泛的应用，比如说它可以用来制造轻便耐用的枪套，以及防弹衣、盾牌和军队的装备，以增强士兵的防护能力。
碳纤维的发展：随着科技的发展，碳纤维的发展也在不断地推动着科技的进步。
近年来，由于碳纤维的技术发展，碳纤维的性能和性能也在不断地提升，这使得碳纤维应用于更多的领域，比如核能反应堆内壁、民用航空装备、军火工业装备、船舶及油气平台结构件、低空飞行器结构、抗弹衣等等。
未来，随着科技进步，碳纤维在更多领域得到更多应用，并有望推动科技发展。
总结：碳纤维是一种具有很高比强度、刚性和轻质的纤维材料，它是由碳原子组成的，在汽车、航空航天、军事装备等领域有着广泛的应用。
它具有很高的比强度、刚性和轻质，可以大大提高机械设备的性能，在汽车和航空航天领域里，碳纤维被广泛用于制造车身、歼击机和宇宙飞船等飞行器的外壳、机翼和尾翼等部件，以及军事装备上的枪套、防弹衣等等。
在未来，随着科技的发展，碳纤维将在更多领域得到更多应用，并推动科技的发展。
材料力学碳纤维知识点总结
材料力学碳纤维知识点总结在材料力学领域，碳纤维是一种重要的高性能复合材料，具有轻量化、高强度、高模量、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、汽车工业、体育器材等领域。
本文将对碳纤维的基本概念、制备方法以及力学性能等知识点进行总结。
一、碳纤维的定义和特点碳纤维是由碳元素组成的纤维状材料，其主要成分是纯净的碳。
碳纤维具有以下几个特点：1. 轻质高强：碳纤维的密度较小，重量轻，但强度却很高，抗拉强度是钢铁的几倍甚至几十倍。
2. 高模量：碳纤维具有较高的弹性模量，刚度优于其他材料，可以有效增强结构的刚度和稳定性。
3. 耐腐蚀：碳纤维具有良好的耐腐蚀性能，可以抵抗大多数酸、碱和盐水的侵蚀。
4. 耐热性：碳纤维具有优良的耐高温性能，能够在高温环境下保持较好的机械性能。
二、碳纤维的制备方法碳纤维的制备主要有以下两种方法：1. 碳化纤维法：首先从有机纤维素纤维开始，通过热解和炭化过程将其转化为纯净的碳纤维。
这种方法制备的碳纤维具有较高的纯度和强度。
2. 聚丙烯腈纤维法：首先使用聚丙烯腈纤维作为原料，通过预处理、氧化、碱化和高温炭化等步骤制备碳纤维。
这种方法制备的碳纤维具有较高的强度和模量。
三、碳纤维的力学性能碳纤维具有优异的力学性能，主要包括以下几个方面：1. 强度：碳纤维的抗拉强度很高，通常在3000兆帕斯卡(MPa)以上，相当于钢铁强度的几倍。
2. 模量：碳纤维的弹性模量在200-600兆帕斯卡(MPa)之间，是钢铁的几倍甚至几十倍。
3. 韧性：碳纤维的韧性较好，能够承受较大的冲击负荷而不破裂。
4. 疲劳性能：碳纤维具有优秀的疲劳寿命和疲劳强度，适用于长期受力的结构。
5. 耐腐蚀性：碳纤维具有良好的抗腐蚀性能，不易被酸碱侵蚀。
四、碳纤维在工程中的应用碳纤维由于其优异的性能，在工程领域有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 航空航天领域：碳纤维被广泛应用于飞机和航天器的结构件和附件中，能够减轻重量、提高飞行性能。
碳纤维(Carbon Fiber)概况
碳纤维(Carbon Fiber)材料1、概况碳纤维是长而细的材料线，直径约0.005-0.010毫米，主要由碳原子组成。
碳原子在微观晶体中键合在一起，微观晶体或多或少地平行于纤维的长轴排列，从而使纤维的尺寸异常坚固。
碳纤维按纤维的拉伸模量分类。
英制的度量单位是每平方英寸横截面积的磅力，即psi。
被归类为“低模量”的碳纤维的拉伸模量低于3480万磅/平方英寸（2.4亿千帕）。
其他按拉伸模量升序排列的分类包括“标准模量”，“中模量”，“高模量”和“超高模量”。
超高模量碳纤维的拉伸模量为72.5 -145.0百万psi（5亿- 10亿kPa）。
相比之下，钢的拉伸模量约为2900万磅/平方英寸（2亿千帕）。
因此，最坚固的碳纤维比钢强十倍，比铝强八倍，更不用说比两种材料轻得多了，分别是五倍和1.5倍。
此外，它们的疲劳性能优于所有已知的金属结构，并且当与适当的树脂结合使用时，它们是可用的最耐腐蚀的材料之一。
三十年前，碳纤维是一种太空时代的材料，价格昂贵，无法用于除航空航天之外的任何其他领域。
然而，如今，碳纤维被用于风力涡轮机、汽车、体育用品以及许多其他应用中。
得益于像ZOLTEK这样的碳纤维制造商，他们致力于扩大容量，降低成本和发展新市场的商业化概念，碳纤维已成为一种可行的商业产品。
2、工业化生产步骤稳定，在纤维碳化之前，需要对其进行化学改性，以将其线性原子键转换为更热稳定的阶梯键。
这是通过将空气中的纤维加热到大约390-590°F（200-300°C）30-120分钟来完成的。
此步骤使纤维从空气中吸收氧分子并重新排列其原子键合模式，从而化学地改善稳定性。
碳化，纤维稳定后，将其在装满不含氧气的气体混合物的熔炉中加热至约1830-5500°F（1000-3000°C）的温度几分钟。
随着纤维被加热，非碳原子被排出，剩余的碳原子形成紧密结合的碳晶体，这些晶体或多或少地平行于纤维的长轴排列。
碳纤维名词解释
碳纤维名词解释碳纤维是一种不可替代的现代材料，由原料（碳原料）制成，在航空航天、汽车、运动器材、工业制品、医疗器械等领域有广泛应用，并拥有极高价值。
什么是碳纤维（Carbon Fiber）？碳纤维是一种非金属纤维，由含碳元素的合成材料（例如碳棒、碳粉末等）经过高温热处理、制造和改性等工艺，形成独特的结晶结构及立体网络结构，形成具有高强度及优异特性的复合材料点缀，是一种具有高承载能力的碳模板材料。
碳纤维具有优良的力学性能、抗拉强度、抗压强度、耐热性、耐腐蚀性以及较低的密度等特点，所以得到了广泛的应用，在航空航天、汽车、运动器材、工业制品、医疗器械等领域均有使用。
首先，碳纤维在航空航天领域的应用非常广泛，主要应用于飞机机身的结构件及引擎的部件，例如：碳纤维复合材料用于制作飞机机身外壳、机翼、机尾及发动机的部件；碳纤维增强树脂（CFRP）用于制作结构的复合材料，可以提高飞机机身和发动机的安全性，减少飞机的质量，降低燃油消耗，提高飞机的抗拉强度、抗压强度等性能；此外，碳纤维复合材料还可以用于制作飞机机身上的应急发电机、舱内安全设备，以及用于动力装置的冷却系统支架等。
其次，碳纤维在汽车领域的应用也很广泛，主要是用来制造汽车车身的结构件，例如：碳纤维复合材料用于制作汽车车身框架、汽车车身护板、车门、车顶及轮毂等；碳纤维增强树脂（CFRP）用于制作车身结构复合材料，可以提高汽车车身的抗拉强度、抗压强度等性能，以及减轻汽车重量，提高汽车的动力性能和油耗，使车辆更稳定、更舒适而又更省油；此外，碳纤维复合材料还可以用于汽车安全带、车窗及车内空间改善等。
最后，碳纤维还可用于制造运动器材、工业制品、医疗器械等。
碳纤维复合材料的优异特性吸引了国内外众多企业的合作，以应用碳纤维材料制造运动器材、工业制品、医疗器械等产品。
例如，碳纤维复合材料可用于制造自行车、滑雪板、高尔夫球杆、建筑铝材、家具及医疗器械等，其优良的力学性能、抗拉强度、抗压强度、耐热性、耐腐蚀性以及较低的密度可满足众多应用需求。
碳纤维名词解释
碳纤维名词解释碳纤维，又称碳纤维复合材料，是一种轻质复合材料，它由碳纤维、聚合物和无定形填充物组成，使用电子显微镜（SEM）分析可以看到材料中各种形状的碳纤维。
碳纤维复合材料具有非常高的强度、弹性和刚度。
由于它的超高性能，它被广泛应用于航空、航天、交通运输、医疗等领域。
碳纤维由炭素（carbon）构成。
这些碳原子经过聚合，形成了微细长丝状的碳纤维。
碳纤维细丝由碳原子构成，纤维的形状和大小取决于碳原子的排列。
碳纤维的物理性能主要取决于它的纤维结构，具体包括纤维的直径、拉伸强度、横向强度、抗弯刚度和弹性模量等。
碳纤维具有极高的拉伸强度、抗弯刚度和弹性模量，但其弯曲强度很低，有时甚至可以忽略。
碳纤维的优势在于可以制造出能够抵抗拉伸、抗拉、抗弯等应力的复合材料。
碳纤维复合材料可以用于制造航空器、汽车零部件、舰船体结构、塑料结构模具、体育器材、桥梁支架等。
碳纤维可以用作以下材料的复合成形，可以借助熔浆通过注入法制备表面层次细节非常丰富的碳纤维增强复合材料：1、金属陶瓷增强复合材料：金属陶瓷复合材料是将金属和陶瓷用碳纤维复合在一起，使用碳纤维作为强化材料，以提高材料的强度和韧性。
2、聚合物-碳纤维复合材料：碳纤维增强复合材料，也称聚酰胺酯碳纤维增强复合材料，是将聚酰胺酯混合物和碳纤维复合在一起，可以提高复合材料的强度、刚度和弹性模量。
3、纤维织物增强复合材料：纤维织物增强复合材料是在织物基体上层层增强的复合材料，主要是在织物基体中添加碳纤维和聚合物，以提高复合材料的强度、刚度和弹性模量。
碳纤维复合材料具有非常高的轻质和强度、刚度和抗拉性，使其在航空、航天、交通运输、医疗等领域受到了广泛的应用。
碳纤维复合材料可以用在航空器零部件制造中，用于制造更轻、更强、更持久的航空器零件。
此外，碳纤维复合材料也可以用于其他行业，如汽车零部件制造、舰船体结构、织物复合体制造等。
碳纤维复合材料的优势在于它的超高性能，拥有强力、刚度和弹性模量，并且可以制造出能够抵抗拉伸、抗拉、抗弯等应力的复合材料。
碳纤维科普文章
碳纤维科普文章1. 什么是碳纤维？碳纤维是一种由碳元素构成的纤维材料。
它具有轻质、高强度、高模量等优异的物理性质，被广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
碳纤维的制备过程主要包括原料处理、纤维拉伸、热处理等步骤。
2. 碳纤维的制备过程2.1 原料处理碳纤维的原料主要是聚丙烯腈纤维（PAN）。
在制备碳纤维之前，需要对PAN纤维进行预处理。
预处理包括纤维的拉伸、氧化等步骤，以提高纤维的质量和稳定性。
2.2 纤维拉伸经过预处理的纤维被拉伸成细长的丝状物，称为前驱体。
拉伸过程中，纤维的分子结构会发生改变，使其具备了制备碳纤维的潜力。
2.3 热处理前驱体经过热处理，即高温炭化，使其转变为纯碳纤维。
热处理过程中，纤维中的杂质会被去除，同时纤维的结晶度和石墨化程度会增加，从而提高碳纤维的力学性能。
3. 碳纤维的优点3.1 轻质碳纤维的密度很低，通常只有钢材的1/4左右。
这使得碳纤维制成的产品具有轻质的特点，可以减轻整体重量，提高运动性能。
3.2 高强度碳纤维的强度是钢材的2倍以上。
这使得碳纤维制成的产品具有更高的抗拉强度和抗压强度，能够承受更大的力量。
3.3 高模量碳纤维的模量是钢材的5倍以上。
模量是材料的刚度指标，表示材料对外力的抵抗能力。
碳纤维的高模量使得制成的产品更加坚硬和稳定。
3.4 耐腐蚀碳纤维具有良好的耐腐蚀性能，能够抵御酸、碱等腐蚀介质的侵蚀。
这使得碳纤维在特殊环境下具有更广泛的应用前景。
4. 碳纤维的应用领域4.1 航空航天领域碳纤维在航空航天领域有着重要的应用。
它可以用于制造飞机的机身、翼面、尾翼等部件，能够减轻飞机的重量，提高燃油效率和飞行性能。
4.2 汽车领域碳纤维在汽车领域的应用越来越广泛。
它可以用于制造汽车的车身、底盘等部件，减轻车辆的重量，提高操控性能和燃油经济性。
4.3 体育器材领域碳纤维在体育器材领域也得到了广泛应用。
例如，高尔夫球杆、网球拍、自行车等都可以采用碳纤维材料制造，提高产品的性能和使用寿命。
碳纤维课件ppt
碳纤维的环保意义
05
与价值
减少对传统材料的依赖
01
碳纤维作为一种高性能材料，可 以替代部分传统金属材料，降低 对矿产资源的开采和加工需求， 从而减少对环境的破坏和污染。
02
碳纤维的制造过程相对环保，不 需要经过高温熔炼，可以减少能 源消耗和碳排放。
降低碳排放，助力碳中和目标
碳纤维的制造和使用过程中，碳排放 量相对较低，有助于实现碳中和目标 。
汽车工业领域
车身结构
碳纤维复合材料能够显著 减轻汽车重量，提高燃油 效率和性能，因此在车身 结构中广泛应用。
汽车零部件
碳纤维复合材料也用于制 造汽车零部件，如发动机 罩、车门、车顶等。
电动汽车电池组
碳纤维复合材料在电动汽 车电池组中作为结构材料 ，能够提高电池组的强度 和刚度。
体育器材领域
自行车
VS
建筑补强
碳纤维复合材料也用于对建筑结构进行加 固和补强，提高结构的承载能力和耐久性 。
其他领域
压力容器和管道
碳纤维复合材料在制造高压容器和管道中作为结构材料，能够承受高压力和温度。
电子设备
碳纤维在制造电子设备中也有广泛应用，如电路板、连接器和外壳等。
碳纤维的未来发展
04
与挑战
碳纤维的研发进展
影响因素：生产工艺对碳纤维的性能 有很大影响，如温度、压力、时间等 工艺参数都会影响碳纤维的结构和性 能。
碳纤维的性能优势
02
高强度与轻量化
总结词
碳纤维具有高强度和轻量化的特性，使其成为高性能材料的 重要选择。
详细描述
碳纤维是一种高性能纤维，其强度和刚度都非常高，能够承 受较大的压力和弯曲应力。同时，碳纤维的密度非常低，比 传统的金属材料轻得多，因此使用碳纤维可以大大减轻产品 的重量。
碳纤维是什么材料
碳纤维是什么材料碳纤维是一种由碳元素组成的纤维材料。
它具有轻量、高强度、高刚性和优良的耐腐蚀性能，因此被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、建筑和体育用品等领域。
下面将详细介绍碳纤维的制备方法、特性及应用。
碳纤维的制备方法主要有两种：气相法和胶纤法。
气相法是通过将有机物在高温条件下裂解而生成碳纤维，其制备过程包括纺丝、热解、碳化和石墨化等环节。
胶纤法则是将聚丙烯腈作为原料，在特定溶剂中溶解后形成原丝，经过拉伸、热固化、炭化等工艺制得碳纤维。
碳纤维的特性主要体现在以下几个方面：1. 高强度和高刚性：碳纤维的强度比钢高5-10倍，刚性比钢高3-5倍，具有出色的承载能力和抗震性能。
2. 低密度：碳纤维比重轻，约为钢的1/4，有助于减轻结构重量，提高整体效能。
3. 耐腐蚀性好：碳纤维不受大气、水、酸碱等常见介质的腐蚀，寿命较长。
4. 电导率高：碳纤维具有优异的导电性能，可用于制作电极材料和导电部件。
5. 良好的耐久性和耐疲劳性：碳纤维具有较长的使用寿命和耐久性，且不易发生疲劳破坏。
碳纤维的应用领域广泛：1. 航空航天领域：碳纤维被广泛应用于航空器的机体、翼面、航空附件等部位，可以减轻飞机重量，提高飞行性能。
2. 汽车工业：碳纤维制品在汽车行业的应用十分广泛，如车身、底盘、发动机罩、内饰件等，有助于提高汽车的安全性和燃油经济性。
3. 建筑领域：碳纤维可以用于加固和修复建筑物结构，提高其抗震能力和耐久性。
4. 体育用品：碳纤维材料轻便且强度高，被广泛应用于高尔夫球杆、自行车、滑雪板等体育用品中，提供更好的使用体验和性能。
虽然碳纤维具有许多优点，但是也存在一些缺点，如制造成本高、产业链发展不完善等。
随着技术的进步和应用领域的不断拓展，相信碳纤维将在未来得到更广泛的应用和发展。
碳纤维的基础知识
1、碳纤维的基础知识
什么是碳纤维？碳纤维就是完全由碳原子组成的，结构为环状梯形的纤维状的超分子结构纤维。
具有强度高，模量大，耐燃烧、耐腐蚀、质量轻，具有导电、耐磨等等优异性能的一种高分子纤维材料。
碳纤维的种类目前分三大类：丙烯腈碳纤维（PAN基碳纤维）、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维。
由于丙烯腈基碳纤维可以制造结构承力构件，用于航空航天，所以，丙烯腈基碳纤维的发展受到格外的关注和发展。
丙烯腈基碳纤维的原料-----原丝的制造方法现有：亚砜法（DMSO）、硫氰酸钠法、硝酸法、DMF法等。
碳纤维的应用：
碳纤维最早应用于高科技的航空航天领域，其在有氧的条件下，可以耐3000度的高温，确保航天器等能够通过大气层进入到太空。
由于其质量轻、强度高，70年初被应用于体育休闲用品以来，民用领域里碳纤维的应用飞速发展，如汽车及汽车配件、压力容器、医疗器具、电子产品、化工管道、风电叶片、建筑补强、树脂基体增强、飞机用刹车盘、商用飞机、通信器材等等，都可以有广泛的应用。
2、碳纤维产业链
碳纤维原丝碳纤维碳纤维预浸料碳纤维复合材料制品
产品原料配套原丝溶剂(DMSO) 原丝专用抗静电剂碳纤维专用助剂预浸料用环氧/酚醛树脂化工管道风电叶片压力容器碳纤维自行车
丙烯腈
碳纤维制造设备预浸料制造设备
汽车配件。
碳纤维材料介绍
碳纤维材料介绍
碳纤维（CarbonFiber），又称碳素纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维材料，是一种由碳元素组成的具有石墨结构的碳原子组成的有机纤维。
它具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀等优点，可作高强度结构材料，已广泛用于航空航天、体育用品、汽车工业等领域。
1.碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维材料。
根据碳纤维成分的不同，其力学性能也有很大差异。
石墨结构的碳纤维强度可达300Mpa以上，弹性模量在2000GPa左右。
2.碳纤维密度为1.8g/cm3,仅为钢的1/4;强度却是钢的3倍以上。
是目前世界上强度最高的纤维，因此在航空航天工业上具有广泛应用前景。
碳纤维已在军事、汽车、体育用品等领域获得广泛应用。
3.碳纤维具有高比强度和比模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等特点，并可制成各种形状复杂的复合材料制品，如航空航天中用于制造结构件的高强高模复合材料；体育用品中用于制造运动鞋和运动器械；汽车工业中用于制造车身、底盘等。
—— 1 —1 —。
碳纤维介绍
进行预氧化处理的原因：
PAN的Tg低于100℃，分解前会软化熔融，不能直 接在惰性气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化处 理，使PAN的结构转化为稳定的梯形六元环结构，就 不易熔融。另外，当加热足够长的时间，将产生纤维 吸氧作用，形成PAN纤维分子间的化学键合。
碳化：
在400℃～1900℃的惰性气氛中进行，碳纤 维生成的主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等 非碳元素，改变了原PAN纤维的结构，形成了 碳纤维。碳化收率40％~45％，含碳量95%左右。
芳纶纤维是苯二甲酰与苯二胺的聚合体，经溶
解转为液晶纺丝而成。
(1) 分子链由苯环和酰胺基按一定规律排列而成，具有良好 的规整性。致使芳纶纤维具有高度的结晶性。
(2) 键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴向是高度 定向的，各聚合物链是由氢键作横向连结。
沿纤维方向的强共价键和横向弱的氢键，造成芳纶纤维 力学性能各向异性，即纤维的纵向强度高，而横向强度低。
将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰 纤维，然后再在惰性气氛中于高温下进行 焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他 非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状 物。此法用于制造连续长纤维。
以聚丙烯腈（PAN）为原料制造的碳纤维
PAN原丝制备碳纤维的过程分为三个阶段：
预氧化：200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况下进行
高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度
纤维的苯环结构，使它的分子链难于旋转。 高聚物分子不能折叠，又呈伸展状态．形成棒 状结构，从而使纤维具有很高的模量。
聚合物的线性结构使分子间排列得十分 紧密，在单位体积内可容纳很多聚合物分子。 这种高的密实性使纤维具有较高的强度。
苯环结构由于环内电子的共轭作用，使 纤维具有化学稳定性，不发生高温分解。又 由于苯环结构的刚性，使高聚物具有晶体的 本质，使纤维具有高温尺寸的稳定性。
碳纤维定义
碳纤维定义碳纤维carbon fibre碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。
有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH溶液中，时间已过去20多年，它至今仍保持纤维形态。
碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维。
其中含碳量高于99％的称石墨纤维。
碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。
但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。
因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。
碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。
碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。
以前，以美国为首的巴黎统筹委员会(COCOM)，对当时的社会主义国家实行禁运封锁政策，1994年3月，COCOM 虽然已解散，但禁运封锁的阴影仍笼罩在上空，先进的碳纤维技术仍引不进来，特别是高性能PAN基原丝技术，即使我国进入WTO，形势也不会发生大的变化。
因此，除了国人继续自力更生发展碳纤维工业外，别无其它选择。
碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。
通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量为100GPa左右。
高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。
碳纤维材料概述
碳纤维材料概述碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。
它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
碳纤维具有许多优良性能，如轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好等。
碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
在国防军工和民用方面都是重要材料。
它具有许多优点，例如高强度、高刚性、低密度、良好的耐腐蚀性和抗疲劳性等。
这些特性使得碳纤维在汽车、航空航天、军事、体育和建筑等领域得到广泛应用。
总的来说，碳纤维是一种具有重要应用价值的材料，在各个领域中都有广泛的应用。
对于想要了解更多关于碳纤维信息的人，可以查阅相关书籍或者咨询专业人士。
除了上述提到的应用领域，碳纤维还可以应用于更多的领域。
以下是几个例子：1. 能源领域：碳纤维可以用于制造高效能电池，如燃料电池和锂离子电池。
此外，碳纤维还可以用于制造太阳能电池板，提高其效率和稳定性。
2. 医疗领域：碳纤维具有很好的生物相容性和耐腐蚀性，可以用于制造医疗器械，如手术器械、假肢和药物载体等。
3. 环境领域：碳纤维可以用于制造环保材料，如碳纤维回收塑料和碳纤维空气净化器等。
4. 建筑领域：碳纤维可以用于加固建筑物和桥梁等结构，提高其稳定性和耐久性。
5. 交通领域：碳纤维可以用于制造轻量化交通工具，如碳纤维自行车、电动车和汽车等，提高其性能和安全性。
总之，碳纤维是一种具有广泛应用价值的材料，未来随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，碳纤维将会在更多的领域得到应用。
碳纤维及其应用技术
碳纤维及其应用技术1. 引言1.1 什么是碳纤维碳纤维是一种由碳原子构成的纤维材料，具有很高的强度和轻质的特点。
碳纤维可以通过将聚丙烯、聚丙烯腈等聚合物纺丝成纤维后再经过碳化等工艺制备而成。
碳纤维的直径通常在5-10微米左右，比钢铁轻，但强度却比钢铁更高。
由于碳纤维具有优异的机械性能和化学稳定性，因此被广泛应用于航空航天、汽车工业、体育用品制造和建筑领域等领域。
碳纤维的轻量化和强度优势使其成为工业领域的热门材料之一，其在可持续发展和资源节约方面也具有巨大的潜力。
通过不断创新和技术进步，碳纤维材料将在未来的工业发展中发挥更加重要的作用，推动工业革命的进程，并在环保和绿色生产方向上发挥积极作用。
1.2 碳纤维的特点碳纤维是一种由碳原子构成的纤维材料，具有以下主要特点：1. 高强度：碳纤维的拉伸强度非常高，是钢的几倍甚至几十倍。
这使得碳纤维在工程领域中被广泛应用于要求高强度材料的领域。
2. 轻质：碳纤维具有非常低的密度，比铝轻，比钢更轻。
使用碳纤维可以减轻结构物的重量，提高整体性能。
3. 刚性：碳纤维具有很高的刚性，具有很好的抗弯和抗压性能。
这使得碳纤维制品具有优异的稳定性和耐用性。
4. 耐腐蚀：碳纤维具有很好的抗腐蚀性能，不受化学腐蚀和氧化的影响，能够在恶劣环境下长时间稳定运行。
5. 导电性：碳纤维具有良好的导电性，可用于制造具有电导特性要求的产品。
碳纤维的特点使其成为一种非常优秀的材料，具有广泛的应用前景和市场价值。
在不断的研发和创新中，碳纤维将会发挥更大的作用，推动各行业的发展和进步。
1.3 碳纤维在工业中的重要性碳纤维具有优异的机械性能，具有很高的强度和刚度，同时具有较低的密度，使得碳纤维成为一种理想的轻量化材料。
在工业生产中，轻量化材料可以减轻设备和产品的重量，提高产品的性能，并降低能源消耗。
碳纤维具有良好的耐腐蚀性能和耐磨损性能，能够抵抗化学腐蚀和高温作用，适用于各种恶劣环境下的使用。
这使得碳纤维广泛运用在化工、航空航天、汽车等领域，保证设备和产品的长期稳定运行。
碳纤维物理考点归纳总结
碳纤维物理考点归纳总结碳纤维作为一种重要的材料，在物理学中有着广泛的应用和研究。
本文将对碳纤维的物理学考点进行归纳总结，旨在帮助读者更好地理解和掌握碳纤维的相关知识。
一、碳纤维的基本结构碳纤维是由碳元素组成的纤维状材料，具有较高的强度和刚度。
其基本结构由碳原子排列而成，呈现出类似于石墨的晶格结构。
碳纤维的结构决定了其独特的物理特性。
二、碳纤维的导电性质碳纤维具有良好的导电性，这是由于其结构中存在的π电子共轭系统所致。
碳纤维的导电性可以通过电阻率和电导率来描述，其导电性在电子学和导电材料领域有重要的应用。
三、碳纤维的热性质碳纤维具有良好的热导性能和较低的热膨胀系数。
由于其结构中的碳原子间有较强的键结构，因此碳纤维的热导率较高。
此外，碳纤维的热稳定性也是其重要的特性之一。
四、碳纤维的光学性质碳纤维在光学上呈现出一些特殊的性质。
由于其结构中存在的π电子共轭系统，碳纤维能够吸收和散射光线。
此外，碳纤维还具有良好的透光性，在某些特定波段下能够表现出光纤的特性。
五、碳纤维的机械性能碳纤维具有优异的力学性能，具有较高的强度和刚度。
其强度可以通过抗拉强度和弯曲强度来描述，而刚度通常以弹性模量来衡量。
碳纤维的机械性能使其在航空航天、汽车制造等领域有着广泛的应用。
六、碳纤维的磁性质碳纤维在磁性上表现出一些特殊的性质。
由于碳纤维中的电荷分布不均匀，所以在外加磁场下会出现局部的磁性反应。
这使得碳纤维在磁材料的制备和磁传感器等领域具有潜在的应用价值。
综上所述，碳纤维作为一种特殊的材料，在物理学中有着许多重要的考点和研究内容。
通过对碳纤维的基本结构、导电性质、热性质、光学性质、机械性能和磁性质等方面的总结，我们可以更好地理解和应用碳纤维的相关知识。
希望本文对读者在学习和研究碳纤维物理学方面提供一定的参考和帮助。
碳纤维原理
碳纤维原理
碳纤维是一种由碳原子构成的纤维材料，具有很高的强度和轻质特性。
它的制备过程包括了石油基聚合物纤维原料经一系列加工工艺而得到，经纺纱、预浸料制备、炭化和高温石墨化等步骤，最终形成了具有优异性能的碳纤维材料。
碳纤维的优点之一是其在比重方面的轻量化特性。
由于碳纤维具有较低的密度，相比于许多金属材料，它的重量更轻。
这使得碳纤维在航空航天、汽车制造、体育器材等领域有广泛的应用。
此外，碳纤维还具有高强度和高刚性的特性，它的强度比钢铁高几倍，而且刚性也更好。
这些特性使得碳纤维在需要承受较大载荷的结构中表现出色。
碳纤维的原理主要依赖于其微观结构。
碳纤维的纤维内部由许多长而细的纤维束组成，而这些纤维束又是由许多更细的碳纤维单丝构成。
这种特殊的结构使得碳纤维具有优异的力学性能。
在拉伸力作用下，碳纤维单丝会承受拉力并传递给相邻的纤维，从而形成了纤维色散状结构，增加了整体材料的强度和韧性。
在碳纤维的制备过程中，还有一些影响其性能的关键因素。
其中最重要的一点是炭化处理，这是使碳纤维具有高强度和高模量的关键步骤。
在炭化过程中，纤维材料会经过高温处理，使得其中的杂质和非碳元素被去除，进而形成纯碳纤维。
炭化处理的温度和时间对最终碳纤维的性能有着重要影响，需要根据具体应用需求进行调控。
总的来说，碳纤维的原理依赖于其特殊的微观结构和制备过程。
通过控制材料组成和制备条件，可以获得具有优异性能的碳纤维材料，广泛应用于各个领域。
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知识点四 4.3.2 碳纤维的性能
碳纤维
1、力学性能
研究表明，影响碳纤维弹性模量的直接因素是晶粒的取 向度，而热处理条件的张力是影响这种取向的主要因素。取 向度越高，纤维的弹性模量越大。 碳纤维的力学性能除取决于纤维的结构外，与纤维的直
径 等 有 关 。 一 般 作 为 结 构 材 料 用 的 碳 纤 维 直 径 为 6μ m ～
产；
1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维投放市场。
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四
碳纤维
1988年，世界碳纤维总生产能力为10054吨/年，其中聚丙 烯腈基碳纤维为 7840 吨，占总量的 78 ％。日本是最大的 聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力约 3400 吨 / 年，占总
量的43％。
按碳纤维 性能分类
高性能CF
高强度CF （HS）
高模量CF （HM）
超高强CF （UHS） 超高模CF （UHM）
高强－高模CF
中强－中模CF 等
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知识点四
碳纤维
受力结构用CF 耐焰用CF
按碳纤维的 功能分类
导电用CF 润滑用CF
耐磨用CF
活性CF
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采用碳纤维复合材料制造汽车
构件不仅可使汽车轻量化，还 可以使其具有多功能性。例如， 用碳纤维增强树脂基复合材料 制造的发动机挺杆，利用其阻 尼减振性能，可降低振动和噪 声，行驶有舒适感。
碳纤维汽车弹簧片
知识点四
3、土木建筑上的应用
碳纤维
比如，短切碳纤维增强水
泥基复合材料可以制造各 种幕墙板，实现建材的轻 量化，特别是沿海建筑显 示出优异的耐蚀性。利用 碳纤维的导电性能可用来 制造采暖地板。
稳定；另外，碳纤维对碱也稳定。
碳纤维制品具有非常优良的X射线透过性，阻止中子透过
性，还可赋予塑料以导电性和导热性。
以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢强、比铝轻的特性， 是一种目前最受重视的高性能材料之一。它在航空航天、 军事、工业、体育器材等许多方面有着广泛的用途。
高分子材料专业 聚合物复合材料
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知识点四
碳纤维
4.3 碳纤维的制备与性能
4.3.1 制备
碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤维
为原料，采用间接方法来制造。
碳元素的各种同素异形体 ( 金刚石、石墨、非晶态的各种 过渡态碳)，根据形态的不同，在空气中在350℃以上的高 温中就会不同程度的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中 ( 常 压下 ) ，元素碳在高温下不会熔融，但在 3800K 以上的高 温时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。
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碳纤维制高级网球拍 全碳纤维自行车
碳纤维制高尔夫球杆
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碳纤维制赛艇及吉他
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知识点四
碳纤维
4.4.2 碳纤维的发展及未来
1、发展高性能、廉价碳纤维 2、大力研究和发展热导率高的碳纤维及其复合材料 3、研究开发不同热膨胀系数的碳纤维
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知识点四
耐热性：
碳纤维
在不接触空气或氧化性气氛时，碳纤维具有突出的耐热性， 在高于1500oC下强度才开始下降。
热膨胀系数：
CF的热膨胀系数具有各向异性的特点。 平行于纤维方向为负值 垂直于纤维方向为正值
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知识点四
热导率： 热导率具有方向性
碳纤维
平行于纤维方向： 16.74 W/(m· K) 垂直于纤维方向： 0.837 W/(m· K)
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知识点四
碳纤维
3、化学性能
另外，碳纤维还有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也 不脆化。 它还有耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子 等特性。
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知识点四
碳纤维
CF雷达天线罩
4.4 碳纤维的应用及发展前景
4.4.1 碳纤维及其复合材料的应用
知识点三
碳纤维
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知识点四
碳纤维
主要内容
4.1 碳纤维概述 4.2 碳纤维的特点和分类 4.3 碳纤维的制备与性能 4.4 碳纤维的应用和发展前景
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知识点四
碳纤维
4.1 碳纤维概 述
4.1.1 碳纤维的定义
碳纤维是由90%以上的碳元素组成的一种高性能增强纤 维。是有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是 一种非金属材料。
两次技术飞跃： 第一次：1964年以后，英美开发出热牵伸法，使聚丙烯腈
碳化纤维性能突破性提高。
第二次：日本东丽公司发明聚合催化环化原纤维，改变传 统工艺，周期短、产量高。
6
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知识点四
碳纤维
4.2 碳纤维的特点和分类
4.2.1 特点
碳纤维具有重量轻、比强度大、模量高、耐热性高； 化学稳定性好，除硝酸等少数强酸外，几乎对所有药品均
知识点四
碳纤维
碳纤维：碳化温度1200～1500oC，碳含量95％ 以上。 石墨纤维：石墨化温度2000oC以上，碳含量99
按制造条件 和方法分类
％以上。
活性碳纤维：气体活化法，CF在600～1200oC， 用水蒸汽、CO2、空气等活化。
气相生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有机物 在高温下沉积成纤维－晶须或短 纤维。
平均分子量在200以上，化学组成及结构千变万化，它们是结 构变化范围极宽的有机化合物的混合物。
优点：沥青资源丰富，成本可降低。在民用方面有很大潜力。
1965年日本群马大学的大谷衫郎研制沥青基碳纤维，并获 得成功。从此，沥青成为生产碳纤维的新原料，它成为目前碳 纤维生产仅次于PAN的第二大原料。
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知识点四
4、医疗器械和医用器材上的应用
碳纤维
碳纤维与生物具有良好的组织相容性继而血液相容性，可作
为生体植入材料。同时发现，碳纤维具有诱发组织再生功能， 促进新生组织的再生并在植入碳纤维周围形成。在医用器材 方面，可应用于外伤包扎带、医疗加热毯、灭菌除臭褥等。 5、体育娱乐器材上的应用 世界碳纤维总量的三分之一是用来制造体育娱乐器材。高档 的羽毛球拍、网球拍、钓鱼竿、高尔夫球棒和赛车等几乎都 是用碳纤维复合材料制备的。
碳纤维结构近乎石墨结构，比金刚石结构规整性稍差。
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知识点四 4.1.2 碳纤维的发展
碳纤维
碳纤维的开发历史可追溯到19世纪末期，美国科学家爱迪生 发明的白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生产的碳 纤维，则出现在二十世纪50年代末期。 1959年美国联合碳化公司以粘胶纤维 (Viscose firber)为原
CF制造过程中最主要环节：
原丝制备；
原丝预氧化；
预氧化丝碳化或进一步石墨化
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基本工艺流程
丙烯腈 共聚单体 引发剂 纺丝 湿纺 干湿纺
聚合
PAN
PAN 纤维
预氧化 空气介质 200-300oC 数十至数百分钟
OF
碳化 惰性气氛 1200-1500 oC 数分至数十分钟
碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。
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一般以有机纤维为原料制造CF的过程：
有机纤维
原丝 原丝的选择条件：
强度高，杂质少，纤度均匀，细旦化等。
预氧化处理
高温碳化
基本条件：
加热时不熔融，可牵伸，且CF产率高。
常用的CF原丝：
聚丙烯腈纤维、粘胶纤维、沥青纤维
缺点：
粘胶中含有大量的H、O原子，所以碳化理论收率仅 55%，实际收率约20～30%； 粘胶基CF强度较低，性能平衡性差，弹性系数较大。
优点：
瞬间耐烧蚀性能好，可用作火箭的内衬材料。
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以PAN（聚丙烯腈）为原料制造碳纤维
目前生产的高强、高模CF主要是用PAN纤维为原料 来制造的。
丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维。
1962年日本炭素公司实现低模量聚丙烯脂基碳纤维(PANCF) 的工业化生产;
1963年英国航空材料研究所开发出高模量聚丙烯脂基碳纤维；
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知识点四
碳纤维
1965年日本群马大学试制成功以沥青或木质素为原料的通 用型碳纤维； 1968年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol”的酚醛 纤维; 1970年日本昊羽化学公司实现沥青基碳纤维的工业规模生
CF
石墨化 惰性气氛 2000-3000 oC 数秒至数十秒
GrF CF 系列产品 深加工 表面处理
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以沥青为原料制造碳纤维
沥青：
除天然沥青外，一般将有机化合物在隔绝空气或在情性 气体中热处理，在释放出氢、烃类和碳的氧化物的同时，残 留的多环芳烃的黑色稠状物质称为沥青。其含碳量大于 70 ％，
温度升高，热导率下降。
密度： 在1.5~2.0g/cm3之间
密度与原丝结构、碳化温度有关。
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3、化学性能
碳纤维的化学性能与碳很相似。它除能被强氧化剂氧化
外，对一般酸碱是惰性的。
在空气中，当温度高于400 ℃时，则会出现明显的氧化， 生成CO和CO2。 在不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性。 当碳纤维在高于1500 ℃时，强度才开始下降；而其它类 型材料包括A12O3晶须在内，在此温度下，其性能已大大 下降。