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碳纤维复合材料的发展和应用

文章来源:中电易展网 作者:【未知】 点击:次 时间:2014/9/25 9:01:21 转载:

一、碳纤维复合材料的发展和战略地位

碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料,具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能,正逐步征服和取代传统材料。现已广泛应用于航天、航空和军事领域。世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要应用外,在民品的发展上有着更加广阔的空间,并已经开始深入到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。

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。80年代期,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。经过二十多年的发展,碳纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期,其工业地位已基本确立,美、日、英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分,并已逐步形成垄断优势。

我国对碳纤维的研究由于起步较晚,技术力量薄弱,虽然碳纤维及其复合材料在我国已被纳入国家“863”和“973”计划,但总体情况不尽理想,我国仍不具备成熟的碳纤维工业化生产技术,国防和民用碳纤维产品基本依赖进口。

二、碳纤维复合材料的性能和用途

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,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。其含碳量随种类不同而异,一般90以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性,如耐高温、耐磨擦、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、可加工性好,沿纤维轴方向表现出很高的度,且碳纤维比重小。

1、碳纤维的化学性能

碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。这是历史上最早就被人类认识的碳素材料的特征之一。除强氧化性酸等特殊物质外,在常温常压附近,几乎为化学惰性。可以认为在普通的工作温度≤250℃环境下使用,很难观察到碳纤维发生化学变化。根据有关资料介绍,从碳素材料的化学性质分析,在≤250℃环境下,碳素材料既没有明显的氧化发生,也没有生成碳化物和层间化合物生成。由于碳素材料具有气孔结构,因此气孔率高达25%左右,在加热过程易产生吸附气体脱气情况,这样的过程更有利于我们稳定电气性能和在电热领域的应用。

2、碳纤维的物理性能

(a)热学性质:碳素材料因石墨晶体的高度各向异性,而不同于一般固体物质与温度的依存性,从工业的应用角度来看,碳素材料比热大体上是恒定的。几乎不随石墨化度和碳素材料的种类而化

(b)导热性质:碳素材料热传导机理并不依赖于电子,而是依靠晶格振动导热,因此,不符合金属所遵循的维德曼—夫兰兹定律。根据有关资料介绍,普通的碳素材料导热系数极高,平行于晶粒方向的导热系数可与黄铜媲美。

(c)电学性质:碳素材料电学性质主要与石墨晶体的电子行为和不同的处理温度有关,石墨的电子能带结构和载流子的种类及其扩散机理决定了上述性质。碳素材料这类电学性质具有本征半导体所具备的特征,电阻率变化主要与载流子的数量变化有关。

3、碳纤维的主要用途

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