碳纤维：增强纤维的力学性能

1.碳纤维的概念

碳纤维(CarbonFiber,CF)是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000 ℃以上的高温下碳化形成,含碳量在95%以上的新型纤维材料。用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而属于乱层石墨结构,如图10-9所示。

图10-9　碳纤维示意

碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性,还兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。碳纤维已广泛应用于军事及民用工业等领域,如图10-10和图10-11所示。

图10-10　碳纤维产品

图10-11　碳纤维丝束

2.碳纤维的性质

(1)碳纤维的力学性能。碳纤维是一种力学性能优异的新材料。其比重不到钢的1/4,比铝还要轻,但抗拉强度是钢材的2倍、铝的6倍。碳纤维模量是钢材的7倍、铝的8倍,见表10-1。同钛、钢、铝等金属材料相比,碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点,可以称为新材料之王。(www.xing528.com)

表10-1　不同种类碳纤维的力学性能

续表

由于使用碳纤维材料可以大幅降低结构质量,因而可显著提高燃料效率。采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机及卫星、火箭等宇宙飞行器,噪声小,而且因质量小而动力消耗少,可节约大量燃料。据报道,航天飞行器的质量每减少1kg,就可使运载火箭减轻500kg。

(2)碳纤维的物理性质。碳纤维的物理性质如下:

1)碳纤维的密度为1.5～2.0g/cm3,这除与原丝结构有关外,主要取决于炭化处理的温度。一般经过高温(3000 ℃)石墨化处理,其密度可达2.0g/cm3。

2)碳纤维的热膨胀系数与其他纤维不同,有各向异性的特点。平行于纤维方向是负值(－0.90×10－6 ～－0.72×10－6K－1),而垂直于纤维方向是正值(22×10－6 ～32×10－6 K－1)。

3)碳纤维的比热容一般为7.12×10－1kJ/(kg·K)。热导率随温度升高而下降。

4)碳纤维的比电阻与纤维的类型有关,在25 ℃时,高模量碳纤维为775 μΩ/cm,高强度碳纤维为1500μΩ/cm。碳纤维的电动势为正值,而铝合金的电动势为负值。因此,当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生化学腐蚀。

(3)碳纤维的化学性质。碳纤维的化学性质与碳相似,它除能被强氧化剂氧化外,对一般碱性是惰性的。在空气中,温度高于400 ℃时则出现明显的氧化,生成CO 与CO2。在不接触空气和氧化剂时,碳纤维具有突出的耐热性能,与其他材料相比,碳纤维在温度高于1500℃时,其强度才开始下降,而其他材料的耐热性能早已大幅下降。另外,碳纤维还具有良好的耐低温性能,如在液氮温度下也不脆化,它还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和减速中子等特性。