21世纪的“新材料之王”——碳纤维

2021-08-27 20:00:23 admin 2

21世纪的“新材料之王”——碳纤维

碳纤维被誉为21世纪的“新材料之王”,最初用于航空航天等高端行业,近年来,随着技术的成熟和成本的下降,碳纤维逐渐卸下“高冷”面具,越来越多地应用在民用及消费类产品等各个领域。

碳纤维布
根据广州赛奥发布的2020年碳纤维市场报告显示,2020年,国内碳纤维需求4.88万吨,同比增长29%,国产纤维占比38%,同比增长53.8%。由于国内大力发展风电产业,碳纤维市场供不应求,增长迅速,国产占比也在逐年增加。下面我们就从碳纤维的种类、性能以及应用,来了解这种高性能纤维。

一、碳纤维的种类和性能


碳纤维(Carbon Fiber,简称 CF)是有机纤维(粘胶基、沥青基、聚丙烯腈基纤维等)在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构的无机纤维,是一种含碳量高于 90%的无机纤维。不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。
碳纤维布


1. 碳纤维的分类

碳纤维可以按照原丝种类、力学性能、丝束规格等进行分类。

  • 按原丝类型可分为:聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维和酚醛基碳纤维4大类。

其中,PAN基碳纤维由于生产工艺相对简单,产品力学性能优异,用途广泛,占碳纤维总量的90%以上;沥青基、粘胶基、酚醛基的产量规模较小。碳纤维的性能在很大程度上决定于原丝的质量。

  • 按形态可分为:长丝、短纤维和短切纤维。

  • 按力学性能可分为:通用型和高性能型。

通用型碳纤维强度为1000MPa,模量为100GPa左右,高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000MPa)和高模型(300GPa)

  • 按照每束碳纤维中单丝根数,碳纤维可以分为:小丝束和大丝束两大类别。

一般按照碳纤维中单丝根数与 1000 的比值命名,如12K、24K。

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2. 碳纤维的主要性能特点


1)比重轻,密度是钢的 1/4,是铝合金的 1/2 ;

2)强度高,抗拉强度在 3500 MPa 以上,比强度为钢的10 倍;

3)模量高,弹性模量在 230 GPa 以上;

4)耐超高温,在非氧化气氛条件下,可在 2000℃时使用;

5)耐低温,在-180℃低温下,碳纤维依旧具有弹性;

6)耐酸、耐油、耐腐蚀、耐久性强;

7)热膨胀系数小,导热系数大,耐急冷急热,即使从 3000℃的高温突然降到室温也不会炸裂;

8)耐磨性好;

9)导电性能良好。


3. 碳纤维的应用形式


目前已经成熟的碳纤维应用形式有四种:

1)碳纤维:主要以“缠绕成形法”应用为主;

2)碳纤维织物:主要以“树脂转注成形法”应用为主;

3)碳纤维预浸料:将连续碳纤维或碳纤维织物经树脂浸渍、加热和塑化,成为预浸料;

4)短切碳纤维:短纤维与塑料、金、橡胶等材料进行复合,以增强材料的强度和耐磨性。

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