碳纖維是一種聚合物,也稱為石墨纖維,因?yàn)樗怯善瑺钍⒕У扔袡C(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料,所以它非常堅(jiān)固,同時(shí)又非常輕巧。碳纖維相比鋼,不僅強(qiáng)度是鋼的五倍,剛性更是鋼的兩倍,而且比鋼輕得多。使其成為許多零件的理想制造材料。這些只是碳纖維在制造中受到工程師和設(shè)計(jì)師青睞的幾個(gè)原因。
碳纖維比人類的頭發(fā)細(xì),當(dāng)像紗線一樣纏繞在一起時(shí),碳纖維就可以增強(qiáng)強(qiáng)度。所以可以將其編織在一起以形成布料,如果需要采用永久性形狀,只需要再將碳纖維鋪在模具上,然后涂上樹脂或塑料的簡(jiǎn)單加工就完成了。
因?yàn)樘祭w維剛性高,抗拉強(qiáng)度高,重量強(qiáng)度比低,高耐化學(xué)性,耐高溫,熱膨脹率低,因此,碳纖維在航空航天,汽車,軍事和娛樂應(yīng)用等許多行業(yè)中非常受歡迎。
碳纖維簡(jiǎn)史:
碳纖維的歷史可以追溯到1879年,英國(guó)人斯旺最早用碳絲制造電燈泡的燈絲,后來托馬斯·愛迪生(Thomas Edison)在高溫下烘烤棉線或竹子銀,然后將其碳化成全碳纖維長(zhǎng)絲,做出了實(shí)用的白熾燈碳燈絲。不過由于1910年庫(kù)里奇發(fā)明了拉制鎢絲的方法,燈絲全面改用鎢絲,早期的碳纖維研究被打入冷宮。到1958年,在俄亥俄州克利夫蘭郊外發(fā)明了高性能碳纖維。盡管這些纖維效率低下,但它們包含約20%的碳,并且強(qiáng)度和剛度特性低。1963年,在英國(guó)的一個(gè)研究中心開發(fā)了一種新的制造工藝,在那里,碳纖維的強(qiáng)度潛力得以實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)50年代以后,為了解決導(dǎo)彈噴管和彈頭耐高溫和耐腐蝕等問題,美國(guó)研制出粘膠基碳纖維。雖然它已發(fā)展頗久,在民用領(lǐng)域的技術(shù)卻還不成熟。真正高強(qiáng)度的碳纖維制造成本居高不下,導(dǎo)致推廣起來也極其不易。
碳纖維制造工藝概述:
碳纖維由部分化學(xué)和部分機(jī)械的過程制成。首先,將長(zhǎng)束纖維拉長(zhǎng),然后將其加熱到很高的溫度,同時(shí)不允許與氧氣接觸,以防止纖維燃燒。這是發(fā)生碳化的時(shí)間,即纖維內(nèi)部的原子劇烈振動(dòng),從而排出了大部分非碳原子。這樣就留下了由長(zhǎng)且緊密互鎖的碳原子鏈組成的纖維,僅剩下少量非碳原子。
由聚丙烯腈形成碳纖維的典型步驟包括紡絲,穩(wěn)定化,碳化,處理表面和上漿。
碳纖維可以做什么?
因?yàn)樘祭w維是許多材料的輕質(zhì)替代品,所以,碳纖維幾乎能替代所有的制品,比如自行車車架,飛機(jī)機(jī)翼,汽車傳動(dòng)軸,管道,貨柜,螺旋槳葉片,汽車零件,運(yùn)動(dòng)器材等。
碳纖維目前在汽車制造上有著顯著的效果,碳纖維復(fù)合材料可以將乘用車重量減少50%,這將使燃油效率提高近35%,而不會(huì)影響汽車的性能或乘員的安全性。這是車輛制造歷史上的又一個(gè)里程碑。
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