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      盤點碳纖維的主要分類、特性和潛在用途
      時間:2021年06月28日 來源:本站原創  作者:佚名 瀏覽次數:

      碳纖維是直徑約5-10微米的纖維,主要由碳原子組成。碳纖維具有剛度高、抗拉強度高、重量輕、耐化學腐蝕、耐高溫、熱膨脹小等優點。這些特性使得碳纖維在航空航天、土木工程、賽車運動以及其他競技運動中非常受歡迎。但是,與玻璃纖維或其他塑料纖維等類似纖維相比,它們相對昂貴。

      01 碳纖維的分類

      為了滿按照前驅體纖維類型,碳纖維可以分為:
      聚丙烯腈(PAN)基碳纖維
      瀝青基碳纖維黏膠基碳纖維
      其他類型碳纖維(如木質素基碳纖維、聚丙烯基碳纖維等等)

      按照纖維力學性能(拉伸模量),碳纖維可以分為
      超高模量碳纖維(Ultra-high-modulus,UHM,模量>500GPa)
      高模量碳纖維(high-modulus,HM,模量350-500GPa)
      中等模量碳纖維(Intermediate-modulus,IM,模量250-300GPa)
      標準模量碳纖維(Standard-modulus,模量230-250GPa)
      低模量碳纖維(Low modulus,LM,模量<100Gpa,抗拉強度>3.0Gpa)

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      根據最終熱處理溫度,碳纖維分為:
      I型,高熱處理碳纖維(high-heat-treatment,HTT),最終熱處理溫度在2000°C以上,可與高模量型碳纖維相關聯
      II 型,中間熱處理碳纖維 (intermediate-heat-treatment,IHT),最終熱處理溫度在 1500°C 左右或以上,可以與高強度型碳纖維相關聯
      III 型,低熱處理碳纖維,最終熱處理溫度不超過 1000°C。這些是低模量和低強度碳纖維材料。

      02 碳纖維的特性

      據有高強度重量比(也稱為比強度):材料的強度是失效時每單位面積的力除以其密度。任何堅固且輕便的材料都具有良好的比強度,如鋁、鈦、鎂、碳纖維、玻璃纖維、高強度鋼合金等。

      非常堅硬:材料的剛性或剛度通過其楊氏模量(拉伸模量)來衡量,來反映材料在應力下的撓曲程度。碳纖維增強塑料的硬度是玻璃纖維增強塑料的 4 倍以上,幾乎是松木的 20 倍,是鋁的 2.5 倍。

      耐腐蝕且化學穩定:雖然碳纖維本身不會變質,但環氧樹脂對陽光很敏感,需要加以保護。

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      抗疲勞性好:碳纖維復合材料的抗疲勞性很好,測試表明,當循環應力與纖維取向一致時,失效不太可能成為問題。碳纖維在疲勞強度和靜態強度以及剛度方面均優于 E 玻璃。

      耐火/不可燃:根據制造工藝和前驅體材料,碳纖維可以非常柔軟,可以制成或更經常集成到消防防護服中。因為碳纖維在化學上也是非常惰性的,它可以在有火與腐蝕劑結合的地方使用。

      熱膨脹系數低:這是衡量材料在溫度升高或降低時膨脹和收縮的程度。低熱膨脹系數使碳纖維適用于至關重要的應用。如望遠鏡和其他光學機械。

      無毒、生物惰性、可透過 X 射線:這些特點使碳纖維可用于醫療應用。假肢使用、植入物和肌腱修復、X 射線附件手術器械都在開發中。

      碳纖維主要劣勢在于:盡管它提供了強度、剛性和輕量化的特殊優勢,但成本是一個不利因素。此外,由于纖維層與層之間由強共價鍵形成,片狀聚集體很容易使裂紋擴展,因此碳纖維很脆,當纖維彎曲時,它們會在非常低的應變下失效。

      03 碳纖維的特性應用

       

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      (主要參考:Carbon Fibres: Production, Properties and Potential Use)

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