了解碳纤维(Carbon Fibre)

什么是碳纤维

碳纤维是指纤维中碳含量在95％左右的碳纤维和碳含量在99％左右的石墨纤维。碳纤维由粘胶、腈纶、芳纶、聚酰亚胺等纤维在高温下烧制而成。

碳纤维的发展历史

人类制造碳纤维的历史可以追溯至1880年爱迪生用棉、亚麻、竹等天然植物纤维炭化得到碳纤维用于筛选白炽灯灯丝。但最初得到的碳纤维气孔率高，脆性大且容易氧化。1881年，发现可在碳纤维表面涂覆一层碳膜使其性能有所改善。1909年，将碳纤维在惰性气体中加热到2300℃以上。获得了最早的石墨纤维。1910年钨丝的出现并成功用于白炽灯灯丝使碳纤维的研究停顿。20世纪50年代，美国联合碳化物公司报道了以人造丝为原料，通过控制热解制备碳纤维的研究结果。1959年，日本工业技术大阪工业试验所进藤昭男首次以聚丙烯腈为原料制得碳纤维，1962年申报专利。1969年，日本碳公司根据进藤昭男的研究成果实现T业化生产。1963年，日本群马大学大谷杉郎教授以石油沥青为原料制成碳纤维，1970年，由吴羽化学公司实现T业化生产。当时，无论是以人造丝为原料，还是聚丙烯腈或沥青为原料制的碳纤维，强度和模量均较低。1964年，在碳纤维制造技术上有过两次飞跃，使碳纤维性能大幅度提高。

第一次飞跃是1964年以后，英国和美国分别利用人造丝和聚丙烯腈为原料，研究出在1000～3000℃高温下，边加热边牵伸的炭化技术，使聚丙烯腈碳纤维的性能有了突破性提高。英国皇家航空研究院的瓦特(Watt)与日本进藤昭男合作，制备出高强度和高模量碳纤维，1964年由日本碳公司和东丽公司实现T业化生产。第二次飞跃是以日本东丽公司为代表发明的聚合催化环化原纤维，改革了传统的炭化工艺，缩短了生产周期，提高了产量。

碳纤维的分类

当前国内外已商品化的碳纤维种类很多，一般可以根据原丝的类型、碳纤维的性能和用途进行分类。

1．根据碳纤维的性能分类

(1)高性能碳纤维

在高性能碳纤维中有高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等。

(2)低性能碳纤维

这类碳纤维有耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。

2．根据原丝类形分类

(1)聚丙烯腈基纤维

(2)粘胶基碳纤维

(3)沥青基碳纤维

(4)木质素纤维基碳纤维

(5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。

3．根据碳纤维功能分类

(1)受力结构用碳纤维

(2)耐焰碳纤维

(3)活性碳纤维(吸附活性)

(4)导电用碳纤维

(5)润滑用碳纤维

(6)耐磨用碳纤维

碳纤维的特点

碳纤维具有高比强度、高比模量、耐疲劳、质轻耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、导电性能好、热膨胀系数小等一系列优异性能的纤维材料。

碳纤维的应用

由于碳纤维高温抗氧化性能差和韧性较差，所以很少单独使用，主要用作各种复合材料的增强材料。主要用途有以下几个方面。

1．航空、航天方面的应用

在航空工业中，碳纤维可以用作为航空器的主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；也可以用于次承力构件，如方向舵、起落架、扰流板、副翼、发动机舱、整流罩及碳一碳刹车片等。在航天工业中，碳纤维可用作导弹防热及结构材料，如火箭喷嘴、鼻锥、防热层，卫星构架、天线、太阳能翼片底板，航天飞机机头、机翼前缘和舱门等。

2．交通运输方面的应用

碳纤维复合材料可用来制造汽车传动轴、板簧、构架等，也可用于制造快艇、巡逻艇、鱼雷快艇等。

3．运动器材

用碳纤维可制造网球拍、羽毛球拍以及棒球杆、曲棍球杆和高尔夫球杆、自行车、滑雪板以及赛艇的壳体、桅杆、划水桨等。

4．其他工业

碳纤维可用来制造化工耐腐蚀复合材料制品，如泵、阀、管道、贮罐。碳纤维复合材料还是较好的桥梁和建筑物的修补材料，并广泛用于制造医疗器械和纺织机的部件等。