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 Carbon Materials 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 现在的 F1 世界一级方程锦标赛 赛车 车身大部分 结构都用碳纤维材料 顶级跑车的一大卖点也是周身使用 碳纤维 用以提高气动性和结构强度 碳纤维可加工成织物 毡 席 带 纸及其他材料 传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外 一般不单独使 用 多作为增强材料加入到树脂 金属 陶瓷 混凝土等 材料中 构成复合材料 碳纤维增强的复合材料可用作飞 机结构材料 电磁屏蔽除电材料 人工韧带等身体代用材 料以及用于制造火箭外壳 机动船 工业机器人 汽车板 簧和驱动轴等 人造卫星和飞机部件都需碳纤维 据了解 碳纤维材料是 一种具有很高强力和模量的耐高温纤维 是化纤的高端品 种 用碳纤维制造的复合材料具有质地强而轻 耐高温 防辐射 耐水 耐腐蚀等众多优点 碳纤维复合材料中的 CFRP 碳纤维增强塑料 则更是具有一般材料无法比拟的 特性 它的比重是铁的五分之一 强度却是铁的 10 倍 刚 性是铁的 7 倍 抗疲劳强度是铁的 2 倍 同时 还具有热 膨胀系数小 导电性强 耐振 耐水 耐腐蚀 不易生锈 拉伸强度和抗压强度大 韧性优异等特点 正是因为碳纤维有这么多的优点 所以它既能用来制造 航天飞机 也能用来作为 iphone 等高端手机的外壳 日本 超级树脂工业株式会社营业部 相当于中国企业的业务部 部 长古闲森淳告诉记者 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