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哪些行业使用碳纤维?

哪些行业使用碳纤维?

碳纤维的独特性能使其成为众多行业各种应用的理想结构材料。

碳纤维复合材料已经在许多现有应用中取代了标准结构材料(即铝、钛和钢),并且还启用了新的应用和技术。

碳纤维:一种独特的材料刚性、强度和抗疲劳性是碳纤维最令人印象深刻的一些特性。含有这种纤维的复合材料每单位重量的刚度是钢的两倍,强度是钢的五倍。与包括高强度钢合金在内的大多数材料相比,碳纤维还具有更好的疲劳性能和耐腐蚀性。

大多数碳纤维是由富含碳的聚丙烯腈(PAN)制成的。

用PAN生产纤维涉及多个步骤,其中之一是在1500-3000⁰C下热解。这种热处理将碳的分子结构改变为石墨层。这些石墨层由碳原子组成,碳原子排列成类似于铁丝网的二维六角环图案。这些层紧密地排列并沿纤维轴排列。所得纤维的机械性能取决于这些石墨层的内部排列,而石墨层又受热解过程的控制。标准模量碳纤维的拉伸模量约为230GPa,拉伸强度约为4 MPa。可以加工纤维以达到350-450 GPa的更高弹性模量,但会损失拉伸强度(降低到约3MPa)。需要高强度和高刚度的结构通常使用中间模量纤维。

石墨纤维嵌入在环氧树脂等稳定基体中,形成碳纤维复合材料。除了坚固、刚性和重量轻之外,根据树脂类型,所得复合材料可能具有耐化学性、阻燃性,并具有低热膨胀的高温耐受性。

航空航天业在使用碳纤维方面处于领先地位,充分利用了该材料的高强度重量比和刚度重量比。

今天,生产无人机、建筑材料、机器人、战术梯子和体育用品等产品的行业正在利用这种多功能纤维的刚性和轻质特性。

医疗和光学行业也利用了碳纤维的独特性能。因为它对X射线具有生物惰性和可渗透性,碳纤维复合材料非常适合用于假肢、植入物和手术设备。即使在高剂量的X射线和伽马辐射之后,由纤维制成的医学成像台也能保持关键尺寸。

此外,碳纤维复合材料的热膨胀系数低(接近于零),促使它们在望远镜、光学平台和精密测量工具等产品中得到应用。音乐产业也在寻找碳纤维非常规特性的应用。

除了具有高尺寸稳定性和耐湿性外,碳纤维还具有低振动阻尼。这种特性与高刚度重量相结合可以显着改善乐器的共振。使用碳纤维制成的乐器提供完整、丰富的声音,提供更大的音量,并且不受环境条件变化的影响。

工业工具虽然许多行业已经在其最终产品中发现了碳纤维的应用,但同样重要的是要注意这种材料在制造过程中起着重要作用。例如,碳纤维复合材料制成的工具比传统材料制成的工具轻50%。

以前使用重型设备移动的检查工具和机器零件可以用碳纤维减轻重量,使其更易于处理和移动。碳纤维托辊比钢辊更坚硬,从而减少弯曲和屈服。这些辊需要更少的动力来运行,并允许更快的线速度,以及减少轴承上的摩擦。

使用机器人和其他自动化系统的行业正在用碳纤维复合材料替代金属末端执行器。这些替换末端执行器使自动化能够更快、更精确地移动,提升较重的部件,并减少设备上的电机负载。

 
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投稿专栏

碳纤维复合材料是如何制成的?

2022-10-30 10:44:07

投稿专栏

碳纤维如何改变划船业

2022-10-30 10:47:03

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