碳纖維復(fù)合材料的材質(zhì)及其用途
1.碳纖維復(fù)合材料是什么
纖維增強(qiáng)材料一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。自玻璃纖維與有機(jī)樹脂復(fù)合的玻璃鋼問世以來,碳纖維、陶瓷纖維以及硼纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料相繼研制成功,性能不斷得到改進(jìn),使其復(fù)合材料領(lǐng)域呈現(xiàn)出一派勃勃生機(jī)。下面讓我們來了解一下別具特色的碳纖維復(fù)合材料。
碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維,其含碳量隨種類不同而異,一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性,如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等,但與一般碳素材料不同的是,其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物,沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小,因此有很高的比強(qiáng)度。碳纖維是由含碳量較高,在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維,經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。
碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料,它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上,是鋼的7~9倍,抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比鋼高。
2.碳纖維復(fù)合材料用途
碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合,制成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo),在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域,在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場合,碳纖維復(fù)合材料都頗具優(yōu)勢。
碳纖維是50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要而產(chǎn)生的,現(xiàn)在還廣泛應(yīng)用于體育器械、紡織、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。隨著尖端技術(shù)對新材料技術(shù)性能的要求日益苛刻,促使科技工作者不斷努力提高。80年代初期,高性能及超高性能的碳纖維相繼出現(xiàn),這在技術(shù)上是又一次飛躍,同時(shí)也標(biāo)志著碳纖維的研究和生產(chǎn)已進(jìn)入一個(gè)高級階段。
由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料,由于其比重小、剛性好和強(qiáng)度高而成為一種先進(jìn)的航空航天材料。因?yàn)楹教祜w行器的重量每減少1公斤,就可使運(yùn)載火箭減輕500公斤。所以,在航空航天工業(yè)中爭相采用先進(jìn)復(fù)合材料。有一種垂直起落戰(zhàn)斗機(jī),它所用的碳纖維復(fù)合材料已占全機(jī)重量的1/4,占機(jī)翼重量的1/3。據(jù)報(bào)道,美國航天飛機(jī)上3只火箭推進(jìn)器的關(guān)鍵部件以及先進(jìn)的MX導(dǎo)彈發(fā)射管等,都是用先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料制成的。
現(xiàn)在的F1(世界一級方程錦標(biāo)賽)賽車,車身大部分結(jié)構(gòu)都用碳纖維材料。頂級跑車的一大賣點(diǎn)也是周身使用碳纖維,用以提高氣動(dòng)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度
碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。傳統(tǒng)使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外,一般不單獨(dú)使用,多作為增強(qiáng)材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中,構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料可用作飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機(jī)動(dòng)船、工業(yè)機(jī)器人、汽車板簧和驅(qū)動(dòng)軸等。
碳纖維復(fù)合材料是什么以及碳纖維復(fù)合材料用途的內(nèi)容就到這里了,高強(qiáng)度(是鋼鐵的5倍),出色的耐熱性(可以耐受2000℃以上的高溫)以及出色的抗熱沖擊性等都是它的優(yōu)點(diǎn)。
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