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行业动态

你了解么?碳纤维的世界竟是如此神奇!

碳纤维是一种轻质高强度的材料,在汽车和飞机上就有很多碳纤维材料组件。它可以被用来制造几乎任何东西,自行车、高尔夫球杆甚至钱包,都可以用碳纤维制造。不过由于其制备工艺的复杂性和原料的高成本,目前碳纤维应用还不广泛。

1、复杂的工艺流程

碳纤维也可以被称为“复合材料”,它是一种非常精巧的材料,具有非常卓越的性能。在同等尺寸大小下,碳纤维往往比金属的硬度更强,密度更小,这就是为什么碳纤维常常被用于车体外板和喷射式涡轮当中的原因。硬度这个性质其实包括了很多衡量指标。具体来说,碳纤维的抗张强度(即对抗拉伸的能力)是钢的4倍,铝的8倍。而它抗弯曲的能力也比钢材和铝材大得多。并且,尽管碳纤维强度很大,但是它的质量却并不重,相反地,碳纤维的质量只有同体积钢的三分之一。

碳纤维的优异性能得益于它的组成物和制备时添加的胶或环氧树脂,碳纤维是由处理过的碳素长丝制成的,碳丝的厚度比人的头发还要细。制备时添加的环氧树脂能够让各种材料充分混合,并“硬化”。其制备方法大同小异,都需要经过上述的“原丝制备和上浆”过程。

没有添加树脂的原丝还称不上是碳纤维。将碳纤维浸泡在环氧树脂中,并用使之成型。长线轴中的原丝是被冷处理过的,为了防止树脂固化,而当这些原丝被放置在模具表面上时,机械会瞬间加热它,让它马上固化。

在经过原丝制备、上浆处理后,等到碳纤维固化了,产品就真正做好了。碳纤维在固化过程中可能会发生化学反应,生成原丝材料中不含碳的物质,导致纤维颗粒之间的团聚作用力更加强。

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用碳纤维材料制成的涡轮组件

2、为什么是“碳”纤维?

碳纤维往往在需要刚度和轻质的地方却是无可替代的,这可能是因为碳原子的特性,科学研究表明碳原子非常容易和其他原子成键。

碳元素是一种非常有意思的元素,自然界中最坚硬的东西(金刚石)是碳单质,硬度最低的物质之一(石墨)也是碳单质。一般来说,用碳制备的材料和用其他单质制得的材料物性一样,都跟原子/分子成键的方式以及原子/分子团聚的方式有关。

碳原子间的成键方式决定了材料的性质。对石墨材料,碳原子是一层层堆积的,同一平面上的碳原子间所成的键非常强,但平面间的碳原子所成的键比较弱,这使得石墨材料非常容易分离(也使得石墨导电性能非常好)。而对于金刚石,碳原子成的键是三维的,晶胞属于四方晶格,尽管单个键的键能比石墨的键能要低,但是它所有方向的键能都是相同的(表面原子除外),因此材料整体显得坚硬得多。

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石墨的晶胞属于六方晶系

碳纤维的原丝制备使用的原材料中,最常用的是聚丙烯氰纤维,即“PAN”,由C、H、N三种元素组成。得到的原丝非常的细,一般不到10微米厚。原料中的碳原子结构类似石墨分子,并会在处理过程中变为牢固的六方结构。

3、织布机上开出的“碳纤维之花”

碳纤维的布状纹理和结构决定了它无法轻易成型,而成型是制备过程中必须经过的一步。通常情况下,碳纤维是被织布机“纺织”成型的。

不过除了这种纺织成型的方式外,还有一种利用模具成型的方式。碳纤维“布”通常都会有特殊的纹理和图案,这些导致了布本身的性质有差异。对某种特定的布,它可能在水平和竖直方向上的抗拉强度都不错,但在对角线放上却很容易发生形变。不同的碳纤维布会在不同的轴方向上体现出抗拉性,但总有一个方向的抗拉强度并不高。

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当然,完全成型的碳纤维在任何方向上的抗拉强度都是很大的。通常,会将不同纹理的碳纤维布叠在一起成型,这样一来,得到的产物就在各个方向上都能达到预期的抗压强度,让整个碳纤维都显得很坚硬。

4、碳纤维的“缺陷”

碳纤维材料也有一个缺点,那就是它的脆性可能很大。尽管碳纤维的强度很高,但是它的晶格结构比刚和铝更容易破碎。

为什么不用碳纤维来制备所有的东西呢?跟成本有很大关系。碳纤维的制备工艺决定它并不能像其他化工产品一样大量生产,它的工艺流程非常的复杂(包括原丝制备,上浆,固化)。除此之外,碳纤维制备使用的原料也并不便宜。

所以,这并不是碳纤维材料的问题,只要负担得起高昂的成本,你可以用碳纤维制造任何你想要的物品。比如买自行车,只要你愿意付比铝材自行车多3到10倍的价钱,那么你当然可以拥有一辆碳纤维自行车。在进口车辆中,碳纤维材料非常的常见,甚至一些非常平价的车,比如雪佛兰科尔维特,也使用了碳纤维材料,只要不在意价钱,你能为你的爱车买到各种碳纤维组件,也能为你自己买到各种碳纤维生活用品。

特别是在航天等高科技领域,碳纤维的性价比是非常高的。最新的空客和波音飞机(波音787和空客A350)的扇涡轮片都使用大量的碳纤维材料。碳纤维卓越的性能,轻质、强度高,完全抵消了制造成本高的瑕疵。波音公司在787的生产过程中发现,通常碳纤维材料并不像金属材料一样会出现焊接纹或裂纹,而在42架等待交付的飞机的翼板上却发现碳纤维材料出现了应力破裂,因而不得不返工,原因显示在缝隙间没有填充垫片,导致应力过大。看来新材料的应用也是一项很有挑战性的工作。

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点击次数:  更新时间:2018-01-11  【打印此页】  【关闭