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碳纖維簡介

碳纖維簡介

    碳纖維是含碳量高于90%以上的一種無機纖維。它是利用各種有機纖維在惰性氣體中、高溫狀態下碳化而制得。碳纖維具有十分優異的力學性能，是目前已大量生產的高性能纖維中具有最高的比強度和最高的比模量的纖維，特別是在2000℃以上的高溫惰性環境中碳材料是唯一強度不下降的物質，是其它主要結構材料所無法比擬的。

碳纖維的結構

    碳纖維的結構在分子尺度上類似于石墨，但并不是理想的石墨點陣結構，而是屬于亂層石墨結構。與石墨不同，碳纖維的分子之間沒有層狀結構，而是比較混亂的分布，這也是碳纖維能不像石墨一樣軟的原因。

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碳纖維的制備工藝

    根據碳纖維合成方式的不同，碳纖維有聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和黏膠基碳纖維等。

聚丙烯腈基碳纖維

    聚丙烯腈（PAN）基碳纖維由聚丙烯腈經紡絲、預氧、碳化幾個階段形成。PAN基碳纖維具有高強度、高剛度、重量輕、耐高溫、耐腐蝕、優異的電性能等特點，并具有很強的抗壓抗彎性能，一直在增強復合材料中保持著主導地位。目前，PAN基碳纖維仍是碳纖維市場中的主流。

聚丙烯腈環化

黏膠基碳纖維

    粘膠基碳纖維是由主要成分為纖維素的粘膠纖維經過脫水、熱解然后碳化而得來的。粘膠基碳纖維的三維石墨結構不發達，導熱系數小；石墨層間距大，石墨微晶取向度低，因此是理想的耐燒蝕和隔熱及熱防護材料。同時，粘膠基碳纖維是由天然纖維素木材或棉絨轉化而來，與生物的相容性極好，又可作為良好的環保和醫用衛生材料。 

    但是，由于生產粘膠基碳纖維的工藝流程較長，工藝條件苛刻，不適宜大批量生產，成本較高；另外，粘膠基碳纖維的整體性能指標比PAN基碳纖維的要差，綜合性能價格比在競爭中處于劣勢，因此從20世紀60年代以來其生產規模逐漸萎縮，目前產量已不足世界碳纖維產量的 １％。

瀝青基碳纖維

    瀝青基碳纖維是以石油瀝青或煤瀝青為原料，經瀝青的精制、紡絲、預氧化、碳化或石墨化而制成。瀝青基碳纖維的生產原料成本低于聚丙烯腈基碳纖維，但由于瀝青基碳纖維的生產工藝復雜，反而使其生產成本大大增加。此外，瀝青基碳纖維抗壓強度比較低，其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纖維，因此其生產規模和應用領域都受到了一定限制。不過，由于瀝青基碳纖維具有優良的傳熱、導電性能和極低的熱膨脹系數，因此仍在必須要求這些性能的軍工及航天領域發揮著獨特作用。

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碳纖維的性能

    碳纖維具有一系列優良的性質，最典型的的性質為高強度、高模量，其強度比鋼大4~5倍，彈性回復接近100%。

    除了高強高模以外，碳纖維還有密度小、質量輕的特點。碳纖維的密度為1.5~2g/cm3，相當于鋼密度的 1/4、鋁合金密度的1/2。

    除上述性質外，碳纖維還有一些性質可以用于特殊用途，如熱膨脹系數小，耐驟冷、急熱；摩擦系數小，并具有潤滑性；導電性好，25℃時高模量碳纖維的比電阻為 775μΩ／ｃｍ，高強度碳纖維則為1150μΩ／ｃｍ；耐高溫和低溫性好，在 3000℃非氧化氣氛下不熔化、不軟化，在液氮溫度下依舊很柔軟，也不脆化；化學穩定性好，對酸呈惰性，能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕。

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碳纖維的應用

航空航天

    在航空航天領域，對材料的重量有嚴格的要求。輕質高強的碳纖維復合材料（CFRP）成為解決這一難題的關鍵。它所具有的高比強度和比模量、性能可設計和易于整體成形等諸多優點，可以滿足航天結構高結構效率的要求，易于得到尺寸穩定的結構。自從CFRP 被廣泛應用于軍事、民用各個領域，尤其是航空航天領域后，其所展現出的優異特性使它已經成為一種不可或缺，同時又不可多得的多功能的特種工程材料。現在，CFRP 已經與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為航空、航天領域的四大結構材料。

波音787中用到的復合材料約占飛機結構重量的50%

國防軍工

    新武器裝備研制過程中的小型化、輕質化、高強度、長壽命、機動性、穩定性等都離不開碳纖維的應用，可以說碳纖維在國防軍工中有舉足輕重的影響。

風電葉片

    近年來，我國清潔能源的發展迅速，對風電設備有巨大的需求。傳統的葉片制造材料主要為玻璃纖維復合材料，而當葉片長度超過一定值后，葉片重量比較大，性能上也有較多不足，已經無法滿足風電葉片大型化，輕量化的要求。而碳纖維復合材料比玻璃纖維復合材料具有更低的密度，更高的強度，其突破了玻璃纖維復合材料的性能極限,而且可以保證風電葉片在增加長度的同時,重量大大降低了。

交通運輸

    在交通領域，碳纖維擴大應用的最大希望在于汽車業。國外的各大主要汽車廠家，均競相開發碳纖維復合材料（CFRP）化的節能、環保和 CFRP安全性汽車。新一代的汽車要求大大降低能耗，最重要的措施之一就是減輕汽車質量，用一般鋼材是不可能實現的，最有效的辦法就是應用復合材料。設計表明，一輛典型小車的碳纖維用量可超過 113kg，以此推算，僅滿足北美需求，碳纖維復合材料的需求量就達世界碳纖維總生產能力的100倍。因此碳纖維復合材料用作汽車材料，將具有廣闊的發展前景。

土木建筑

    隨著碳纖維成本的降低與復合材料制造技術的發展，土木建筑領域成為碳纖維復合材料應用的新市場。利用碳纖維復合材料棒材替代圓鋼，利用碳纖維片材加固或修復橋梁及建筑物，及利用碳纖維增強混凝土等將會有很大的發展。目前在土木建筑領域的應用主要是：復合材料棒材、纖維增強膠接層板、碳纖維增強混凝土、碳纖維復合材料板、碳纖維單向布等。

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總結

    碳纖維復合材料是一種高性能、多功能的先進復合材料。目前，國內外學者對于碳纖維復合材料的研究熱點主要集中于復合材料的制備與工藝優化以及復合材料及結構的損傷破壞和承載能力分析等領域。我國在碳纖維復合材料的研究方面起步不晚，但由于在復合材料的制備、性能分析和設計等方面還比較落后，與發達國家相比，碳纖維復合材料在國內相關領域特別是航空航天領域的應用還存在較大差距。要擴大碳纖維及其復合材料的應用范圍，應該一方面開發高性能的碳纖維，打破國外對我國的封鎖，滿足我國軍事、航空航天等行業的要求；另一方面研究開發有特色的具有自主知識產權的低成本碳纖維生產技術以及成型費用低的復合材料制造新工藝。相信隨著我國在碳纖維生產以及復合材料制備工藝領域的進一步發展，碳纖維及其復合材料在建筑、交通、化工等民用領域的應用前景將十分樂觀，而其在航空航天及軍事領域的應用也會更加廣泛。

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