发布于:2019年11月08日
碳纤维也称为石墨纤维或碳石墨,是由非常细的碳元素线组成。碳纤维具有很高的抗拉强度,并且其尺寸非常坚固。实际上,碳纤维可能是目前最坚固的材料。每根碳纤维的直径为5-10微米。为了让您感觉到有多小,一微米(um)为0.000039英寸。一根蜘蛛网丝通常在3-8微米之间。
碳纤维的刚度是钢的两倍,硬度是钢的五倍。它们还具有很高的耐化学性,并且具有高温耐受性和低热膨胀性。
碳纤维在工程材料,航空航天,高性能车辆,运动器材和乐器中的应用很重要-下面仅举几例。
原料
碳纤维是由有机聚合物制成的,有机聚合物由被碳原子保持在一起的长串分子组成。大多数碳纤维(约90%)是由聚丙烯腈(PAN)工艺制成的。少量(约10%)是通过人造丝或石油沥青工艺生产的。制造过程中使用的气体,液体和其他材料会产生特定的效果,质量和等级的碳纤维。具有最佳模量性能的最高等级碳纤维可用于要求严格的应用,例如航空航天。
碳纤维制造商在使用的原材料组合方面彼此不同。他们通常将其特定配方视为商业秘密。
制造过程
在制造过程中,称为前体的原材料被拉成长条或纤维。碳纤维被编织成织物或与其他材料缠绕或缠绕成期望的形状和尺寸。
通过PAN工艺制造碳纤维通常分为五个部分。这些是:
纺纱,PAN与其他成分混合并纺成纤维,然后洗涤并拉伸。
稳定,化学改变以稳定键合。
碳化,稳定的纤维加热到很高的温度,形成紧密结合的碳晶体。
处理表面,纤维表面被氧化以改善粘合性能。
浆纱,将纤维涂覆并缠绕到线轴上,然后将其装载到纺丝机上,将纤维捻成不同尺寸的纱线。代替织成织物,纤维可以形成复合物。为了形成复合材料,加热,加压或真空将纤维与塑料聚合物粘合在一起。
制造瓶颈
碳纤维的制造面临许多挑战,包括:
恢复和维修成本高。
必须仔细调整表面处理过程,以免产生可能导致碳纤维缺陷的凹坑。
需要严格控制以确保质量一致。
健康与安全问题
皮肤过敏
刺激呼吸
由于碳纤维具有很强的导电性,因此在电气设备中容易产生电弧和短路。
碳纤维的未来
由于其较高的拉伸强度和重量轻,许多人认为碳纤维是我们这一时代中最重要的制造材料。碳纤维在以下领域可能会发挥越来越重要的作用:
能源:风车叶片,天然气储存和运输,燃料电池。
汽车:目前仅用于高性能车辆,碳纤维技术正在广泛使用。通用汽车于2011年12月宣布,正在研究碳纤维复合材料以用于汽车的批量生产。
建筑:轻质预制混凝土,防震。
飞机:国防和商用飞机,无人机。
石油勘探:深水钻井平台,钻杆。
碳纳米管:半导体材料,航天器,化学传感器和其他用途。
2018年,碳纤维市场规模为28.5亿美元。预计到2024年,市场规模将扩大到310亿美元。要实现这一目标,必须降低成本并开发碳纤维制品新的应用。