碳纤维的特性、种类和用途

碳纤维，或称石墨纤维、碳石墨或CF，是一种由直径约510μm的纤维组成，主要由碳原子组成的材料。碳原子在晶体中键合在一起，这些晶体或多或少平行于纤维的长轴排列。晶体排列使纤维具有高强度体积比（使其尺寸坚固）。几千根碳纤维捆绑在一起形成丝束，可以单独使用，也可以编织成织物。

碳纤维是通过将人造丝或聚丙烯腈纤维或石油残渣加热到适当温度制成的高强度纤维或晶须。纤维的直径可能为7至8微米，碳化率超过90%。这些纤维是聚合物复合材料中硬度最高、强度最高的增强纤维，仅次于玻璃纤维。它们由石墨形式的纯碳制成，具有低密度和负纵向热膨胀系数。

碳纤维非常昂贵，与金属接触会产生电偶腐蚀。它们通常与需要高强度和刚度的环氧树脂一起使用，例如赛车、汽车和太空应用、运动器材。

根据纤维的取向，碳纤维复合材料可以在某个方向上更强，也可以在所有方向上同样强。一小块可以承受数吨的冲击，并且变形仍然很小。纤维的复杂交织特性使其非常难以断裂。

碳纤维的特性/性能

• 物理强度、比韧性、重量轻。
• 良好的减振性、强度、韧性。
• 尺寸稳定性高、热膨胀系数低、磨损小。
• 导电性。
• 生物惰性和X射线渗透性。
• 抗疲劳、自润滑、高阻尼。
• 电磁特性。
• 化学惰性、耐腐蚀性强。

碳纤维的分类：

根据模量、强度和最终热处理温度，碳纤维可分为以下几类：

基于碳纤维的特性，

基于前体纤维材料，

基于最终热处理温度

1、根据碳纤维的特性，碳纤维可分为：

• 超高模量，UHM型（模量>450Gpa）
• 高模量，HM型（模量在350-450Gpa之间）
• 中模量，IM型（模量在200-350Gpa之间）
• 低模高抗拉，HT型（模量<100Gpa，抗拉强度>3.0Gpa）
• 超高抗拉，SHT型（抗拉强度>4.5Gpa）

2、根据前驱体纤维材料，碳纤维分为：

• PAN基碳纤维
• 沥青基碳纤维
• 中间层沥青基碳纤维
• 各向同性沥青基碳纤维
• 人造丝碳纤维
• 气相生长碳纤维

3、根据最终热处理温度，碳纤维分为：

• 高热处理碳纤维（HTT），最终热处理温度应在2000℃以上，可与高模量型纤维结合使用。
• 中间热处理碳纤维（IHT），最终热处理温度应在1500℃左右或以上，可与高强度型纤维结合使用。
• 低热处理碳纤维，最终热处理温度不高于1000℃。这些是低模量和低强度材料。

碳纤维的应用/用途

碳纤维的两个主要应用领域是专业技术，包括航空航天和核工程，以及一般工程和运输，包括轴承、齿轮、凸轮、风扇叶片和汽车车身等工程部件。最近，人们发现了碳纤维的一些新应用。

如建筑行业的桥梁修复，其他包括：汽车、船舶、通用航空内饰、通用娱乐和乐器以及售后市场运输产品的装饰。电子技术中的电导率提供了额外的新应用。

应用碳纤维简述如下：

• 航空航天、公路和海运、体育用品。
• 导弹、飞机刹车、航空天线和支撑结构、大型望远镜、光学平台、用于稳定高频(GHz)精密测量框架的波导。
• 音响设备、高保真设备扬声器、拾音器臂、机械臂。
• 汽车引擎盖、新型工装、电子设备外壳和底座、EMI和RF屏蔽、刷子。
• 在假肢、手术和X射线设备、植入物和肌腱/韧带修复中的医疗应用。
• 纺织机械，通用工程。
• 化学工业;核领域；加工厂中的阀门、密封件和泵组件。
• 大型发电机固定环、放射设备。

碳纤维有时与玻璃纤维结合使用，因为它们的制造工艺相似，例如Corvette ZO6，其前端是碳纤维，后部是玻璃纤维。然而，碳纤维比玻璃纤维更坚固、更轻。

碳纤维可以在各种高性能车辆中找到，包括跑车、超级摩托车、踏板自行车（它们用于制造车架）、摩托艇，并且它通常用于调整和定制行业，其中有吸引力的编织面板没有上漆“炫耀”材料。