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  20  专注高分子材料抗紫外线、抗黄变

知识普及,谈谈碳纤维材料


       一、碳纤维的历史。

       1860年,约瑟夫·斯旺第一次发现了碳纤维这种材料,只不过那还不是汽车的时代,而斯旺先生也把碳纤用在了那个年代对人类更重要的灯泡上,这也就是人类第一盏灯到来的起因。而到了1879年的时候,爱迪生把这专利买下来,并把碳纤维换成了钨丝,从此也就没碳纤维什么事了。直到1950年的时候,美军苦于要找一个熔点高、耐高温并且强度高的材料,才把碳纤维再次挖了出来,并且通过不断研发与改进,使碳纤维的性能更上一层楼。

       二、碳纤维的材料特性。

       碳纤维具有质量轻且强度高的特性,其比重在1.8左右,是铁的比重1/4左右,即便和比重为2.7的铝或者比重为2.5的玻璃纤维相比,依然是更轻的材料,而且强度及拉伸模量更佳。按比重等分的拉伸强度比较其约是铁的10倍,比重等分的拉伸弹性模量也大约是铁的7倍。这点正是碳纤维取代金属材料被确定为轻量化材料的原因。碳纤维有着抗疲劳、不生锈、化学性能、热稳定性优等多种特性,即便在严酷条件下也可以长期保持自身特性的可高度信赖的材料。

       三、碳纤维布的纹路。

      

      平纹编织的特点是经纱和纬纱以一上一下的规律交织。也就是经纬纱每隔一根纱就交错一次,所以交织点最多,使织物坚牢、耐磨、硬挺、平整,但弹性较小,光泽一般,平纹织物密度不可能太高,较为轻薄,耐磨性较好,透气性较好,布面均匀且正反面相同。这种碳纤维布的纤维束由于一直处于上下起伏的状态,纤维弯曲点比较多,在受拉伸过程中伸长率较高。





       斜纹编织纤维布具有与纤维束排布方向有一定夹角的斜向纹路,这个纹路方向上并不存在纤维束,而是由于纤维束经纬向编织过程,经向或纬向纤维束跳过两束纬向或经向纤维进行编织。这样就造成了斜纹编织布的斜向纹路特点。这种斜纹外观具有很强的立体感,用来做汽车改装制品,比如面板、引擎盖、排气筒等。

   


      缎纹编织布,它的特点是经线(或纬线)浮线较长,交织点较少,它们虽形成斜线,但不是连续的,相互间隔距离有规律而均匀,此纤维布结构形式称为缎纹组织。缎纹纤维布经纱和纬纱至少隔三根才交织一次,因此这种编织结构使织物密度更高,因而纤维布更加厚实。这种缎纹纤维布表面平滑匀整,质地柔软,富有光泽或稍呈纹路。这类纤维布强度低于平纹和斜纹。



       四、碳纤维的应用。

       碳纤维质量比金属铝轻,强度却高于钢铁,并具有耐腐蚀、高模量特性。因此碳纤维最先被应用于军用飞机、航天器等领域,以后在风力发电机叶片、豪华游艇、医疗卫生、休闲体育用品等诸多领域得到越来越广泛的应用。

      五、碳纤维原料来源。

      碳纤维按生产原材料可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。目前全球PAN基碳纤维的产量约占碳纤维总产量的90%,它是将聚丙烯腈(PAN)纤维或者人造树脂纤维这种有机纤维在非活性气体中进行高温碳化,分离掉碳以外的元素。在市场上销售的90%以上的碳纤维,是以PAN纤维为原料制成的PAN系碳纤维,权衡性能,成本,使用简易程度等方面因素后来看,它比人造树脂纤维更为优秀。

      六、碳纤维成品生产工艺。

      碳纤维成品的加工工艺非常多,不同工艺所需的设备及步骤也不一样,基本的生产步骤大都是:碳纤维丝——织布——预浸——设计——开发——裁料——卷料——成型——加工胶合——补磨涂装——包装。

      七、碳纤维产业现状。

       碳纤维自20世纪60年代起源于日本,历经几十年技术发展和市场培育,日本和美国已经实质上完成了对碳纤维核心技术和市场的垄断。世界各国企业中,日本的东丽(Toray)、东邦(Toho)、三菱丽阳(Mitsubishi)三家企业碳纤维产能最大、产品力学性能能品级齐全、规格丰富,堪称引领世界碳纤维发展的“三驾马车”。我国的碳纤维产业仍处于初级阶段。简单来说,国内碳纤维产业开始解决了“无”的问题。国产T300级和T700级碳纤维产品进入了国防和工业、体育若干领域应用。T800级碳纤维进入工程规模应用阶段。目前国产碳纤维的自给率只有20%左右,对外依存率仍然高达80%。

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