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中國科學(xué)院金屬研究所
碳纖維在生活領(lǐng)域中應(yīng)用
材料新視野
2016年01月08日
什么是碳纖維？
顧名思義，碳纖維（Carbon Fiber）是一種纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上，直徑一般為5~7微米，約為成年人頭發(fā)直徑的十分之一。每一根碳纖維由數(shù)千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5至8微米。在原子層面的碳纖維跟石墨很相近，是由一層層以六角型排列的碳原子所構(gòu)成。兩者差別在于層與層之間的連結(jié)。石墨是晶體結(jié)構(gòu)，它的層間連結(jié)松散，而碳纖維不是晶體結(jié)構(gòu)，層間連結(jié)是不規(guī)則的。這樣便防止滑移增強(qiáng)物質(zhì)強(qiáng)度。
它是如何被發(fā)現(xiàn)的？
碳纖維的起源可追溯到19世紀(jì)后期，美國人愛迪生（Edson）用碳絲制作燈泡的燈絲，從而發(fā)明了電燈，給人類社會帶來了光明。但是在20世紀(jì)初期，美國通用電器公司的庫里基（Coolidge）發(fā)明了用鎢絲取代碳絲作為燈絲，并一直沿用至今。這使得碳絲一度退出了歷史舞臺。直到20世紀(jì)50年代，在美蘇冷戰(zhàn)和爭霸的時(shí)代背景下，為了解決戰(zhàn)略武器的耐高溫和耐燒蝕材料，碳纖維再次進(jìn)入人們的關(guān)注視角。并自此以后，在材料科學(xué)領(lǐng)域掀起了碳纖維研究與開發(fā)熱潮，各種有機(jī)纖維被用來嘗試制備碳纖維。
進(jìn)藤昭男（Shindo）---PAN基碳纖維世界第一人
東麗公司（Toray）----世界上最大碳纖維生產(chǎn)商
它有哪些特性？
碳纖維作為一種高性能纖維，具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度約為2～7GPa，拉伸模量約為200～700GPa。再加上它的重量很輕，密度約為1.5～2.0g/cm3，僅為鋼的四分之一，這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和比模量。除此之外，碳纖維還具有許多其它優(yōu)良性能，如耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)低、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。在沒有氧氣存在的情況下，碳纖維能夠耐受3000 以上的高溫，這是其他任何纖維材料無法與之相比的。而且，碳纖維對一般的有機(jī)溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性，完全不存在生銹的問題。
如此優(yōu)異的性能使碳纖維成為了材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的耀眼明星。但碳纖維很少單獨(dú)使用，一般只通過與樹脂、金屬或者陶瓷等基體材料進(jìn)行復(fù)合后再使用。碳纖維已成為先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料。由于碳纖維復(fù)合材料具有輕而強(qiáng)、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及設(shè)計(jì)性好、可大面積整體成型等特點(diǎn)，目前已在航空航天、國防軍工和民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
生活中哪里會需要它？
那么它是怎么做出來的呢?
碳纖維的應(yīng)用產(chǎn)品不勝枚舉。隨著性能的進(jìn)一步提升和價(jià)格的大幅降低，碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域必將得到更寬廣的拓展?？梢灶A(yù)見將來碳纖維不但會在高、精、尖領(lǐng)域大顯身手，而且還會成為普通民眾日常生活中最親密、最信賴的朋友。
顧名思義，碳纖維（Carbon Fiber）是一種纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上，直徑一般為5~7微米，約為成年人頭發(fā)直徑的十分之一。每一根碳纖維由數(shù)千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5至8微米。在原子層面的碳纖維跟石墨很相近，是由一層層以六角型排列的碳原子所構(gòu)成。兩者差別在于層與層之間的連結(jié)。石墨是晶體結(jié)構(gòu)，它的層間連結(jié)松散，而碳纖維不是晶體結(jié)構(gòu)，層間連結(jié)是不規(guī)則的。這樣便防止滑移增強(qiáng)物質(zhì)強(qiáng)度。
它是如何被發(fā)現(xiàn)的？
碳纖維的起源可追溯到19世紀(jì)后期，美國人愛迪生（Edson）用碳絲制作燈泡的燈絲，從而發(fā)明了電燈，給人類社會帶來了光明。但是在20世紀(jì)初期，美國通用電器公司的庫里基（Coolidge）發(fā)明了用鎢絲取代碳絲作為燈絲，并一直沿用至今。這使得碳絲一度退出了歷史舞臺。直到20世紀(jì)50年代，在美蘇冷戰(zhàn)和爭霸的時(shí)代背景下，為了解決戰(zhàn)略武器的耐高溫和耐燒蝕材料，碳纖維再次進(jìn)入人們的關(guān)注視角。并自此以后，在材料科學(xué)領(lǐng)域掀起了碳纖維研究與開發(fā)熱潮，各種有機(jī)纖維被用來嘗試制備碳纖維。
進(jìn)藤昭男（Shindo）---PAN基碳纖維世界第一人
東麗公司（Toray）----世界上最大碳纖維生產(chǎn)商
它有哪些特性？
碳纖維作為一種高性能纖維，具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度約為2～7GPa，拉伸模量約為200～700GPa。再加上它的重量很輕，密度約為1.5～2.0g/cm3，僅為鋼的四分之一，這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和比模量。除此之外，碳纖維還具有許多其它優(yōu)良性能，如耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)低、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。在沒有氧氣存在的情況下，碳纖維能夠耐受3000 以上的高溫，這是其他任何纖維材料無法與之相比的。而且，碳纖維對一般的有機(jī)溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性，完全不存在生銹的問題。
如此優(yōu)異的性能使碳纖維成為了材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的耀眼明星。但碳纖維很少單獨(dú)使用，一般只通過與樹脂、金屬或者陶瓷等基體材料進(jìn)行復(fù)合后再使用。碳纖維已成為先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料。由于碳纖維復(fù)合材料具有輕而強(qiáng)、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及設(shè)計(jì)性好、可大面積整體成型等特點(diǎn)，目前已在航空航天、國防軍工和民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
生活中哪里會需要它？
那么它是怎么做出來的呢?
碳纖維的應(yīng)用產(chǎn)品不勝枚舉。隨著性能的進(jìn)一步提升和價(jià)格的大幅降低，碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域必將得到更寬廣的拓展?？梢灶A(yù)見將來碳纖維不但會在高、精、尖領(lǐng)域大顯身手，而且還會成為普通民眾日常生活中最親密、最信賴的朋友。