碳纤维在生活领域中应用

什么是碳纤维?

顾名思义,碳纤维(Carbon Fiber)是一种纤维状的碳素材料,含碳量在90%以上,直径一般为5~7微米,约为成年人头发直径的十分之一。每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成,直径大约5至8微米。在原子层面的碳纤维跟石墨很相近,是由一层层以六角型排列的碳原子所构成。两者差别在于层与层之间的连结。石墨是晶体结构,它的层间连结松散,而碳纤维不是晶体结构,层间连结是不规则的。这样便防止滑移增强物质强度。

它是如何被发现的?

碳纤维的起源可追溯到19世纪后期,美国人爱迪生(Edson)用碳丝制作灯泡的灯丝,从而发明了电灯,给人类社会带来了光明。但是在20世纪初期,美国通用电器公司的库里基(Coolidge)发明了用钨丝取代碳丝作为灯丝,并一直沿用至今。这使得碳丝一度退出了历史舞台。直到20世纪50年代,在美苏冷战和争霸的时代背景下,为了解决战略武器的耐高温和耐烧蚀材料,碳纤维再次进入人们的关注视角。并自此以后,在材料科学领域掀起了碳纤维研究与开发热潮,各种有机纤维被用来尝试制备碳纤维。

进藤昭男(Shindo)—PAN基碳纤维世界第一人

东丽公司(Toray)—-世界上最大碳纤维生产商

它有哪些特性?

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碳纤维作为一种高性能纤维,具有十分优异的力学性能,拉伸强度约为2~7GPa,拉伸模量约为200~700GPa。再加上它的重量很轻,密度约为1.5~2.0g/cm3,仅为钢的四分之一,这使得碳纤维在所有高性能纤维中具有最高的比强度和比模量。除此之外,碳纤维还具有许多其它优良性能,如耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、耐疲劳、热膨胀系数低、良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。在没有氧气存在的情况下,碳纤维能够耐受3000℃以上的高温,这是其他任何纤维材料无法与之相比的。而且,碳纤维对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性,完全不存在生锈的问题。

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如此优异的性能使碳纤维成为了材料科学与工程领域的耀眼明星。但碳纤维很少单独使用,一般只通过与树脂、金属或者陶瓷等基体材料进行复合后再使用。碳纤维已成为先进复合材料最重要的增强材料。由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面积整体成型等特点,目前已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。

生活中哪里会需要它?

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那么它是怎么做出来的呢?

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碳纤维的应用产品不胜枚举。随着性能的进一步提升和价格的大幅降低,碳纤维的应用领域必将得到更宽广的拓展。可以预见将来碳纤维不但会在高、精、尖领域大显身手,而且还会成为普通民众日常生活中最亲密、最信赖的朋友。

 

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