碳纤维材料简介

碳纤维材料简介

从爱迪生首先将竹子纤维碳化成丝制成电灯灯丝.开启了碳纤维应用的先河, 一直到今天碳纤维假肢力助'`刀锋战士'`皮斯托瑞斯让他在伦敦奥运会的赛场上大放异彩碳纤维这种一直被认为是非常神秘的高科技材料如今正逐渐走入大众的生活之中.我们周遭的很多产品上都或多或少地采用了这种材料,比如钓鱼竿、网球拍自行车、汽车零部件等目前国外设计师也已经开始尝试将这种高科技材料应用到家具产品中去, 给传统的家具行业注入了新的活力。

1 概述

碳纤维(C arb o n F .b e r .C F ) 是一种具有高强度和高模量的耐高温纤维是化纤的高端品种, 一般按原料

的不同可将碳纤维分为聚丙烯晴基(po lva er丫Ion ,tr, le )碳纤维、沥青(P lteh ) 基碳纤维和粘胶基(Vi so os e一ba sed) 碳纤维等。其中聚丙烯晴基碳纤维由于碳化率较高(4 0 % 一4 5 % ) , 且生产过程和本相对后两者要简单低廉因此他的产量也是最大的.是目前世界碳纤维的主流。但不论是哪种碳纤维, 其制造工艺都是十分复杂的简单来说以聚丙烯晴基碳纤维为例制备需完成以下两个基本过程:

(1) 热稳定氧化处理

纤维原丝通过含有氧气的高温炉体(20 0 ℃一3 0 0 C ) 材料受热软化.内部结构由原先的聚丙烯睛的线状结构, 转成较稳定且坚固的六角形排列。

(2) 碳化或石墨化

经过氧化处理后的原丝在惰性气体保护下加热至I0 0 0 C 以上的高温, 这时高分子结构中的氧、氢等元素会因受不了高温纷纷夺门而出.最后遗留下来的就只剩碳了。

制备完成后的碳纤维束一方面具有一般碳素材料的共有特性.如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等另一方面.从原子层面看碳纤维跟石墨很相似.是由一层层以六角型排列的碳原子所构成两者之间的差别在于石墨是晶体结构它的层间连结松散.而碳纤维层间连结是不规则的这样就可以防止层间的滑移.从而使碳纤维在沿纤维轴方

向表现出很高的强度。

2 材料特点

从以上对碳纤维材料的制备介绍我们可以知道材料的独特结构使其具有非常优异的物理化学性能碳纤维最优异的性能是比强度(抗拉强度/ 密度)和比模量(弹性模量/ 密度)超过一般的增强纤维。通常材料的比强度越高则构件自重愈小:比模量越高.则构件的刚度愈大.而碳纤维和树脂形成的复合材料的比强度和比模量比钢和铝合金还高出几倍, 这也是为什么现在越来越多需要高强度轻量化的产品都会使用这种材料的原因, 碳纤维也因此成为了`'轻量化“的代名词。

此外.碳纤维材料还具有以下一些特性

（1）极佳的耐热性(可耐20 0 0 c 的高温)和尺寸稳定性(热膨胀系数小)

（2）由于碳纤维与基体复合可缓和破坏裂纹的扩展因此其疲劳强度

非常高，

(3 ) 良好的耐腐蚀性和导电性以及电传导及电磁波屏蔽性

(4 )具有纤维般的柔曲性可编织和缠绕成型可加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等多种材料中制成复合材料应用灵活。

《家具》2 0 1 2 年第6 期