碳及碳纤维复合材料.docx

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碳及碳纤维复合材料

碳及碳纤维复合材料

碳及碳纤维复合材料

碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。

拉丁语为：

Carbonium，意为“煤，木炭”。

汉字的“碳”字由木炭的“炭”字加石字旁构成，从“炭”字音。

碳是一种非金属元素，无臭无味的固体?

。

无定形碳有焦炭?

，木炭?

…等，晶体碳有金刚石和石墨。

冶铁和炼钢都需要焦炭。

在工业上和医药上，碳和它的化合物用途极为广泛。

碳是一种很常见的元素，它以多种形式广泛地存在于大气和地壳之中。

碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。

碳能在化学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。

生物体内大多数分子都含有碳元素。

碳也是生铁、熟铁和钢的成分之一。

碳单质很早就被人类认识和利用，如：

金刚石、石墨（如：

铅笔芯、干电池芯）…等。

碳纤维（carbon

fiber），碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。

顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

与传统的玻璃纤维（GF）相比，杨氏模量是其3

倍多；它与凯芙拉纤维（KF-49）相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。

有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH

溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。

碳材料主要有：

碳碳复合材料、碳纳米材料、碳纤维材料、新型碳材料?

…等。

低碳材料（Low

CarbonMaterials）：

意指能够在确保使用性能的前提下降低不可再生自然原材料的使用量。

制造过程低能耗、低污染、低排放,

使用寿命长，使用过程中不会产生有害物质，并可以回收再生产的新型材料。

低碳材料在生产、使用全过程实现节能减排，是可持续和面向未来的材料。

在复合材料的大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。

自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。

下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。

结构

　　碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。

碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。

碳纤维比重小，因此有很高的比强度。

　　碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。

　　碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa

以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。

因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/（g/cm3）以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/（g/cm3）左右，其比模量也比钢高。

碳纤维作为一种高性能纤维，因具有比强度高、比模量高、热膨胀系数小、摩擦系数低、耐低温性能良好…等特性而成为近年来树脂基复合材料最重要的增强材料。

用途

　　碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷…等基体复合，制成结构材料---碳纤维增强环氧树脂复合材料（碳纤维树脂），其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。

在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。

　　碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。

随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。

80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。

　　由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。

因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。

所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。

有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。

据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。

古闲森淳告诉记者。

诸多优点使碳纤维复合材料被广泛应用于机械、航空航天、船舶、压力容器、医疗设备、建筑材料、机车赛车、风电叶片、油田开发、体育娱乐用品等民用以及军事领域。

在这些领域，碳纤维都可以取代金属，我们熟知的波音747客机，50%以上的材料为碳纤维，这种轻便材料的采用，可节省大量燃油。

未来，汽车、赛车、摩托等零部件也将实现碳纤维材料的替换。

中国科学院先进材料领域战略研究小组在就中国先进材料研究的未来方向的探讨中也提到：

“2020年，高性能碳纤维主要应用于大型飞机、宇宙飞船、风力发电用叶片等领域。

”

碳纤维复合材料的现实应用主要有以下几个方面：

（1）宇航工业用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层;卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件;航天飞机机头,机翼前缘和舱门等制件;哈勃太空望远镜的测量构架,太阳能电池板和无线电天线。

（2）航空工业用作主承力结构材料,如主翼、尾翼和机体;次承力构件,如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等,此外还有C/C刹车片。

（3）交通运输用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件;船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇,以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆;海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。

（4）运动器材用作网球、羽毛球和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。

（5）土木建筑幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。

（6）其它工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐;催化剂,吸附剂和密封制品等。

生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。

编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。

其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。

优势

　　1、高强度（是钢铁的5倍）

　　2、出色的耐热性（可以耐受2000℃以上的高温）

　　3、出色的抗热冲击性，抗热冲击和热摩擦的性能优异。

　　4、低热膨胀系数（变形量小）

　　5、热容量小（节能），

比热容高，能储存大量的热能，导热率低。

　　6、比重小（钢的1/5，

密度1.7g/cm3左右），在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200℃时可保留室温强度；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。

　　7、优秀的抗腐蚀与辐射性能，

8、耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部,

C-C材料是一种升华-辐射型材料。

目前世界上最轻的固体材料——碳海绵

　　2013年3月，浙江大学高分子系高超教授的课题组制造出一种超轻物质，取名“碳海绵”，这是一种气凝胶，世界上最轻的一类物质，它的内部有很多孔隙，充满空气。

“碳海绵”可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状。

它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。

2011年，美国科学家合作制造了一种镍构成的气凝胶，密度为0.9毫克/立方厘米，是当时最轻的固体材料。

把这种材料放在蒲公英花朵上，蒲公英茸毛几乎没变形。

高超课题组这些年一直从事石墨烯宏观材料的研发。

他们用石墨烯制造出了气凝胶——“碳海绵”。

“碳海绵”每立方厘米重0.16毫克，比氦气还要轻，约是同体积大小氢气重量的两倍。

从当时公开的报道看，“碳海绵”是世界上最轻的固体。

这种“碳海绵”是用石墨烯制造的，研究称它可以用来处理海上原油泄漏事件，还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔前景。

“碳海绵”可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状。

它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。

现有吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”能吸收250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。

“碳海绵”这一特性可用来处理海上原油泄漏事件——把“碳海绵”撒在海面上，就能把漏油迅速吸进来，因为有弹性，吸进的油又挤出来回收，碳海绵也可以重新使用。

另外，“碳海绵”还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔前景。

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