碳纤维复合材料的应用有哪些？

碳包裹

碳纤维是将主要成分为碳的有机材料在惰性气体环境中加热得到的纤维丝。碳布或碳织物简称碳包布或碳纤维包布，至少含有90%的碳，是通过特殊控制的纤维热解得到的。黑碳纤维不溶于水，无味，具有非常高的耐腐蚀性，如酸、开口和材料。碳纤维增强聚合物 (CFRP) 通常由两种类型的碳包裹物（碳纤维布或碳纤维织物）制成。第一种称为单向碳包裹，碳纤维平行零度取向，第二种是双向碳包裹，其中碳纤维放置在两个方向，零和垂直于它（90 度）。碳膜用于许多领域，例如建筑改造、国防工业、汽车和许多其他重要行业。用于制作碳包覆材料的碳纤维通常通过添加环氧树脂、玻璃钢触变性环氧树脂胶等元素  来承载结构构件，提高构件的抗剪、抗弯和抗弯能力。

碳纤维包裹材料

碳纤维包裹物具有很高的耐热性，这使其被归类为非爆炸性纤维。碳纤维的机械性能，例如这些纤维的轻便性和高强度，导致它们在复合材料工业和结构的抗震改造中得到广泛使用。碳纤维和碳包裹材料最重要的优点之一，除了重量轻之外，就是这些纤维的高抗拉强度。

碳纤维是改装和复合材料行业中最常用的纤维之一。这种纤维在其他类型的纤维（玻璃纤维和凯夫拉尔纤维）中具有最大的拉伸强度。碳纤维的线性热膨胀系数在高温和低温下都很低，这导致碳纤维在不同温度下的尺寸稳定性。在碳纤维（以及随后的碳包裹）的各种优点中，最突出的是抗拉强度和重量轻（碳大约是钢重量的三分之一，是其电阻的 5 到 10 倍）。此外，碳纤维具有良好的抗疲劳性。对化学品的耐久性和长寿命以及对 X 射线的不渗透性是碳纤维最突出的特性之一。此外，碳包具有出色的导电性，CFRP及其耐热性使其有别于其他工程材料。碳纤维是密度为 2,27 g / cm3 的元素，具有不同的结晶形式。由碳纤维制成的碳纤维包裹物的直径在 6 到 10 微米之间，比人的头发丝还细。碳纤维的高价格是由于其使用寿命长，随着时间的推移对结构构件提供高抵抗力，具有成本效益和经济性。

碳纤维缠绕分类

碳纤维通常根据其单丝根数、拉伸强度、弹性模量和制造过程中热处理的最终温度进行分类。

根据细丝的数量，碳包被分为细丝少于 24,000 根的小丝束或轻丝束，以及细丝多于 24,000 根的大丝束或重丝束。

碳包布根据其纤维的机械性能分为极高弹性模量碳包布（大于 540 GPa）、高弹性模量（350-450 GPa）和中等弹性模量（250-350 GPa）碳包布. 以及高强度高弹性模量（超过540 GPa）碳纤维包裹和高强度低模量（抗拉强度大于3000 MPa，模量小于2000 GPa）碳纤维包裹和超高抗拉强度（超过5000 GPa）的cabob纤维包裹兆帕）。

碳纤维布也根据基体类型分为以丙烯酸纤维（聚丙烯腈）为基础的碳纤维布、以工业沥青为基础的碳纤维纤维布、以中间相沥青为基础的碳纤维纤维布、各向同性沥青纤维、以人造丝粘胶纤维（人造纤维）为基础的碳纤维silk) 和 carbon wrap 是基于气相的。总的来说，碳纤维包裹物可分为两类：合成碳纤维织物和沥青碳纤维包裹物。合成碳包裹物基于称为聚丙烯腈 (PAN) 的合成纤维，非常耐用（超过 3700 MPa），但这种 CFRP 的价格昂贵。从煤蒸馏中获得的沥青碳包裹物比 PAN 便宜，但阻力和弹性模量较小。

最后，根据热处理的最终温度，碳纤维分为MH纤维（热处理温度在2000摄氏度以上）、SH纤维（约1500度）和TH（低温到1000度以下强度低）。 .

碳包裹特性

• 轻质FRP 包裹
• 碳纤维的高拉伸强度
• 比玻璃纤维包裹物更高的弹性模量
• 碳纤维低膨胀系数，使纤维长度在不同温度下保持恒定
• 高抗腐蚀性
• 碳纤维的防爆性能
• 碳包裹抗疲劳
• 致密均匀的碳包覆，柔软度好
• 易成型，结构好
• 质轻、高强、高模量、防腐、导电。
• 重量轻、强度高
• 对结构的形状、重量或外观的最小改变
• 耐腐蚀性能
• 热相容性
• 灵活的碳包裹，符合任何形状
• 优异的疲劳性能
• 比替代方法更快的修复
• 不需要焊接和重型设备
• 准备或安装过程中的干扰和噪音最小
• 总成本低

碳包裹的优势

• 碳包布（单向和双向布）重量轻，密度仅为钢材的1/4；
• 碳包布（单向和双向布）强度高，1mm的布料，在不增加原结构重量和截面尺寸的情况下，起到加固作用；
• 碳纤维布（单向和双向布）柔韧性高，可紧密覆盖特殊形状的结构，可在狭小空间内操作；
• 碳纤维布（单向和双向布）的操作和应用方便快捷，不需要大型机器、工具和湿法施工；
• 碳纤维布（单向和双向布）适用性强，可用于混凝土、砖石、木材等各种结构的加固；
• 碳纤维布（单向和双向布）具有耐腐蚀、耐酸、耐碱、耐盐等多种恶劣环境；
• 碳碳包布（单向和双向布）无污染、无毒、无味；

碳纤维布应用

碳纤维缠绕布在各行各业有着广泛的应用。使用碳包裹的复合材料行业包括：

碳纤维和碳纤维布在建筑行业的应用

用碳纤维复合材料加固和加固结构，制造板材、片材和碳纤维复合材料，高强度混凝土的增强纤维，高强度碳纤维墙体的建造，混凝土结构中建造后张法碳纤维增强塑料结构，以及在内部的应用隧道的墙壁。碳纤维特性使CFRP 层压板成为一种独特的产品。

碳纤维及碳包布在汽车行业的应用

汽车碳油箱、碳纤维汽车防护罩、传动轴、发动机零件、减震器、车轮配件及方向盘箱、刹车片、赛车车身、车身外壳、衬套等。

碳纤维和碳包裹在航空航天工业和飞机上的应用

卫星结构部件、客机内部结构，包括碳座板、碳板和其他碳涂层、尖头超声波飞机、飞机发动机敏感部件等。

碳纤维和碳包裹在医学上的应用

碳纤维医疗器械、碳纤维轮椅、合成骨骼及各种身体部位等的制造。

碳纤维及碳包材在能源领域的应用

• 用于风能发电的涡轮叶片和风车的制造、燃料电池的制造等。
• 碳布在电气设备行业、电子和机械行业的应用。
• 碳膜制成的大齿轮、碳膜制成的滚轮、高速碳膜制成的齿轮、自润滑部件、碳膜制成的天线、碳膜制成的压力容器、蜂窝框架等。

碳纤维布生产

基于聚丙烯腈纤维的碳包裹（或碳粗纱）复合材料生产包括以下三个阶段：

氧化稳定阶段：在此阶段，腈纶纤维与拉伸氧化热处理共存，温度范围为200至3000°C。

碳化阶段：在氧化稳定阶段之后，纤维在中性环境中在约 1000 °C 的温度下进行几个小时的碳化热处理而不施加拉伸。

石墨化阶段：根据所考虑的碳纤维类型，以CFRP的弹性模量为标准，在3000-1500摄氏度的温度范围内应用此步骤，提高了碳晶体在轴方向的取向最终导致增强的 CFRP 机械性能的纤维。

基于其他背景生产CFRP碳纤维的过程与上述步骤类似。通过电子显微镜和 X 射线衍射进一步研究了 CFRP 的结构特性。在聚丙烯腈基碳纤维增强塑料的制造过程中，纤维的结构在氧化稳定操作和随后的碳化过程中从线性链结构转变为板状结构。

背景纤维的拉伸强度越强，复合碳纤维增强塑料的拉伸性能就越高。如果稳定化步骤得当，最终碳纤维制品的拉伸强度和弹性系数随着牵引碳化将大大提高。总的来说，CFRP 的最终强度和失效与底层纤维的类型、工艺条件、热操作温度和纤维中的结构缺陷有关。